我们介绍了一种在人类中进行单神经元记录的同时结合眼动追踪的方法。我们展示了该方法的有效性，并说明了如何利用这一方法获取编码视觉搜索目标的人类内侧颞叶神经元。
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本文内容
摘要
摘要
对难治性癫痫患者进行颅内记录，为研究人类个体神经元在主动行为过程中的活动提供了独特的机会。量化行为的重要工具之一是眼动追踪，这是研究视觉注意不可或缺的手段。然而，眼动追踪与侵入性电生理记录同时使用具有挑战性，因此该方法迄今应用较少。本文介绍了一种经过验证的实验方案，可在人类受试者中同步开展单神经元记录与眼动追踪。我们详细描述了系统的连接方式以及记录神经元活动和眼动的最优参数设置。为说明该方法的应用价值，我们总结了通过此实验装置所获得的研究成果。这些数据表明，在基于记忆的视觉搜索任务中使用眼动追踪，使我们能够识别出一类新的神经元——目标神经元，其反应反映了对当前搜索目标的自上而下的注意。最后，我们讨论了该实验设置的意义以及可能遇到问题的解决方案。综上所述，我们的实验方案和研究结果表明，在人类中同步进行单神经元记录与眼动追踪是研究人脑功能的有效方法，它填补了动物神经生理学与人类认知神经科学之间长期缺失的关键环节。
引言
人类单神经元记录是一种独特而强大的工具，能够以极高的空间和时间分辨率探索人脑功能1。近年来，由于单神经元记录允许直接研究与人类认知密切相关的核心认知过程，该技术在认知神经科学领域得到了广泛应用。这种记录得以实现，源于临床上需要确定癫痫灶的位置，因此会对疑似局灶性癫痫的患者暂时植入深部电极。在此条件下，可通过混合型深部电极尖端伸出的微丝获取单神经元记录信号（有关植入混合型深部电极的手术方法的详细描述见先前的实验方案2）。该方法已被用于研究人类记忆3,4、情绪5,6以及注意7,8等多个方面。
眼动追踪技术用于测量认知任务过程中的注视位置和眼球运动（包括注视和扫视）。基于视频的眼动仪通常利用角膜反射点和瞳孔中心作为随时间追踪的特征点9。眼动追踪是研究视觉注意的重要方法，因为在大多数自然行为中，注视位置能够反映注意力的集中区域10,
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方案
1. 参与者
- 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。
- 在所有临床指征明确的目标脑区植入带有嵌入式微丝电极的深部电极，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。有关植入细节，请参见我们先前的实验方案2。
- 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部放大器的头套包裹装置（详见我们之前的描述2）。随后等待患者术后恢复，并在其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
- 根据图1中的示意图，将刺激计算机连接到电生理系统和眼动仪。
- 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）。使用远程模式追踪患者头部和眼睛的运动。
- 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（即患者前方的L....
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结果
为了说明上述方法的使用，我们接下来简要描述一个我们近期发表的使用案例8。在患者执行视觉搜索任务时，我们记录了来自人类内侧颞叶（MTL；杏仁核和海马）的228个单个神经元活动（图3A，B）。在此任务期间，我们研究了神经元活动是否能够区分对目标和干扰物的注视。
首先，当我们以按键时刻对齐神经反应时，发现了一些在目标出现试验与目标缺失试验之间表现出差异性活动的神经元（图 3C，D）。重要的是，在同步进行眼动追踪的基础上，开展了基于注视的分析。为筛选此类目标神经元，采用了从注视开始前 200 ms 至注视结束（下一次眼跳开始）后 200 ms 时间窗口内的平均放电率。内侧颞叶（MTL）神经元中有一部分（50/228；21.9%.......
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讨论
在本实验方案中，我们介绍了如何结合单神经元记录与同步眼动追踪，并阐述了如何利用该方法在人类内侧颞叶（MTL）中识别目标神经元。
该实验设置包含三台计算机：一台用于执行任务（刺激计算机），一台用于运行眼动仪，另一台用于运行采集系统。为了实现三个系统之间的同步，通过并行端口将刺激计算机的 TTL 触发信号发送至电生理系统（图 1C）。同时，刺激计算机通过以太网线将相同的 TTL 信号发送至眼动仪。在本示例中，刺激计算机的扩展坞应具备并行端口（图 1D），或者可选地，配备 PCI Express 并行端口卡或类似设备。
用于放置刺激计算机和眼动仪的移动推车配备了可调节臂，可灵活地将屏幕定位在患者面前（图1A，B）。建议使用不间断电源（UPS）为推车上的设备供电，以消除由于眼动仪靠近患者头部而引入电生理记录中的线路噪声（
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
我们感谢所有患者的参与。本研究得到了洛克菲勒神经科学研究所、自闭症科学基金会和dana基金会（资助对象：S.W.）、美国国家科学基金会CAREER奖（1554105，资助对象：U.R.）以及美国国立卫生研究院（R01MH110831和U01NS098961，资助对象：U.R.）的支持。资助方在研究设计、数据收集与分析、发表决定或稿件撰写过程中均未发挥任何作用。 我们感谢James Lee、Erika Quan以及Cedars-Sinai模拟中心的工作人员在制作演示视频过程中提供的帮助。
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材料
| 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.sr-research.com) | 1000 Plus 远程型，配备笔记本主机和 LCD 臂式支架 | 眼动追踪 |
| MATLAB | MathWorks Inc | R2016a (RRID: SCR_001622) | 数据分析 |
| 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 |
参考文献
- Fried, I., Rutishauser, U., Cerf, M., Kreiman, G. Single Neuron Studies of the Human Brain: Probing Cognition. , MIT Press. Boston. (2014).
- Minxha, J., Mamelak, A. N., Rutishauser, U. Surgical and Electrophysiological Techniques for Single-Neuron Recordings in Human Epilepsy Patients. Extracellular Recording Approaches. Sillitoe, R. V. , Springer New ....
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重印与许可
