同步眼动追踪与单神经元记录以鉴定目标选择性神经元

摘要

来源：Wang, S.，等. 癫痫患者中同步眼动追踪与单神经元记录。J. Vis. Exp. (2019)。

该视频展示了一种通过同步眼动追踪和单神经元记录来鉴定目标选择性神经元的实验方法。实验中，要求一名人类受试者在显示的一组物体中识别出目标物体，同时对其眼动进行追踪。与此同时，通过植入大脑的电极记录单个神经元的放电频率。将两组记录的数据进行关联分析，以评估是否存在目标选择性神经元。

方案

所有涉及人类参与者的操作均按照机构、国家和国际的人类福利指南进行，并已通过当地机构审查委员会的审查。

1. 参与者

1. 招募正在接受颅内电极植入以定位癫痫发作区域的难治性癫痫神经外科患者。
2. 将嵌入微丝的深部电极插入所有临床指征目标区域，通常包括杏仁核、海马、前扣带皮层和前辅助运动区的部分区域。电极植入的详细信息请参见我们之前的实验方案。
3. 患者返回癫痫监测病房后，连接用于宏观和微观记录的记录设备。包括仔细准备包含头端放大器的头部包扎装置。随后等待患者从手术中恢复，并在患者完全清醒时进行测试（通常为术后至少36至48小时）。

2. 实验装置

1. 根据图1中的示意图，将刺激计算机连接至电生理系统和眼动仪。
2. 使用远程非侵入性红外眼动追踪系统（见材料表）。将眼动追踪系统放置在一个稳固的移动推车上（图1A、B）。在同一推车上安装一个可调节的机械臂，用于固定液晶显示器（LCD）。使用远程模式追踪受试者的头部和眼睛。
3. 在眼动追踪推车上放置一台充满电的不间断电源（UPS），并将所有与眼动追踪相关的设备（即位于受试者前方的LCD显示器、眼动仪摄像头和光源、眼动仪主机计算机）连接至该UPS，而非外部电源。
4. 调整受试者与LCD屏幕之间的距离至60–70 cm，并调节LCD屏幕的角度，使屏幕表面大致与受试者面部平行。根据受试者头部的高度调节屏幕位置，使眼动仪摄像头大致与受试者鼻部处于同一高度。
5. 向受试者提供按钮盒或键盘。在开始实验前，确认触发信号（晶体管-晶体管逻辑，TTL）和按钮按压能够被正确记录。

3. 单神经元记录

1. 启动采集软件。首先，目视检查宽带（0.1 Hz - 8 kHz）局部场电位，确保其未受工频噪声污染。若存在噪声，则应按照标准流程去除噪声。
2. 为识别单个神经元，对信号进行带通滤波（300 Hz - 8 kHz）。从每束八根微丝中选择一根作为参考电极。测试不同的参考电极并进行调整，以满足以下两个条件：（1）其余7个通道显示清晰的神经元信号；（2）所选参考电极本身不包含神经元信号。将输入范围设置为 ± 2,000 µV。
3. 在记录数据前，启用将数据保存为NRD文件（即用于后续离线 spike sorting 的宽带原始数据文件）的功能。设置采样频率为32 kHz。

4. 眼动追踪

1. 启动眼动追踪软件。由于该系统无需头部固定，请将贴纸贴在患者的前额上，以便眼动仪能够校正头部运动。
2. 调整眼动仪与患者之间的距离和角度，使目标标记、头部距离、瞳孔和角膜反射（CR）均显示为就绪状态（在眼动追踪软件中以绿色显示；图2 展示了一个良好的摄像头设置界面示例）。点击要记录的眼，并将采样率设置为 500 Hz。
3. 使用自动调节瞳孔和角膜反射（CR）阈值功能。对于佩戴眼镜的患者，调整照明器和摄像头的位置和/或角度，以避免眼镜反光干扰瞳孔信号的获取。
4. 在每个实验区块开始时，使用内置的9点网格法对眼动仪进行校准。确认眼位（以“+”显示）准确地分布为9点网格。若不符合要求，则需重新校准。
5. 接受校准结果并进行验证。若最大验证误差< 2° 且平均验证误差< 1°，则接受验证结果；否则需重新进行验证。
6. 执行漂移校正，然后进入正式实验阶段。

5. 任务

1. 在此视觉搜索任务中，使用我们先前研究中的刺激材料，并按照此前描述的任务流程进行操作。
2. 向参与者提供任务说明。指导参与者在搜索阵列中寻找目标项目，并在发现后尽快做出反应。指示参与者如果发现目标，则按响应盒的左侧按钮（参见材料表）；如果认为目标不存在，则按右侧按钮。明确告知参与者实验中将包含目标出现和目标缺失的试次。
3. 启动刺激呈现软件（参见材料表）并运行任务：首先呈现1秒的目标线索，然后使用刺激呈现软件呈现搜索阵列。记录按键反应，并向参与者提供逐次试次的反馈（正确、错误或超时）。

结果

图1. 实验装置。 (A) 左侧面板展示了不同系统之间连接关系的示意图。刺激计算机作为中央控制器，通过并行端口与电生理系统连接，并发送TTL脉冲作为触发信号。刺激计算机通过以太网电缆连接至眼动追踪系统，向眼动仪发送文本消息，并实时接收当前注视位置。刺激计算机还在刺激屏幕（VGA）上呈现刺激，并通过USB按钮盒或键盘接收受试者的反应。蓝色线条表示设备之间的连接，箭头表示设备间通信的方向。右侧面板展示了各系统之间的信号流向以及每个系统中保存的数据。(B) 一个示例装置，其中系统的关键部件已标注。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Cedrus 反应盒	Cedrus (https://cedrus.com/)	RB-844	按钮盒
Dell 笔记本电脑	Dell (https://dell.com)	Precision 7520	刺激呈现计算机
EyeLink 眼动仪	SR Research (https://www.srresearch.com)	1000 Plus 远程型，配备笔记本主机和LCD臂式支架	眼动追踪
Neuralynx 神经生理学系统	Neuralynx (https://neuralynx.com)	ATLAS 128	电生理学
Osort	开源	v4.1 (RRID: SCR_015869)	峰电位分类算法
心理物理学工具箱	开源	PTB3 (RRID: SCR_002881)	用于实现心理物理学实验的Matlab工具箱
MATLAB	MathWorks Inc	R2016a (RRID: SCR_001622)	数据分析