Gleichzeitiges Eye-Tracking und Einzelneuronen-Aufzeichnung zur Identifizierung zielselektiver Neuronen

Zusammenfassung

Quelle: Wang, S., et al. Gleichzeitige Augenverfolgung und Einzelneuronenaufzeichnungen bei menschlichen Epilepsiepatienten. J. Vis. Exp. (2019).

Das Video zeigt einen Assay zur Identifizierung zielselektiver Neuronen durch gleichzeitiges Eye-Tracking und Einzelneuronenaufzeichnungen. Ein menschlicher Teilnehmer hat die Aufgabe, ein Zielobjekt in einer Reihe von Objekten in einer Anzeige zu identifizieren, und die Augenbewegung wird verfolgt. Gleichzeitig wird die Feuerrate einzelner Neuronen über Elektroden aufgezeichnet, die in das Gehirn implantiert werden. Die Daten aus beiden Aufzeichnungen werden korreliert, um das Vorhandensein von zielselektiven Neuronen zu beurteilen.

Protokoll

Alle Eingriffe mit menschlichen Teilnehmern wurden in Übereinstimmung mit den institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien für das Wohlergehen des Menschen durchgeführt und vom lokalen institutionellen Prüfungsausschuss überprüft.

>1. Teilnehmer

1. Rekrutierung von neurochirurgischen Patienten mit hartnäckiger Epilepsie, bei denen intrakranielle Elektroden eingesetzt werden, um ihre epileptischen Anfälle zu lokalisieren.
2. Führen Sie Tiefenelektroden mit eingebetteten Mikrodrähten in alle klinisch indizierten Zielpositionen ein, zu denen typischerweise eine Untergruppe der Amygdala, des Hippocampus, des anterioren cingulären Kortex und des präergänzenden motorischen Bereichs gehört. Details zur Implantation finden Sie in unserem vorherigen Protokoll.
3. Sobald der Patient zur Epilepsieüberwachungseinheit zurückkehrt, schließen Sie das Aufzeichnungsgerät sowohl für Makro- als auch für Mikroaufnahmen an. Dazu gehört auch die sorgfältige Vorbereitung eines Head-Wraps, der Kopfstufen umfasst. Warten Sie dann, bis sich der Patient von der Operation erholt hat, und führen Sie Tests durch, wenn der Patient vollständig wach ist (in der Regel mindestens 36 bis 48 Stunden nach der Operation).

>2. Versuchsaufbau

1. Verbinden Sie den Stimuluscomputer mit dem Elektrophysiologie-System und dem Eyetracker gemäß dem Diagramm in Abbildung 1.
2. Verwenden Sie das nicht-invasive Infrarot-Eye-Tracking-System (siehe Materialtabelle). Platzieren Sie das Eye-Tracking-System auf einem robusten mobilen Wagen (Abbildung 1A, B). Befestigen Sie am selben Wagen einen flexiblen Arm, der ein Flüssigkristalldisplay (LCD) hält. Verwenden Sie den Remote-Modus, um den Kopf und die Augen des Patienten zu verfolgen.
3. Platzieren Sie eine voll aufgeladene, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) auf dem Eye-Tracking-Wagen und schließen Sie alle Geräte im Zusammenhang mit dem Eye-Tracking (d. h. LCD vor dem Patienten, Eye-Tracker-Kamera und Lichtquelle sowie Eye-Tracker-Host-Computer) an die USV und nicht an eine externe Stromquelle an.
4. Stellen Sie den Abstand zwischen dem Patienten und dem LCD-Bildschirm auf 60-70 cm ein und stellen Sie den Winkel des LCD-Bildschirms so ein, dass die Oberfläche des Bildschirms ungefähr parallel zum Gesicht des Patienten ist. Stellen Sie die Höhe des Bildschirms relativ zum Kopf des Patienten so ein, dass sich die Kamera des Eyetrackers ungefähr auf Höhe der Nase des Patienten befindet.
5. Stellen Sie dem Patienten das Knopffeld oder die Tastatur zur Verfügung. Stellen Sie sicher, dass die Trigger (Transistor-Transistor-Logik, TTL) und der Tastendruck ordnungsgemäß aufgezeichnet werden, bevor Sie das Experiment starten.

>3. Einzelneuronen-Aufzeichnung

1. Starten Sie die Erfassungssoftware. Überprüfen Sie zunächst visuell die Breitbandpotentiale (0,1 Hz - 8 kHz) und stellen Sie sicher, dass sie nicht durch Leitungsrauschen verunreinigt sind. Andernfalls befolgen Sie die Standardverfahren, um Rauschen zu entfernen.
2. Um einzelne Neuronen zu identifizieren, wird das Signal durch Bandpassfilterung (300 Hz - 8 KHz) gefiltert. Wählen Sie einen der acht Mikrodrähte als Referenz für jedes Mikrodrahtbündel aus. Testen Sie verschiedene Referenzen und passen Sie die Referenz so an, dass (1) die anderen 7 Kanäle klare Neuronen zeigen und (2) die Referenz keine Neuronen enthält. Stellen Sie den Eingangsbereich auf ± 2.000 μV ein.
3. Aktivieren Sie das Speichern der Daten als NRD-Datei (d. h. die Breitband-Rohdatendatei, die für die anschließende Offline-Spike-Sortierung verwendet wird), bevor Sie Daten aufzeichnen. Stellen Sie die Abtastrate auf 32 kHz ein.

>4. Blickverfolgung

1. Starten Sie die Eyetracking-Software. Da es sich um ein System ohne Kopffixierung handelt, platzieren Sie den Aufkleber auf der Stirn des Patienten, damit sich der Eyetracker an die Kopfbewegungen anpassen kann.
2. Passen Sie den Abstand und den Winkel zwischen dem Eyetracker und dem Patienten so an, dass der Zielmarker, der Kopfabstand, die Pupille und die Hornhautreflexion (CR) als bereit markiert sind (wie in der Eye-Tracking-Software grün dargestellt; Abbildung 2 zeigt ein gutes Beispiel für einen Kamera-Setup-Bildschirm). Klicken Sie auf das Auge, das aufgenommen werden soll, und stellen Sie die Abtastrate auf 500 Hz ein.
3. Verwenden Sie die automatische Anpassung von Pupille und CR-Schwellenwert. Bei Patienten, die eine Brille tragen, stellen Sie die Position und/oder den Winkel des Beleuchtungskörpers und der Kamera so ein, dass Reflexionen vom Glas die Pupillenaufnahme nicht beeinträchtigen.
4. Kalibrieren Sie den Eyetracker mit der integrierten 9-Punkt-Rastermethode am Anfang jedes Blocks. Vergewissern Sie sich, dass die Augenpositionen (angezeigt als "+") gut als 9-Punkt-Raster registriert werden. Andernfalls wiederholen Sie die Kalibrierung.
5. Akzeptieren Sie die Kalibrierung und führen Sie die Validierung durch. Akzeptieren Sie die Validierung, wenn der maximale Validierungsfehler < 2° und der durchschnittliche Validierungsfehler < 1° beträgt. Andernfalls wiederholen Sie die Validierung.
6. Führen Sie eine Driftkorrektur durch und fahren Sie mit dem eigentlichen Experiment fort.

>5. Aufgabe

1. Verwenden Sie in dieser Aufgabe der visuellen Suche die Stimuli aus unserer vorherigen Studie und befolgen Sie das zuvor beschriebene Aufgabenverfahren.
2. Geben Sie den Teilnehmern Aufgabenanweisungen. Weisen Sie die Teilnehmer an, das Zielelement im Sucharray zu finden und so schnell wie möglich zu antworten. Weisen Sie die Teilnehmer an, die linke Taste eines Antwortfeldes (siehe Materialtabelle) zu drücken, wenn sie das Ziel finden, und die rechte Taste, wenn sie glauben, dass das Ziel nicht vorhanden ist. Weisen Sie die Teilnehmer explizit an, dass es Target-Present- und Target-Fehlt-Versuche geben wird.
3. Starten Sie die Stimulus-Präsentationssoftware (siehe Materialtabelle) und führen Sie die folgende Aufgabe aus: Präsentieren Sie einen Ziel-Cue für 1 s und präsentieren Sie das Sucharray mit der Stimulus-Präsentationssoftware. Zeichnen Sie Tastendrücke auf und geben Sie den Teilnehmern Feedback zu jedem Versuch (Richtig, Falsch oder Zeitüberschreitung).

Ergebnisse

Abbildung 1. Versuchsaufbau. (A) Die linken Felder zeigen eine Skizze der Verbindungen zwischen den verschiedenen Systemen. Der Stimulusrechner dient als zentrale Steuerung. Er verbindet sich über den Parallelport mit dem Elektrophysiologie-System und sendet TTL-Impulse als Trigger. Der Stimulus-Computer verbindet sich über ein Ethernet-Kabel mit dem Eye-Tracking-System, über das ...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Cedrus-Antwortbox	Cedrus (https://cedrus.com/)	RB-844	Button-Feld
Dell Notebook	Dell (https://dell.com)	Präzision 7520	Stimulus-Computer
EyeLink Eye Tracker	SR Forschung (https://www.srresearch.com)	1000 Plus Remote mit Laptop-Host-Computer und LCD-Armhalterung	Blickverfolgung
Neurophysiologisches System von Neuralynx	Neuralynx (https://neuralynx.com)	ATLAS 128	Elektrophysiologie
Osort	quelloffen	v4.1 (RRID: SCR_015869)	Algorithmus für die Spike-Sortierung
Psychophysik Toolbx	quelloffen	PTB3 ( RRID: SCR_002881)	Matlab-Toolbox zur Durchführung psychophysischer Experimente
MATLAB (Englisch)	MathWorks Inc	R2016a (RRID: SCR_001622)	Datenanalyse