Methodenartikel

Gleichzeitiges Eye Tracking und Single-Neuron-Aufnahmen bei Humanepipsiepatienten

DOI:

10.3791/59117

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17. Juni 2019

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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 diesem Artikel

Zusammenfassung

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Wir beschreiben eine Methode zur Durchführung von Einzelneuronenaufnahmen mit gleichzeitiger Augenverfolgung beim Menschen. Wir demonstrieren den Nutzen dieser Methode und veranschaulichen, wie wir diesen Ansatz benutzt haben, um Neuronen im menschlichen medialen Temporallappen zu erhalten, die Ziele einer visuellen Suche kodieren.

Zusammenfassung

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Intrakranielle Aufnahmen von Patienten mit hartnäckiger Epilepsie bieten eine einzigartige Gelegenheit, die Aktivität einzelner menschlicher Neuronen während des aktiven Verhaltens zu untersuchen. Ein wichtiges Werkzeug zur Quantifizierung von Verhalten ist eye tracking, das ein unverzichtbares Werkzeug für das Studium der visuellen Aufmerksamkeit ist. Eye-Tracking ist jedoch eine Herausforderung, gleichzeitig mit der invasiven Elektrophysiologie zu verwenden, und dieser Ansatz wurde daher wenig genutzt. Hier präsentieren wir ein bewährtes experimentelles Protokoll zur Durchführung von Einzel-Neuron-Aufnahmen mit gleichzeitiger Augenverfolgung beim Menschen. Wir beschreiben, wie die Systeme verbunden sind und die optimalen Einstellungen, um Neuronen und Augenbewegungen aufzuzeichnen. Um den Nutzen dieser Methode zu veranschaulichen, fassen wir Ergebnisse zusammen, die durch diese Einrichtung ermöglicht wurden. Diese Daten zeigen, wie die Verwendung von Eye Tracking in einer speichergesteuerten visuellen Suchaufgabe es uns ermöglichte, eine neue Klasse von Neuronen zu beschreiben, die Als Zielneuronen bezeichnet werden, deren Reaktion die Aufmerksamkeit von oben nach unten auf das aktuelle Suchziel reflektierte. Schließlich diskutieren wir die Bedeutung und die Lösungen für mögliche Probleme dieses Setups. Zusammen deuten unser Protokoll und unsere Ergebnisse darauf hin, dass Einzelneuronenaufnahmen mit gleichzeitiger Augenverfolgung beim Menschen eine effektive Methode zur Untersuchung der menschlichen Gehirnfunktion sind. Es stellt eine wichtige fehlende Verbindung zwischen Tierneurophysiologie und menschlichen kognitiven Neurowissenschaften.

Einleitung

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Menschliche Einzel-Neuron-Aufnahmen sind ein einzigartiges und leistungsfähiges Werkzeug, um die Funktion des menschlichen Gehirns mit außergewöhnlicher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erforschen1. In letzter Zeit haben Einzel-Neuron-Aufnahmen breite Verwendung im Bereich der kognitiven Neurowissenschaften gewonnen, weil sie die direkte Untersuchung von kognitiven Prozessen ermöglichen, die für die menschliche Kognition von zentraler Bedeutung sind. Diese Aufnahmen werden durch die klinische Notwendigkeit ermöglicht, die Position von epileptischen Brennpunkten zu bestimmen, für die Tiefenelektroden vorübergehend in das Gehirn von Patienten mit Verdacht auf fokale Epilepsie implantiert werden. Mit diesem Setup können Einzel-Neuron-Aufnahmen mit Mikrodrähten gewonnen werden, die von der Spitze der Hybridtiefenelektrode herausragen (eine detaillierte Beschreibung der chirurgischen Methodik, die beim Einsetzen von Hybridtiefenelektroden beteiligt ist, ist in der vorherigen Protokoll2). Unter anderem wurde diese Methode verwendet, um menschliches Gedächtnis zu studieren3,4, Emotion5,6und Aufmerksamkeit7,8.

Eye Tracking misst Die Blickposition und Die Augenbewegungen (Fixierungen und Sakkaden) bei kognitiven Aufgaben. Videobasierte Eyetracker verwenden in der Regel die Hornhautreflexion und das Zentrum der Pupille als Merkmale, um im Laufe der Zeit9zu verfolgen. Eye Tracking ist eine wichtige Methode, um visuelle Aufmerksamkeit zu studieren, da die Sichtposition den Fokus der Aufmerksamkeit während der meisten natürlichen Verhaltensweisen10,11,12anzeigt. Eye-Tracking wurde ausgiebig verwendet, um visuelle Aufmerksamkeit bei gesunden Personen13 und neurologischen Populationen14,15,16zu studieren.

Während sowohl Einzel-Neuron-Aufnahmen als auch Eye-Tracking beim Menschen ausgiebig verwendet werden, haben nur wenige Studien beides gleichzeitig verwendet. Infolgedessen bleibt weitgehend unbekannt, wie Neuronen im menschlichen Gehirn auf Augenbewegungen reagieren und/oder ob sie empfindlich auf den aktuell fixierten Reiz reagieren. Dies steht im Gegensatz zu Studien mit Makaken, bei denen Eye-Tracking mit gleichzeitigen Einzel-Neuron-Aufnahmen zu einem Standardwerkzeug geworden ist. Um die neuronale Reaktion auf Augenbewegungen direkt zu untersuchen, kombinierten wir menschliche Einzelneuronenaufnahmen und Eye-Tracking. Hier beschreiben wir das Protokoll, solche Experimente durchzuführen und dann die Ergebnisse durch ein konkretes Beispiel zu veranschaulichen.

Trotz der etablierten Rolle des humanen medialen Temporallappens (MTL) sowohl in der Objektdarstellung17,18 als auch im Speicher3,19bleibt weitgehend unbekannt, ob MTL-Neuronen als Funktion Aufmerksamkeit von oben nach unten auf verhaltensrelevante Ziele. Das Studium solcher Neuronen ist wichtig zu verstehen, wie zielrelevante Informationen die visuellen Prozesse von unten nach oben beeinflussen. Hier zeigen wir den Nutzen von Eye Tracking bei der Aufzeichnung von Neuronen mit geführter visueller Suche, einem bekannten Paradigma zur Untersuchung von zielgerichtetem Verhalten20,21,22,23, 24 , 25. Mit dieser Methode beschrieben wir vor kurzem eine Klasse von Neuronen genannt Zielneuronen, die signalisiert, ob die derzeit besuchten Stimulus ist das Ziel einer laufenden Suche8. Im Folgenden stellen wir das Studienprotokoll vor, das erforderlich ist, um diese vorherige wissenschaftliche Studie zu reproduzieren. Beachten Sie, dass in diesem Beispiel das Protokoll leicht angepasst werden kann, um eine beliebige visuelle Aufmerksamkeitsaufgabe zu studieren.

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Protokoll

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1. Teilnehmer

  1. Rekrutieren Sie neurochirurgische Patienten mit hartnäckiger Epilepsie, die sich der Platzierung von intrakraniellen Elektroden unterziehen, um ihre epileptischen Anfälle zu lokalisieren.
  2. Setzen Sie Tiefenelektroden mit eingebetteten Mikrodrähten in alle klinisch angegebenen Zielorte ein, die typischerweise eine Teilmenge von Amygdala, Hippocampus, anteriorcin cingulate cortex und prä-supplementary motor area umfassen. Siehe Details zur Implantation in unserem vorherigen Protokoll2.
  3. Sobald der Patient zur Epilepsie-Überwachungseinheit zurückkehrt, schließen Sie das Aufzeichnungsgerät sowohl für Makro- als auch für Mikroaufnahmen an. Dazu gehört auch die sorgfältige Vorbereitung einer Kopfpackung, die Kopfstufen enthält (details2) finden Sie in unserer vorherigen Beschreibung. 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 h nach der Operation).

2. Versuchsaufbau

  1. Verbinden Sie den Stimuluscomputer mit dem Elektrophysiologiesystem und dem Eyetracker nach dem Diagramm in Abbildung 1.
  2. Verwenden Sie das entfernte nicht-invasive Infrarot-Augenverfolgungssystem (siehe Materialtabelle). Platzieren Sie das Eye-Tracking-System auf einem robusten mobilen Wagen (Abbildung 1A, B). Befestigen Sie einen flexiblen Arm, der ein LCD-Display enthält. Verwenden Sie den Remote-Modus, um die Patienten Kopf und Augen zu verfolgen.
  3. Legen Sie ein vollständig geladenes unterbrechungsfreies Netzteil (USV) auf den Eye-Tracking-Wagen und verbinden Sie alle Geräte im Zusammenhang mit Eye Tracking (d. h. LCD vor Patient, Eye-Tracker-Kamera und Lichtquelle und Eye-Tracker-Hostcomputer) an die USV und nicht an eine externe Stromversorgung. Quelle.
  4. Stellen Sie den Abstand zwischen dem Patienten und dem LCD-Bildschirm auf 60-70 cm ein, und passen Sie den Winkel des LCD-Bildschirms so an, dass die Oberfläche des Bildschirms ungefähr parallel zum Gesicht des Patienten ist. Passen Sie die Höhe des Bildschirms relativ zum Kopf des Patienten so an, dass sich die Kamera des Eyetrackers ungefähr auf der Nasenhöhe des Patienten befindet.
  5. Geben Sie dem Patienten die Tastenbox oder Tastatur an. Stellen Sie sicher, dass Trigger (TTLs) und Tastendruck ordnungsgemäß aufgezeichnet werden, bevor Sie mit dem Experiment beginnen.

3. Einzel-Neuron-Aufnahme

  1. Starten Sie die Erfassungssoftware. Überprüfen Sie zunächst die lokalen Feldpotentiale des Breitbands (0,1 Hz - 8 kHz) visuell und stellen Sie sicher, dass sie nicht durch Leitungsgeräusche kontaminiert sind. Andernfalls befolgen Sie Standardverfahren zum Entfernen von Rauschen (siehe Diskussion).
  2. Um einzelne Neuronen zu identifizieren, filtern Bandpass das Signal (300 Hz - 8 KHz). 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 aufweisen und (2) die Referenz keine Neuronen enthält. Stellen Sie den Eingangsbereich auf 2.000 V fest.
  3. Aktivieren Sie das Speichern der Daten als NRD-Datei (d. h. die Breitband-Rohdatendatei, die für die nachfolgende Online-Spike-Sortierung verwendet wird), bevor Sie Daten aufzeichnen. Stellen Sie die Abtastrate auf 32 kHz ein.

4. Augenverfolgung

  1. Starten Sie die Eye-Tracking-Software. Da es sich um ein kopffixiertes System handelt, legen Sie den Aufkleber auf die Stirn des Patienten, damit sich der Eyetracker auf Kopfbewegungen einstellen kann.
  2. Stellen Sie den Abstand und Winkel zwischen dem Eyetracker und dem Patienten so ein, dass Zielmarker, Kopfabstand, Pupille und Hornhautreflexion (CR) als bereit markiert sind (wie in Grün in der Eye-Tracking-Software dargestellt; Abbildung 2 zeigt ein gutes Beispiel für das Einrichten von Kameras). Klicken Sie auf das zu erfassende Auge und legen Sie die Abtastrate auf 500 Hz fest.
  3. Verwenden Sie die automatische Anpassung des Pupillen- und CR-Schwellenwerts. Für Patienten, die eine Brille tragen, stellen Sie die Position und/oder den Winkel des Beleuchtungskörpers und der Kamera so ein, dass Reflexionen aus dem Glas die Anschaffung der Schüler nicht beeinträchtigen.
  4. Kalibrieren Sie den Eyetracker mit der integrierten 9-Punkt-Rastermethode am Anfang jedes Blocks. Bestätigen Sie, dass Sich Die Augenpositionen (angezeigt als "+") gut als 9-Punkte-Raster registrieren. Andernfalls wiederholen Sie die Kalibrierung.
  5. Akzeptieren Sie die Kalibrierung und durchführen Sie die Validierung. Akzeptieren Sie die Validierung, wenn der maximale Validierungsfehler < 2° und der durchschnittliche Validierungsfehler < 1° beträgt. Andernfalls wiederholen Sie die Validierung.
  6. Führen Sie die Driftkorrektur durch und fahren Sie mit dem eigentlichen Experiment fort.

5. Aufgabe

  1. Verwenden Sie in dieser visuellen Suchaufgabe die Reize aus unserer vorherigen Studie14 und folgen Sie dem Vor-Vorgang, wie vor8beschrieben.
  2. Stellen Sie den Teilnehmern Aufgabenanweisungen zur Verfügung. Weisen Sie die Teilnehmer an, das Zielelement im Suchfeld zu finden und so schnell wie möglich zu reagieren. Weisen Sie die Teilnehmer an, die linke Taste eines Antwortfelds (siehe Tabelle derMaterialien) zu drücken, wenn sie das Ziel und die rechte Schaltfläche finden, wenn sie der Meinung sind, dass das Ziel nicht vorhanden ist. Weisen Sie die Teilnehmer ausdrücklich an, dass es zielgebende und zielorientierte Tests geben wird.
  3. Starten Sie die Stimulus-Präsentationssoftware (siehe Tabelle der Materialien) und führen Sie die Aufgabe aus: Präsentieren Sie einen Ziel-Cue für 1 s und präsentieren Sie das Such-Array mit der Stimulus-Präsentationssoftware. Aufzeichnen von Tastendrücken und Feedback zur Test-by-Trial-Prüfung (Korrekt, Falsch oder Time Out) an die Teilnehmer.

6. Datenanalyse

  1. Da die Erfassungs- und Eye-Tracking-Systeme auf verschiedenen Uhren laufen, verwenden Sie die Verhaltensprotokolldatei, um den Ausrichtungszeitstempel für die elektrophysiologische Aufzeichnung und DasAugenverfolgung zu finden. Passen Sie die Auslöser aus der Elektrophysiologie-Aufzeichnung und Eye-Tracking, bevor Sie mit der weiteren Analyse fortfahren. Extrahieren Sie Datensegmente nach Zeitstempeln und Analysefenstern separat für die elektrophysiologische Aufzeichnung und Das Augenverfolgung.
  2. Verwenden Sie den halbautomatischen Vorlagenabgleichsalgorithmus Osort26 und führen Sie die vor2,26 beschriebenen Schritte aus, um vermeintliche Einzelneuronen zu identifizieren. Bewerten Sie die Qualität der Sortierung, bevor Sie zur weiteren Analyse2übergehen.
  3. Um Augenbewegungsdaten zu analysieren, konvertieren Sie zunächst die EDF-Daten aus dem Eyetracker in das ASCII-Format. Extrahieren Sie auch Fixierungen und Sakkaden. Importieren Sie dann die ASCII-Datei und speichern Sie die folgenden Informationen in eine MAT-Datei: (1) Zeitstempel, (2) Augenkoordinaten (x,y), (3) Pupillengröße und (4) Ereigniszeitstempel. Analysieren Sie die kontinuierliche Aufzeichnung in jede Testversion.
  4. Befolgen Sie zuvor beschriebene Verfahren, um die Korrelation zwischen Spitzen und Verhalten8zu analysieren.

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Ergebnisse

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Um die Verwendung der oben genannten Methode zu veranschaulichen, beschreiben wir als nächstes kurz einen Anwendungsfall, den wir vor kurzem veröffentlicht haben8. Wir nahmen 228 einzelne Neuronen aus dem humanen medialen Temporallappen (MTL; Amygdala und Hippocampus) auf, während die Patienten eine visuelle Suchaufgabe durchführten (Abbildung 3A, B). Während dieser Aufgabe untersuchten wir, ob die Aktivität von Neuron...

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Diskussion

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In diesem Protokoll beschrieben wir, wie Einzel-Neuron-Aufnahmen mit gleichzeitiger Eye-Tracking verwendet werden, und beschrieben, wie wir diese Methode verwendet haben, um Zielneuronen in der menschlichen MTL zu identifizieren.

Das Setup umfasst drei Computer: einen, der die Aufgabe ausführt (Stimuluscomputer), einen, der den Eyetracker ausführt, und einen, auf dem das Erfassungssystem ausgeführt wird. Zur Synchronisierung zwischen den drei Systemen wird der parallele Port verwendet, um TTL-...

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären keinen Interessenkonflikt.

Danksagungen

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Wir danken allen Patienten für ihre Teilnahme. Diese Forschung wurde vom Rockefeller Neuroscience Institute, der Autism Science Foundation und der Dana Foundation (zu S.W.), einem NSF CAREER Award (1554105 an U.R.) und dem NIH (R01MH110831 und U01NS098961 to U.R.) unterstützt. Die Geldgeber spielten keine Rolle bei der Studiengestaltung, Datenerhebung und -analyse, der Entscheidung zur Veröffentlichung oder der Vorbereitung des Manuskripts. Wir danken James Lee, Erika Quan und den Mitarbeitern des Cedars-Sinai Simulation Center für ihre Hilfe bei der Erstellung des Demonstrationsvideos.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Cedrus Response BoxCedrus (https://cedrus.com/)RB-844Tastenbox
Dell LaptopDell (https://dell.com)Precision 7520Stimulus Computer
EyeLink Eye TrackerSR Research (https://www.sr-research.com)1000 Plus Remote mit Laptop Host-Computer und LCD-ArmhalterungEye-Tracking
MATLABMathWorks IncR2016a (RRID: SCR_ 001622)Datenanalyse
Neuralynx Neurophysiology SystemNeuralynx (https://neuralynx.com)ATLAS 128Elektrophysiologie
OsortOpen sourcev4.1 (RRID: SCR_015869)Spike-Sortieralgorithmus
Psychophysics ToolbxOpen sourcePTB3 ( RRID: SCR_002881)Matlab-Toolbox zur Durchführung psychophysischer Experimente

Referenzen

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