人类癫痫患者同步眼动追踪和单神经记录
2019年6月17日
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。
我们技术的一个原则优势是，它允许同时记录患者在床边植入深度电极的病例位置、瞳孔大小和单神经元。这使我们能够确定人脑中是否有神经元，其活动对眼部运动和当前固定刺激的特性敏感。虽然这项技术不是用来研究某种疾病的，但它非常适合研究导致眼部运动异常或其他眼部运动异常的神经系统疾病。
演示程序将是南德钱德拉瓦迪亚和詹姆斯李，我的实验室的研究伙伴。还有艾瑞卡·泉，雪松西奈的神经诊断技术员。首先，将电极连接到记录系统，并直立放置患者。
然后，将刺激计算机连接到电生理学系统和眼动仪。将远程非侵入性红外眼动追踪系统放在坚固的移动购物车上。然后，将一个将液晶显示屏的柔性臂连接到购物车。
将充满电的不间断电源放在眼动追踪车上，将所有与眼动追踪相关的设备连接到电源，而不是外部电源。确保连接到患者的 IV 设备使用电池运行且未插入墙壁。启动眼动追踪软件。
将患者与 LCD 屏幕之间的距离调整到 60 到 70 厘米之间。还要调整液晶屏的角度，使屏幕表面与患者面部大致平行。在患者的额头上贴上贴纸，以便眼动仪可以调整头部运动。
现在，调整屏幕相对于患者头部的高度，使眼动仪的摄像头大约在患者鼻子的高度。为患者提供按钮盒或键盘。在开始实验之前，验证触发器和按钮按下是否正确记录。
启动采集软件。首先目视检查宽带本地场电位，并确保它们不会受到线路噪声的污染。否则，请遵循标准程序来消除噪音。
要识别单神经元，带通信号从 300 赫兹到 8 千赫。选择八条微线之一作为每个微线束的参考。启用在录制前将数据保存为 nrd 文件。
调整眼动仪和患者之间的距离和角度，使目标标记、头部距离、瞳孔和角膜反射标记为就绪。这在眼动追踪软件中显示为绿色。单击要记录的眼睛，将采样率设置为 500 赫兹。
使用瞳孔和角膜反射阈值的自动调整。在每个块的开头使用内置网格方法校准眼动仪。确认眼睛位置很好地注册为网格。
否则，请重做校准。接受校准并进行验证。如果最大验证误差小于两度，并且平均验证误差小于一度，则接受验证。
否则，请重做验证。然后，执行漂移校正，然后进行实际实验。在此可视化搜索任务中，使用此组执行的先前研究的刺激，并遵循前面所述的任务过程。
向学员提供任务说明。指示学员在搜索数组中查找目标项，并尽快做出响应。如果学员找到目标，请指示他们按响应框的左侧按钮，如果认为目标不存在，请按右键。
明确指示参与者，将有目标存在和目标缺席的审判。启动刺激演示软件并运行任务。提供一秒钟的目标提示，并使用刺激演示软件呈现搜索数组。
录制按钮，通过试用反馈向参与者提供试用。为了说明这种方法的用法，当患者执行视觉搜索任务时，从人类中叶记录了228个单神经元，如下所示。在这项任务中，它调查了神经元的活动是否区分了目标固定和干扰。
当反应在按钮按下时对齐时，神经元被发现显示目标存在试验和目标缺失试验之间的差异活性。黑线表示搜索队列的开始和偏移。这种神经元提高了目标存在试验的发射率，但非目标缺席试验的发射率。
相反，这种神经元降低了目标存在试验的发射率，但非目标缺席试验的发射率。中叶神经元的子集显示目标固定与干扰之间的显著活动。此外，一种类型的目标神经元对目标相对于干扰源有更大的反应，而另一种对干扰物相对于目标有更大的反应。
这一结果表明，中叶神经元的子集编码是否将目前的固定落在目标上。确保眼动仪不会将噪音引入录音至关重要。在执行实验之前，必须消除任何噪音。
如果噪音仍然存在，请确保用于向主体显示刺激的屏幕具有外部电源。交换电源，用于更高质量的电源，通常用于高端音频应用。按照这个程序，对尖峰和眼睛运动进行分析，从数据中提取信息，使研究人员能够研究神经对眼动的反应。
此方法为探索许多需要分析固定性的问题铺平了道路，例如神经元如何共同驱动场景中有趣的对象的固定。
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概述
本文描述了一种在进行单一神经元记录的同时跟踪人类眼动的方法。该技术允许研究人员调查人类内侧颞叶与视觉搜索目标相关的神经元活动。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 视觉认知
背景
- 单一神经元记录提供了对大脑功能的洞察。
- 眼动追踪可以揭示视觉注意力的分配方式。
- 理解神经元对视觉刺激的反应对于神经科学至关重要。
- 该方法可以应用于具有深度电极的临床环境中的患者。
研究目的
- 展示同时进行眼动追踪和单一神经元记录的技术。
- 识别对眼动和视觉刺激敏感的神经元。
- 促进对影响眼动的神经疾病的研究。
使用的方法
- 将电极连接到记录系统。
- 将患者直立定位以获得最佳记录。
- 在跟踪眼动的同时记录神经元活动。
- 分析神经元发放与视觉目标之间的关系。
主要结果
- 在临床环境中证明了该方法的可行性。
- 识别了内侧颞叶中对视觉搜索有反应的神经元。
- 展示了眼动如何影响神经元活动。
- 为研究眼动异常提供了基础。
结论
- 该技术对于研究人类的视觉处理有效。
- 它为研究神经系统疾病开辟了新途径。
- 未来的研究可以利用这种方法深入了解大脑功能。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method bridges animal neurophysiology and human cognitive neuroscience by enabling simultaneous single-neuron recordings and eye tracking in behaving humans. It provides a direct readout of neuronal correlates of visual attention and target selection, supporting mechanistic de-risking in target validation for neuropsychiatric and neurodegenerative disorders. The approach enhances predictive confidence in preclinical models by validating human-relevant neural mechanisms underlying sensory processing and decision-making.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by linking single-neuron activity to visual target identification in human medial temporal lobe.
- Operational Value: Supports biological de-risking through direct observation of neuronal responses to task-relevant stimuli in a clinically relevant system.
- Predictive Value: Identifies target neurons whose firing reflects top-down attention, offering a biomarker for attentional network function in disease models.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated neuronal-eye movement readouts for downstream compound screening in visual processing assays.
- Operational Value: Ensures assay standardization via synchronized electrophysiology and eye tracking outputs, reducing variability in neuronal response measurements.
- Scalability: Enables platform reuse across cognitive tasks by maintaining stable signal acquisition from depth electrodes and eye tracking systems.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery-phase neuronal targeting mechanisms to preclinical validation through conserved attentional pathways.
- Disease-Relevant System: Applicable to modeling neurological conditions with ocular motor abnormalities, such as Parkinson’s or schizophrenia, where attentional deficits are prevalent.
- Mechanistic De-risking: Clarifies whether candidate compounds modulate specific neuronal populations involved in target vs. distractor discrimination.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from hypothesis testing in early discovery to lead identification via functional validation of neuronal targets involved in visual attention and decision-making.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by isolating neuronal populations that differentially encode target vs. distractor fixations during visual search.
- Screening: Delivers quantitative, spike-sorted neuronal data time-locked to eye movement events, enabling reliable compound effect assessment.
- Analytics: Provides single-unit firing rates and eye movement metrics (position, pupil size) as co-registered readouts for correlational and causal analysis.
- Translational Research: Aligns with biomarker development by identifying neuronal signatures of attentional load and target engagement.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable neurophysiological platform for studying visual cognition across therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by validating human neuronal mechanisms of attention, reducing reliance on inferential models.
- Operational Value: Standardizes multi-modal data acquisition (electrophysiology + eye tracking) for reproducible cross-laboratory use.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early evidence of target engagement in human-relevant neural circuits.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on effects on attentional processing networks.
Implementation Considerations
- Requires expertise in intracranial electrophysiology, eye tracking systems, and behavioral task design.
- Depends on synchronized recording hardware, stimulus presentation software, and noise-minimizing power infrastructure (e.g., UPS, isolated supplies).
- Necessitates cross-team standardization between neurology, neurophysiology, and vision science teams for consistent electrode placement and calibration.
- Involves adaptation considerations for varying electrode locations beyond medial temporal lobe to assess regional specificity of attentional encoding.
- Limited by patient availability and invasiveness; best suited for hypothesis-driven studies rather than high-throughput screening.
