Verwenden von Neuron Spiking Activity zum Auslösen von Closed-Loop Stimuli in neurophysiologischen Experimenten

Leonardo  A. Molina; Victorita  E. Ivan; Aaron J. Gruber; Artur Luczak

doi:10.3791/59812

Method Article

Verwenden von Neuron Spiking Activity zum Auslösen von Closed-Loop Stimuli in neurophysiologischen Experimenten

DOI:

10.3791/59812

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November 12th, 2019

Leonardo A. Molina¹^,² , Victorita E. Ivan¹ , Aaron J. Gruber*¹ , Artur Luczak*¹

¹Canadian Center for Behavioural Neuroscience, Department of Neuroscience, University of Lethbridge, ²Clinical Neurosciences, Cumming School of Medicine, University of Calgary

Summary

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Dieses Protokoll zeigt, wie ein elektrophysiologisches System zur geschlossenen Stimulation verwendet wird, das durch neuronale Aktivitätsmuster ausgelöst wird. Beispiel-Matlab-Code, der leicht für verschiedene Stimulationsgeräte geändert werden kann, wird ebenfalls bereitgestellt.

Abstract

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Geschlossene neurophysiologische Systeme verwenden Muster neuronaler Aktivität, um Reize auszulösen, die wiederum die Gehirnaktivität beeinflussen. Solche Closed-Loop-Systeme sind bereits in klinischen Anwendungen zu finden und sind wichtige Werkzeuge für die grundlegende Hirnforschung. Eine besonders interessante jüngste Entwicklung ist die Integration von Closed-Loop-Ansätzen mit der Optogenetik, so dass spezifische Muster neuronaler Aktivität eine optische Stimulation ausgewählter neuronaler Gruppen auslösen können. Die Einrichtung eines elektrophysiologischen Systems für geschlossene Experimente kann jedoch schwierig sein. Hier wird ein gebrauchsfertiger Matlab-Code zur Auslösung von Reizen bereitgestellt, die auf der Aktivität einzelner oder mehrerer Neuronen basieren. Dieser Beispielcode kann leicht auf der Grundlage individueller Bedürfnisse geändert werden. Zum Beispiel zeigt es, wie Man Soundreize auslöst und wie man es ändert, um ein externes Gerät auszulösen, das an einen seriellen PC-Anschluss angeschlossen ist. Das vorgestellte Protokoll soll mit einem beliebten neuronalen Aufzeichnungssystem für Tierstudien (Neuralynx) arbeiten. Die Umsetzung der Closed-Loop-Stimulation wird in einer wachen Ratte demonstriert.

Introduction

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Ziel dieses Protokolls ist es, zu zeigen, wie in neurophysiologischen Experimenten eine geschlossene Stimulation implementiert wird. Das typische Setup für Closed-Loop-Experimente in der Neurowissenschaft beinhaltet das Auslösen von Reizen basierend auf der Online-Auslesung neuronaler Aktivität. Dies wiederum bewirkt Veränderungen in der Hirnaktivität und schließt so die Rückkopplungsschleife¹^,². Solche Closed-Loop-Experimente bieten mehrere Vorteile gegenüber Standard-Open-Loop-Setups, insbesondere in Kombination mit Optogenetik, die es Forschern ermöglicht, eine bestimmte Teilmenge von Neuronen anzusprechen.....

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Protocol

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Alle hier beschriebenen Verfahren wurden im Rahmen eines Tierforschungsprotokolls durchgeführt, das vom Tierschutzausschuss der Universität Lethbridge genehmigt wurde.

1. Chirurgie

HINWEIS: Die chirurgischen Verfahren zur Implantation von Sonden für neurophysiologische Aufzeichnungen wurden in anderen Publikationen²⁴^,²⁵^,²⁶vorgestellt. Die genauen Details der Operation zur geschlossenen Stimulation hängen von der Art der verwendeten Aufnahmesonden und den zielgerichteten Hirnbereichen ab. In den meisten Fällen besteht jedoc....

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Results

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Fisher-Brown Norwegen Ratten geboren und aufgewachsen vor Ort wurden für den Umgang für zwei Wochen vor dem Experiment gewöhnt. Ein Aufnahmelaufwerk wurde chirurgisch implantiert, ähnlich wie zuvor^beschriebeneMethoden 28^,²⁹^,³⁰^,³¹^,³²^,³³^,³⁴. Die neuronalen Signale wurden bei 32 kHz mit einem d.......

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Discussion

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Das hier beschriebene Protokoll zeigt, wie ein standardneurophysiologisches Aufzeichnungssystem verwendet wird, um eine geschlossene Stimulation durchzuführen. Dieses Protokoll ermöglicht es Neurowissenschaftlern mit begrenztem Fachwissen in der Informatik, schnell eine Vielzahl von geschlossenen Experimenten mit geringen Kosten durchzuführen. Solche Experimente sind oft notwendig, um kausale Wechselwirkungen im Gehirn zu untersuchen.

Nach der Vorbereitung eines Tieres und der Installation der.......

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Disclosures

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Autoren haben keinen Interessenkonflikt im Zusammenhang mit dieser Arbeit.

Acknowledgements

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Diese Arbeit wurde durch NSERC Discovery-Stipendien an AL und AG unterstützt.

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Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
Baytril	Bayer, Mississauga, CA	DIN 02169428	Antibiotikum; 50 mg/mL
Cheetah 6.4	NeuraLynx, Tucson, AZ	6.4.0.beta	Softwareschnittstellen für die Datenerfassung
Digital Lynx 4SX	NeuraLynx, Tucson, AZ	4SX	Aufnahmegerät
Headstage Transmitter	TBSI	B10-3163-GK	überträgt das neuronale Signal an den Empfänger
Isofluran	Fresenius Kabi, Toronto, CA	DIN 02237518	Anästhetikum für Inhalation
Jet Denture Powder & Liqud	Lang Dental, Wheeling, US	1230	Dentalacryl
Lacri-Lube	Allergan, Markham, CA	DIN 00210889	Augensalbe
Lido-2	Rafter 8, Calgary	DIN 00654639	Lokalanästhetikum; 20 mg/mL
Matlab	Mathworks	R2018b	Software zur Signalverarbeitung und Auslösung externer Ereignisse
Metacam	Boehringer, Ingelheim, DE	DIN 02240463	Analgetikum; 5 mg/mL
Netcom	NeuraLynx	v1	Application Programming Interface (API), das mit Cheetah
kommuniziert Silikonsonde	Cambridge Neurotech	ASSY-156-DBC2	implantiertes Gerät
SpikeSort 3D	NeuraLynx, Tucson, AZ	SS3D-Tools	Klassifizierung von Spike-Wellenformen in Zellen
Der drahtlose Funkempfänger	TBSI	911-1062-00	überträgt das neuronale Signal an den Digital Lynx

zur

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Grosenick, L., Marshel, J. H., Deisseroth, K. Closed-loop and activity-guided optogenetic control. Neuron. 86 (1), 106-139 (2015).
Armstrong, C., Krook-Magnuson, E., Oijala, M., Soltesz, I. Closed-loop optogenetic intervention in mice. Nature Protocols. 8 (8), 1475-1493 (2013).
Siegle....

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