Open-Source Real-Time Closed-Loop Electrical Threshold Tracking for Translational Pain Research

Aidan P. Nickerson; Graeme  W. T. Newton; James H. O'Sullivan; Manuel Martinez-Perez; Anna C. Sales; Gethin Williams; Anthony E. Pickering; James P. Dunham

doi:10.3791/64898

تتبع العتبة الكهربائية ذات الحلقة المغلقة في الوقت الفعلي مفتوحة المصدر لأبحاث الألم الانتقالية

JoVE Journal
Neuroscience

This content is Free Access.

JoVE Journal Neuroscience

Open-Source Real-Time Closed-Loop Electrical Threshold Tracking for Translational Pain Research

تتبع العتبة الكهربائية ذات الحلقة المغلقة في الوقت الفعلي مفتوحة المصدر لأبحاث الألم الانتقالية

Full Text

1,810 Views

10:28 min

April 21, 2023

DOI: 10.3791/64898-v

Aidan P. Nickerson^1,2, Graeme W. T. Newton¹, James H. O'Sullivan³, Manuel Martinez-Perez⁴, Anna C. Sales¹, Gethin Williams⁵, Anthony E. Pickering¹, James P. Dunham¹

¹Anaesthesia, Pain, and Critical Care Sciences, School of Physiology, Pharmacology, & Neuroscience,University of Bristol, ²Eli Lilly and Company, ³Department of Computer Science,University of Bristol, ⁴Department of Aerospace Engineering,University of Bristol, ⁵Research Computing,University of Bristol

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

APTrack is a software plugin for the Open Ephys platform designed for real-time visualization and electrical threshold tracking of neuronal action potentials. This tool has been applied to microneurography studies involving human and mouse C-fiber nociceptors, exploring nociceptor sensitization linked to chronic pain.

Key Study Components

Area of Science

Neuroscience
Electrophysiology
Chronic pain mechanisms

Background

APTrack enables automated electrical threshold tracking of nociceptors.
Nociceptor sensitization contributes to chronic pain conditions.
Real-time data visualization supports both human and animal studies.
This system allows for the evaluation of treatments affecting neuronal excitability.

Purpose of Study

Investigate mechanisms of nociceptor sensitization.
Enable reliable, online measurement of nociceptor excitability.
Bridge research between clinical and preclinical assessments of pain.

Methods Used

The study utilizes the Open Ephys platform with the APTrack plugin.
Models include human C-fiber nociceptors and mouse C-fiber and Aδ-fiber nociceptors.
Details on apparatus setup and electrical stimulation methodologies are provided.
User instructions for operating the APTrack GUI are specified.
The protocol emphasizes initial connectivity and calibration steps.

Main Results

Automated tracking of action potentials shows real-time excitability changes.
Identification of constant latency action potentials supports nociceptor studies.
Electrical threshold tracking algorithms yield reliable threshold values.
The system provides insights into the excitability of sensitized nociceptors, aiding in chronic pain research.

Conclusions

APTrack demonstrates utility in assessing nociceptor excitability across species.
This methodology facilitates the evaluation of chronic pain treatments.
The findings may enhance understanding of neuronal mechanisms underlying pain.

Frequently Asked Questions

What is the main advantage of using APTrack?

APTrack offers real-time data visualization and reliable electrical threshold tracking, enhancing the study of nociceptor excitability.

How is nociceptor sensitization studied?

The study uses microneurography to assess action potentials from human and animal nociceptors, focusing on excitability changes.

What types of data can APTrack provide?

APTrack tracks action potentials, calculates electrical thresholds, and provides insights into nociceptor excitability over time.

Can APTrack be used for therapeutic assessments?

Yes, APTrack could be utilized to determine if treatments normalize the excitability of sensitized nociceptors in chronic pain patients.

What steps are involved in connecting equipment for APTrack?

Setup involves connecting the acquisition board, IO board, Pulse Pal, and constant current stimulator according to specified protocols.

Are there any limitations to consider with APTrack?

Users may face a learning curve while managing both the experimental setup and software; familiarization with demo data is recommended.

APTrack هو مكون إضافي برمجي تم تطويره لمنصة Open Ephys التي تتيح تصور البيانات في الوقت الفعلي وتتبع العتبة الكهربائية ذات الحلقة المغلقة لإمكانات العمل العصبي. لقد استخدمنا هذا بنجاح في تصوير الأعصاب الدقيقة لمستقبلات الألم البشرية من الألياف C ومستقبلات الألم من الألياف C والألياف Aδ.

يمكن استخدام هذه الأداة للتحقيق في آليات مختلفة لحساسية مستقبلات الألم ، وهذا هو التحسس الذي يمكن أن يدفع بعض أشكال الألم المزمن. يوفر تتبع العتبة الكهربائية الآلي مقياسا موثوقا به عبر الإنترنت وفي الوقت الفعلي لاستثارة مستقبلات الألم. على هذا النحو ، يوفر هذا الإجراء جسرا انتقاليا مهما ، مما يسمح بإجراء القياسات في كل من البشر والحيوانات.

بنفس الطريقة ، مما يسمح بتقييم الأمراض والعلاجات الفعالة. في المستقبل ، يمكن استخدام AP Track في مرضى الألم المزمن لتأكيد ما إذا كان العامل العلاجي يعمل على تطبيع استثارة مستقبلات الألم الحساسة. وهذا من شأنه أن يمثل علامة حيوية حاسمة للفعالية.

نتوقع أن تكون مجموعة أدواتنا مفتوحة المصدر ، AP Track ، مفيدة لعلماء الفيزيولوجيا الكهربية الذين يدرسون محفزات الحلقة الزمنية ذات الأحجام المختلفة. على سبيل المثال، نعتقد أيضا أنه سيكون مفيدا لدراسة علم البصريات الوراثي. تعد إدارة التجربة والبرامج في وقت واحد أمرا صعبا في البداية ، لذلك أوصي المستخدمين بتحميل البيانات المسجلة مسبقا في AP Track للتعرف على استخدامها قبل محاولة التجربة.

لقد قدمنا بيانات تجريبية. للبدء ، قم بتوصيل لوحة الاستحواذ بالكمبيوتر باستخدام الكبل الذي توفره الشركة المصنعة ، وقم بتشغيلها. بعد ذلك ، قم بتوصيل لوحة IO بالاستيراد التناظري على لوحة الاستحواذ وقم بتوصيل Intan RHD Recording Headstage بلوحة الاستحواذ باستخدام كبل واجهة طرفية تسلسلية.

بعد ذلك ، قم بتوصيل Pulse Pal بالكمبيوتر. قم بتقسيم إشارة قناة إخراج Pulse Pal الأولى باستخدام BNC T Splitter ، ثم قم بتوصيلها بإدخال محفز التيار المستمر ولوحة IO ، بحيث يمكن تسجيل أمر الجهد التناظري. قم بتوصيل قناة إخراج Pulse Pal الثانية بلوحة IO لتسجيل علامات حدث TTL للتحفيز.

للتجميع باستخدام محفز تيار ثابت يتم التحكم فيه بالاتصال الهاتفي ، قم بتشغيل محفز تيار ثابت وقم بتوصيل لوحة التحكم في محرك السائر بمحرك السائر باستخدام الكابل المزود من الشركة المصنعة والحامل المغناطيسي. قم بتوصيل لوحة التحكم بالكمبيوتر مباشرة باستخدام أي كابل USB-A إلى USB micro B قياسي. قم بتوصيل لوحة التحكم ومحرك السائر بقوس تثبيت مخصص ، واضبط قرص سعة التحفيز على محفز التيار المستمر على صفر مللي أمبير.

بعد ذلك ، قم بتوصيل محول برميل مخصص ببرميل محرك السائر. قم بتوصيل محرك السائر وجهاز التثبيت المخصص بقرص سعة التحفيز على محفز التيار المستمر باستخدام محول البرميل ، وقم بتشغيله. افتح واجهة المستخدم الرسومية AP Track وقم بإنشاء تسجيل فسيولوجي كهربي مستقر للعصب المحيطي.

تحديد المجال المستقبلي على الجلد ووضع القطب المحفز هناك. في قائمة الخيارات ، حدد قناة الزناد واختر قناة ADC التي تحتوي على علامة TTL للتحفيز الكهربائي من قناة إخراج Pulse Pal الثانية. ثم حدد قناة البيانات واختر القناة التي تحتوي على بيانات الفيزيولوجيا الكهربية.

انقر فوق اتصال لتوصيل AP Track بجهاز Pulse Pal ومحرك السائر. قد يستغرق هذا لحظة. بمجرد الاتصال ، ستحدد لوحة التحكم في محرك السائر نفسها في الموضع صفر.

في لوحة التحكم في التحفيز ، حدد الحد الأدنى والحد الأقصى لسعة التحفيز الأولية باستخدام شريط التمرير. تأكد من ضبط التحفيز الحالي فوق الصفر ، بحيث يتم إنشاء علامات TTL. انقر فوق F لتحميل ملف يحتوي على تعليمات التحفيز ، ثم انقر فوق السهم الأيمن لبدء نموذج التحفيز المحمل.

سيبدأ تحديث المخطط النقطي الزمني بالاستجابة للتحفيز الكهربائي، مع عرض كل استجابة تحفيز جديدة كعمود جديد على اليمين. لاكتشاف جهود عمل الخلايا العصبية المفردة بنجاح، انتقل إلى لوحة الرسم النقطية الزمنية واضبط قيم عتبة الصورة المنخفضة والكشف والعالية. مع تعيين عتبات الصورة المناسبة ، سيتم ترميز أحداث عبور العتبة المكتشفة بواسطة الخوارزميات باللون الأخضر.

بشكل منهجي ، حرك القطب المنبه حول منطقة الجلد المعصبة بالعصب. راقب مخطط البيانات النقطية الزمنية لثلاثة أحداث عبور عتبة تظهر على التوالي في نفس زمن الانتقال بينما يكون القطب في نفس موضع التحفيز. يشير هذا إلى تحديد جهد عمل الخلايا العصبية المحيطية بزمن انتقال ثابت.

بعد تحديد جهد عمل الخلية العصبية المفردة على مخطط البيانات النقطية الزمنية، حرك شريط التمرير الخطي الرمادي على الجانب الأيمن من المخطط لضبط موضع مربع البحث. ثم اضبط مربع البحث باستخدام شريط التمرير الدوار على عرض مناسب. اجعل عرض مربع البحث ضيقا.

لبدء تتبع الإجراء المستهدف المحتمل ، انقر فوق علامة الجمع أسفل جدول التتبع متعدد الوحدات. ستتم إضافة صف جديد إلى الجدول يحتوي على تفاصيل إمكانات الإجراء المستهدف ، بما في ذلك موقع الكمون ، والنسبة المئوية لإطلاق أكثر من اثنين إلى 10 محفزات ، وسعة الذروة المكتشفة. سيتم تنفيذ خوارزمية تتبع زمن الوصول تلقائيا عليها عند كل تحفيز كهربائي لاحق.

حدد مربع ارتفاع المسار في الجدول لنقل مربع البحث إلى الموضع المناسب لإمكانية الإجراء المحددة هذه. احسب سرعة توصيل الخلية العصبية الطرفية بقسمة المسافة بين موقعي التحفيز والتسجيل على زمن الانتقال المعروض في الجدول. لإجراء تتبع العتبة الكهربائية ، اضبط معدلات الزيادة والنقصان في لوحة التحكم في التحفيز على المعدل المطلوب.

حافظ على هذه القيم متساوية. تأكد من ضبط تردد التحفيز على معدل مناسب ، عادة من 0.25 إلى 0.5 هرتز. اضبط سعة التحفيز يدويا تقريبا على العتبة الكهربائية للخلية العصبية.

بعد ذلك ، حدد مربع عتبة المسار في جدول التتبع متعدد الوحدات ، والذي سيبدأ خوارزمية تتبع العتبة الكهربائية. في جدول التتبع متعدد الوحدات ، راقب معدل إطلاق النار. يشير معدل إطلاق النار بنسبة 50٪ إلى أنه تم تحديد العتبة الكهربائية التقريبية وسيتم تحديث قيمة العتبة.

أخيرا ، قم بتطبيق معالجة تجريبية على المجال المستقبلي واستمر في تتبع العتبة الكهربائية. وهذا سيحدد التغيرات في استثارة الخلايا العصبية الطرفية. يظهر هذا الشكل الآثار المتسلسلة لألياف C البشرية للعصب الدائم السطحي أثناء تجربة تصوير الأعصاب الدقيقة والآثار المتسلسلة لألياف A-delta للفأر من العصب الصافن أثناء تحضير الفيزيولوجيا الكهربية للألياف المخادعة للفأر.

تم تلوين الآثار باللون الأحمر عند تحديد جهد الفعل ، مما أدى إلى انخفاض سعة المثير. تجد خوارزمية البرنامج بشكل فعال سعة التحفيز المطلوبة لاحتمال إطلاق النار بنسبة 50٪. يتم عرض تتبع العتبة الكهربائية عند تردد تحفيز 0.25 هرتز أثناء التحفيز الحراري لمستقبل الألم من ألياف C البشرية في هذا الشكل.

يقوم المحور ص بتشفير رقم التحفيز من بداية النموذج. يتم تمييز آثار الجهد لمدة 4،000 مللي ثانية بعد التحفيز الكهربائي مع أحداث عبور العتبة باللون الأحمر. يظهر هنا تتبع الجهد الذي تم تكبيره حول جهد الفعل المتتبع.

الخط الأزرق العمودي هو زمن انتقال خط الأساس للوحدة المتعقبة. يظهر تيار التحفيز الذي يقوده مسار AP في هذا الشكل. الخط الأزرق الرأسي هو العتبة الكهربائية الأساسية.

يتم عرض درجة حرارة مسبار التحفيز الحراري TCS-II للمجال المستقبلي هنا. عندما يتم تسخين المجال المستقبلي لهذه الألياف C الحساسة للحرارة بواسطة المحفز الحراري ، تنخفض العتبة الكهربائية. يعد اختيار القيم المناسبة لعرض مربع البحث وعتبة الكشف أمرا مهما ، لأنها تحسن أداء AP Track بشكل كبير عن طريق تقليل تأثير الضوضاء الكهربائية.

قد يساعدنا تحديد تأثير العوامل العلاجية على فرط الاستثارة في مستقبلات الألم على فهم الآليات الكامنة وراء الألم المزمن بشكل أفضل. نأمل أن يستخدم الباحثون الآخرون هذه الأداة المتاحة مجانا لفهم بيولوجيا مسبب للألم بشكل أفضل والتغييرات التي حدثت أثناء توعية مستقبلات الألم.