Eine einfache Vorrichtung zur Stimulierende Evoking Punkt-wie taktile Reize: Ein Suchscheinwerfer für LFP Transitions Spike
25. März 2014
Um den komplexen Übergang von lokalen Feldpotentiale (LFP) aufzuklären, um eine geeignete Stimulator für leichte mechanische Reize peripheren Spikes gebaut. Als Anwendung wurden die Spick-Aktivitäten von somatosensorischen Kortex durch eine Mehrzieloptimierungsstrategie analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die vorgeschlagene Stimulator konnte taktile Reize mit Millisekunden und Millimeter Genauigkeiten liefern.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, ein wirksames, kostengünstiges, maßgeschneidertes sensorisches Stimulationsgerät für schnelle, punktförmige Stimuli vorzuschlagen. Dies wird erreicht, indem zunächst das Stimulationsgerät eingerichtet wird. Der zweite Schritt besteht darin, das Tier für die elektrophysiologischen Aufnahmen vorzubereiten, indem ein Knochenfenster über dem primären somatosensorischen Areal geöffnet wird, um die Positionierung der Multielektroden-Matrix zu ermöglichen.
Der dritte Schritt des Verfahrens besteht darin, die Stimulationsvorrichtung auf zuvor identifizierte reaktive Pfotenbereiche zu platzieren. Der letzte Schritt ist, die besten spontan erzeugten sowie stimulierten LFP- und Spiking-Antworten zu finden. Letztendlich werden die Spiking- und LFP-Antworten mithilfe von Ad-hoc-Algorithmen ausgewertet.
Der Hauptvorteil unserer Technik gegenüber bestehenden Methoden, wie beispielsweise bioelektrischen Stimulatoren, liegt darin, dass unser Gerät sehr schnelle und punktuelle Stimuli in den betroffenen Bereichen erzeugen kann. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen der Neurophysiologie zu beantworten, wie beispielsweise die grundlegende Frage des Übergangs von lokalen Flosspotentialen zu Spikes und umgekehrt. Die Demonstration der Tiervorbereitung zur Stimulation der Pole wird von Saini, einer Doktorandin in meinem Labor, durchgeführt. Die Demonstration des technischen Aufbaus des Geräts wird Dr. Antonio Zippo gemeinsam mit einem meiner Assistenten in meinem Labor zeigen.
Verwenden Sie in diesem Ablaufprogramm einen Mikrocontroller, um jede Sekunde zwei gepaarte Stromimpulse abzugeben. Richten Sie Mikrocontroller, Steckplatine, Mitteltöner, Treiber und Kleber auf einem Tisch ein. Befestigen Sie anschließend eine stumpfe Spitze senkrecht auf der Oberfläche eines Mitteltöners. Bauen Sie den Lautsprecher und den Mikrocontroller mittels einer L293DH-Brücke mit grundlegenden passiven Bauelementen zusammen.
Verbinden Sie dann den Mikrocontroller mit einer 12-Volt-Akku-Batterie für die stereotaktische Operation. Nach der Anästhesie der Ratte mittels intraperitonealer Injektion einer Barbiturat-Lösung, die am stereotaktischen Apparat befestigt ist, befestigen Sie den Kopf mit den Ohrstiften und dem Mundstück. Anschließend wird die Temperatur der stereotaktischen Unterlage mittels einer elektronisch gesteuerten Heizplatte konstant bei 37,5 Grad Celsius gehalten.
Anschließend den Schädelknochen vorsichtig mit Povidon-Jod reinigen. Das topische Antiseptikum entlang der Mittellinie von der Nasenbasis bis zum Hinterhauptsknochen auftragen und die Haut mit einem Retraktor und zwei kleinen Kocker-Forceps fixieren. Danach das Periost identifizieren und mit einer feinen Spitze vom Knochen abkratzen.
Markieren Sie mit einem Stift den Punkt bgma am Kreuzungspunkt der medialen sagittalen und koronalen Suturen. Identifizieren Sie dann unter dem Operationsmikroskop die somatosensorische Hintergliedmaßenregion, die dem somatosensorischen Kortex gegenüberliegt und der hinteren Pfote gegenüberliegt, die im Experiment verwendet wurde. Verwenden Sie einen feinen Stift, um ein Quadrat zu zeichnen, das den Bereich begrenzt, in dem das Loch gebohrt werden soll.
Bohren Sie dann ein neun Quadratmillimeter großes Loch in das zuvor markierte Quadrat. Entfernen Sie die Knochenplatte und vorsichtig die Dura mater. Bedecken Sie die kortikale Oberfläche mit einem chirurgischen Schwamm, der mit künstlichem zerebrospinalen Fluid bei 37,5 Grad Celsius getränkt ist.
Befestigen Sie als Nächstes die Elektrodenmatrix an einem Halter, der mit einem elektronischen Mikromanipulator verbunden ist. Verbinden Sie den Kopf der Matrix über einen Mikrostecker mit dem Vorverstärker. Fahren Sie unter dem Operationsmikroskop die Elektrodenmatrix manuell bis zur kortikalen Oberfläche ab, ohne diese zu berühren.
Schalten Sie dann die Audioverstärker ein und senken Sie die Elektrodenmatrix kontinuierlich ab, bis sie die kortikale Oberfläche berührt, was sich durch ein deutliches Rauschen bemerkbar macht. Anschließend senken Sie die Elektrodenmatrix in elektronisch gesteuerten Schritten von zwei Mikrometern pro Schritt ab, bis die kortikale Schicht vier in einer Tiefe von 350 bis 400 Mikrometern erreicht ist. Überprüfen Sie danach die Reizbarkeit der Neuronen durch leichte Berührungen der kontralateralen Hinterpfote.
Passen Sie die Tiefe in einigen weiteren Schritten an, bis eine klare Spiking-Antwort beobachtet wird. Stellen Sie den Software-Bandpassfilter auf 1,0 bis 6.000 Hertz und die Abtastrate auf 32 Kilohertz ein und beginnen Sie die Aufzeichnung des neuronalen Signals. Beenden Sie nach fünf Minuten Aufzeichnung das Experiment und exportieren Sie die aufgezeichneten Daten im Binärformat zur Nachbearbeitung.
Führen Sie die Spike-Sortierung mit der Wave_Underscore_Plus-Toolbox durch. Kleben Sie in diesem Verfahren die dorsale Seite der Hinterpfote an einen festen Rahmen, wodurch die LAR-Oberfläche freigelegt und artikuläre Torsionen vermieden werden. Anschließend platzieren Sie die Spitze des Stimulationsgeräts an der gewünschten Position der Pfote des Gliedmaßens und schalten Sie das Stimulationsgerät ein.
Mithilfe dieses Verfahrens können die Forscher die Informationsverarbeitung sowohl bei langsamen als auch bei schnellen somatischen Reizen untersuchen. Nach der Entwicklung dieses Geräts werden Forscher und Kliniker in der Lage sein, die Unterschiede sowie die neuronale Berechnung und die Signalverarbeitung bei leichten Berührungsreizen sowohl bei gesunden Probanden als auch bei Patienten zu analysieren und zu verstehen.
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Übersicht
Diese Studie stellt ein maßgeschneidertes sensorisches Stimulationsgerät vor, das für präzise punktförmige mechanische Stimulationen konzipiert ist. Die Wirksamkeit des Geräts wurde mittels elektrophysiologischer Ableitungen im primären somatosensorischen Kortex evaluiert, wobei der Fokus auf dem Übergang von Lokalfeldpotentialen (LFPs) zu Spiking-Aktivitäten lag.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Elektrophysiologie
- Somatosensorische Verarbeitung
Hintergrund
- Das Verständnis des Übergangs von LFPs zu Spikes ist in der Neurowissenschaft von entscheidender Bedeutung.
- Mechanische Reize können signifikante neuronale Antworten hervorrufen.
- Maßgeschneiderte Geräte können die Präzision der sensorischen Stimulation verbessern.
- Mehrzweck-Optimierungsstrategien können Spikaktivitäten effektiv analysieren.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer kostengünstigen sensorischen Stimulationsvorrichtung.
- Durchführung schneller und präziser mechanischer Stimulationen.
- Analyse von Spiking- und LFP-Antworten im somatosensorischen Kortex.
Verwendete Methoden
- Konstruktion einer benutzerdefinierten Sinnesreizungs-Vorrichtung.
- Vorbereitung des Tieres auf elektrophysiologische Ableitungen.
- Platzierung der Reizungs-Vorrichtung auf reaktionsfähigen Pfotenarealen.
- Auswertung der LFP- und Spiking-Antworten mithilfe von ad-hoc-Algorithmen.
Hauptergebnisse
- Das Gerät lieferte taktile Reize mit millisekundengenauer Präzision.
- Spiking-Aktivitäten wurden erfolgreich aus der somatosensorischen Großhirnrinde aufgezeichnet.
- Mehrzweck-Optimierungsstrategien lieferten Erkenntnisse über neuronale Reaktionen.
- Die Ergebnisse zeigten die Wirksamkeit des maßgeschneiderten Geräts auf.
Schlussfolgerungen
- Die benutzerdefinierte sensorische Stimulationsvorrichtung ist wirksam für präzise Stimuli.
- Sie erleichtert die Untersuchung neuronaler Reaktionen im somatosensorischen Kortex.
- Zukünftige Anwendungen könnten unser Verständnis der sensorischen Verarbeitung verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Das Verständnis des Übergangs von Lokalen Feldpotentialen (LFPs) zu Spiking-Aktivität ist entscheidend, um das Risiko bei der Zielvalidierung in der neurowissenschaftlichen Arzneimittelentwicklung zu verringern. Diese maßgeschneiderte stimulierende Vorrichtung ermöglicht eine präzise, hochfrequente taktile Stimulation zur Untersuchung der Dynamik neuronaler Schaltkreise und unterstützt so die mechanistische Risikominderung bei Zielstrukturen, die an sensorischen Verarbeitungsstörungen beteiligt sind. Der Ansatz liefert eine vorhersagbare Sicherheit bezüglich der Zielstrukturenbindung, indem extrazelluläre LFP-Signaturen mit spikespezifischen neuronalen Ausgangssignalen verknüpft werden.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen, indem die kausale Beziehung zwischen LFP-Dynamiken und Spikenerzeugung in kortikalen Schaltkreisen isoliert wird.
- Operationaler Wert: Bietet eine reproduzierbare Plattform zur funktionellen Zielstruktur-Validierung, indem punktförmige Stimuli verwendet werden, um die neuronale Reaktionsfähigkeit mit millisekundengenauer Präzision abzubilden.
- Prädiktiver Wert: Unterstützt die Portfolio-Priorisierung, indem Zielstrukturen identifiziert werden, deren Modulation die Muster des Übergangs von LFP zu Spikes in krankheitsrelevanten Systemen zuverlässig verändert.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Liefert quantifizierbare, zeitlich verknüpfte neuronale Antworten, die als robuste Biomarker für die Wirkstoffscreening in somatosensorischen Bahnen dienen.
- Operationaler Wert: Standardisiert Stimulationsparameter über verschiedene Assays hinweg und reduziert so die Variabilität von LFP- und Spikereaktionen für eine zuverlässige Dosis-Wirkungs-Profilierung.
- Skalierbarkeit: Das kostengünstige, modulare Design ermöglicht die Wiederverwendung in mehreren elektrophysiologischen Aufbauten und unterstützt die Hochdurchsatz-Validierung mechanosensitiver Zielstrukturen.
Translationale und präklinische Forschung
- Translationale Relevanz: Erfasst die schwankungen von Spikes zwischen einzelnen Versuchen mithilfe von LFP-Signalen und ermöglicht so die Abstimmung von Biomarkern mit der klinischen Elektrophysiologie in Modellen der Epilepsie und der Parkinson-Krankheit.
- Präklinische Kontinuität: Verbindet in-vitro-Befunde mit der Funktion intakter Schaltkreise, indem die natürlichen Stimulus-Reaktions-Dynamiken in vivo erhalten bleiben.
- Risikoadjustierte Weiterentwicklung: Unterstützt Go/No-Go-Entscheidungen, indem quantifiziert wird, wie Wirkstoffkandidaten die LFP-basierte Spikewahrscheinlichkeit in Echtzeit verändern.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in frühe Entdeckungsworkflows, indem sie eine kontrollierte Eingabe zur Untersuchung der Funktion neuronaler Schaltkreise bereitstellt und so die Identifizierung von Leitstrukturen durch objektive Messung stimulusinduzierter Antworten direkt unterstützt.
- Entdeckungsbasierte Biologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung, indem präzise mechanische Reize geliefert werden, um neuronale Berechnungen in sensorischen Bahnen zu isolieren.
- Screening: Ermöglicht die Versuchsbereitschaft durch stabile, resonanzfreie Stimulation, die über verschiedene Versuchsdurchläufe hinweg konsistente LFP- und Spikesignale erzeugt.
- Analytik: Erzeugt quantitative abhängige Variablen (LFP-Amplitude, Spike-Zeitpunkt, Versuchsvariabilität), die statistische Modelle der neuronalen Vorhersage informieren.
- Translationale Forschung: Unterstützt die präklinische Validierung, indem LFP-Spike-Beziehungen erfasst werden, die für menschliche elektrophysiologische Signaturmuster bei neurologischen Erkrankungen relevant sind.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Funktioniert als wiederverwendbares Stimulationsmodul über verschiedene Labore und Projekte hinweg und reduziert so die Kosten für die erneute Entwicklung bei der Validierung mechanosensorischer Zielstrukturen.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verringert mechanistische Unschären bei der Zielvalidierung, indem direkte Belege für die Dynamik des Übergangs von LFP zu Spikes bereitgestellt werden.
- Operativer Wert: Stellt Reproduzierbarkeit sicher durch präzise räumliche und zeitliche Kontrolle der Stimulation und minimiert damit störende Variablen in elektrophysiologischen Assays.
- Strategischer Wert: Verbessert die Kapitalnutzungseffizienz, indem frühzeitige Entschärfung von Risiken bei Zielstrukturen durch vorhersagende, auf LFP basierende Modelle der Spike-Aktivität ermöglicht wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung, indem Zielstrukturen identifiziert werden, die eine starke Kopplung zwischen LFP und Spikes aufweisen, was auf ein höheres Vertrauen in die funktionelle Modulation hinweist.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in Elektrophysiologie, Mikrofertigung und neuronaler Signalverarbeitung, um stimulationsbedingte Antworten durchzuführen und zu interpretieren.
- Ist abhängig von Instrumentierung, einschließlich Mikrocontroller, Verstärker und Elektrodenmatrizen, zur Applikation taktiler Reize und Aufzeichnung neuronaler Aktivität.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise zwischen Teams bei Stimulationsprotokollen und Signalverarbeitungspipelines, um die Reproduzierbarkeit an verschiedenen Standorten sicherzustellen.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen bei der Übertragung des Geräts auf verschiedene Modellsysteme oder Stimulationsstellen außerhalb des somatosensorischen Kortex.
- Ist durch den Bedarf an chirurgischer Vorbereitung und Signalfilterung eingeschränkt, um die hervorgerufenen Antworten von der Hintergrundaktivität des Nervensystems zu trennen, wie im beschriebenen Arbeitsablauf erwähnt.
