Method Article

人类癫痫患者同步眼动追踪和单神经记录

DOI:

10.3791/59117

⸱

June 17th, 2019

 ,  ,  , 
1Department of Chemical and Biomedical Engineering, and Rockefeller Neuroscience Institute, West Virginia University, 2Departments of Neurosurgery and Neurology, Cedars-Sinai Medical Center, 3Center for Neural Science and Medicine, Department of Biomedical Sciences, Cedars-Sinai Medical Center, 4Division of Biology and Biological Engineering, California Institute of Technology

In This Article

Summary

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我们描述了一种在人类中同时进行眼动追踪的单神经元记录的方法。我们演示了此方法的效用,并说明了我们如何使用这种方法在编码视觉搜索目标的人类中叶中获取神经元。

Abstract

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来自难治性癫痫患者的颅内记录为研究个体神经元在活动行为过程中的活性提供了独特的机会。量化行为的重要工具是眼动追踪,它是研究视觉注意力不可或缺的工具。然而,眼动追踪与侵入性电生理学同时使用具有挑战性,因此这种方法很少使用。在这里,我们提出了一个经过验证的实验协议,用于在人类中同时进行眼动追踪的单神经元记录。我们描述了系统是如何连接的,以及记录神经元和眼睛运动的最佳设置。为了说明此方法的效用,我们总结了此设置可能实现的结果。此数据显示了如何在记忆引导的视觉搜索任务中使用眼动追踪,从而描述称为目标神经元的新神经元类别,其响应反映了对当前搜索目标的自上而下的关注。最后,我们讨论了此设置的潜在问题的重要性和解决方案。总之,我们的协议和结果表明,单神经元记录与同时在人类的眼睛跟踪是研究人脑功能的有效方法。它提供了动物神经生理学和人类认知神经科学之间缺失的关键联系。

Introduction

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人类单神经元记录是一个独特而强大的工具,用于探索人类大脑的功能,具有非凡的空间和时间分辨率1。最近,单神经元记录在认知神经科学领域得到了广泛的应用,因为它们允许直接研究人类认知的核心认知过程。这些记录是通过临床需要确定癫痫病灶的位置而做出的,深度电极暂时植入疑似焦点癫痫患者的大脑。通过此设置,可以使用从混合深度电极尖端伸出的微线获得单神经元记录(前一个中提供了用于插入混合深度电极的外科方法的详细说明协议2。其中,这种方法已用于研究人类记忆3,4,情感5,6,和注意7,8。

眼动测量在认知任务期间凝视位置和眼动(固定和囊肿)。基于视频的眼动仪通常使用角膜反射和学生的中心作为功能来跟踪随着时间的推移9。眼动追踪是研究视觉注意力的一个重要方法,因为注视位置表示大多数自然行为10、11、12时注意力的焦点。

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Protocol

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1. 与会者

  1. 招募患有难治性癫痫的神经外科患者,他们正在接受颅内电极的放置,以定位其癫痫发作。
  2. 将带有嵌入式微线的深度电极插入所有临床指示的目标位置,通常包括杏仁核、海马、前结皮层和预补充运动区域的子集。请参阅我们之前的协议2中关于植入的详细信息。
  3. 一旦患者返回癫痫监测单元,连接记录设备进行宏观和微记录。这包括精心准备包括头部阶段的头包装(详情2请参阅我们前面的说明)。然后,等待患者从手术中恢复,并在患者完全清醒时进行测试(通常在手术后至少 36 至 48 小时)。

2. 实验设置

  1. 按照图1中的图表将刺激计算机连接到电生理学系统和眼动仪。
  2. 使用远程非侵入性红外眼跟踪系统(参见材料表)。将眼动追踪系统放在一个坚固的移动推车上(图1A,B)。到同一个购物车,连接一个灵活的手臂,容纳液晶显示器。使用远程模式跟踪患者头部和眼睛。
  3. 将充满电的不间断电源 (UPS) 放在眼动追踪车上,并将与眼动追踪相关的所有设备(即患者前面的 LCD、眼动仪摄像....

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Results

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为了说明上述方法的用法,我们接下来将简要描述我们最近发布的8的用例。我们记录了228个单神经元从人类中叶(MTL;杏仁核和海马),而患者执行视觉搜索任务(图3A,B)。在这项任务中,我们调查了神经元的活动是否区分了对目标和干扰物的固定。

首先,当我们在按下按钮时对齐反应时,发现神经元在靶场试验和目标不存在试验之间表现出不同的活动(图3C,D)。重要的是,通过同时进行眼动追踪,进行了基于固定的分析。要选择此类目标神经元,使用固定开始前 200 ms 开始的时间窗口中的平均发射速率,在固定偏移(下一个囊肿开始)后结束 200 ms。MTL神经元的子集(50/228;21.9%;二项式P<10+20)显示目标固定与干扰物.......

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Discussion

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在这个协议中,我们描述了如何使用单神经元记录与并发眼跟踪,并描述了我们如何使用这种方法来识别人类MTL中的目标神经元。

该设置涉及三台计算机:一台执行任务(刺激计算机),一台运行眼动仪,一台运行采集系统。为了在三个系统之间同步,并行端口用于将TTL触发器从刺激计算机发送到电生理学系统(图1C)。同时,刺激计算机使用以太网电缆将相同的 TTL 发送到眼动仪。刺激计算机在其扩展坞上应该有一个并行端口,如所示(图1D),或者,有一个PCI Express并行端口卡或类似的设备。

刺激电脑和眼动仪的移动推车,并连接了灵活的手臂,允许灵活定位屏幕在患者面前(图1A,B)。强烈建议使用 UPS 为推车上的设备供电,以消除由于眼动追踪设备接近患者头部而引入电生理记录中的线路噪音(图1E)。.......

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Disclosures

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提交人声明没有利益冲突。

Acknowledgements

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我们感谢所有病人的参与。这项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达纳基金会(到S.W.),NSF CAREER奖(1554105到U.R.)和NIH(R01MH110831和U01NS099961到U.R.)的支持。资助者在研究设计、数据收集和分析、决定出版或编写手稿方面没有作用。我们感谢詹姆斯·李、艾瑞卡·泉和雪松-西奈模拟中心的工作人员帮助制作了演示视频。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Cedrus Response BoxCedrus （https://cedrus.com/）RB-844按钮盒
戴尔笔记本电脑Dell （https://dell.com）Precision 7520刺激电脑
EyeLink 眼动仪SR Research （https://www.sr-research.com）1000 Plus 遥控器，带笔记本电脑主机和液晶显示器臂支架眼动追踪
MATLABMathWorks IncR2016a （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）尖峰排序算法
心理物理学 Toolbx开源PTB3 （ RRID： SCR_002881）用于实现心理物理实验的 Matlab 工具箱

References

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  1. Fried, I., Rutishauser, U., Cerf, M., Kreiman, G. Single Neuron Studies of the Human Brain: Probing Cognition. , MIT Press. Boston. (2014).
  2. 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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