Gleichzeitiges Eye Tracking und Single-Neuron-Aufnahmen bei Humanepipsiepatienten
17. Juni 2019
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.
Ein Hauptvorteil unserer Technik ist, dass sie die gleichzeitige Aufzeichnung von Fallposition, Pupillengröße und Einzelneuronen bei Patienten ermöglicht, die mit Tiefenelektroden am Krankenbett implantiert wurden. Dies ermöglicht es uns festzustellen, ob es Neuronen im menschlichen Gehirn gibt, deren Aktivität empfindlich auf Augenbewegungen und die Identität des aktuell fixierten Stimulus reagiert. Obwohl diese Technik nicht entwickelt wurde, um eine bestimmte Krankheit zu untersuchen, ist sie gut geeignet, um neurologische Erkrankungen zu untersuchen, die zu abnormen Augenbewegungen oder anderen okularen motorischen Anomalien führen.
Demonstriert wird das Verfahren von Nand Chandravadia und James Lee, Wissenschaftlichen Mitarbeitern aus meinem Labor. Und Erika Quan, neurodiagnostische Technikerin bei Cedars-Sinai. Schließen Sie zunächst die Elektroden an das Aufzeichnungssystem an und positionieren Sie den Patienten aufrecht.
Verbinden Sie dann den Stimuluscomputer mit dem Elektrophysiologiesystem und dem Eyetracker. Platzieren Sie das entfernte nicht-invasive Infrarot-Augenverfolgungssystem auf einem robusten mobilen Wagen. Befestigen Sie dann einen flexiblen Arm, der ein LCD-Display am Warenkorb hält.
Legen Sie ein vollständig geladenes unterbrechungsfreies Netzteil auf den Eye-Tracking-Wagen und verbinden Sie alle Geräte im Zusammenhang mit der Eye-Tracking-Verbindung mit dem Netzteil anstatt an eine externe Stromquelle. Stellen Sie sicher, dass das an den Patienten angeschlossene IV-Gerät mit batteriegebundener Batterie läuft und nicht an die Wand angeschlossen ist. Starten Sie die Eye-Tracking-Software.
Stellen Sie den Abstand zwischen dem Patienten und dem LCD-Bildschirm auf 60 bis 70 Zentimeter ein. Stellen Sie auch den Winkel des LCD-Bildschirms so ein, dass die Oberfläche des Bildschirms ungefähr parallel zum Gesicht des Patienten ist. Legen Sie einen Aufkleber auf die Stirn des Patienten, damit sich der Eyetracker auf Kopfbewegungen einstellen kann.
Passen Sie nun die Höhe des Bildschirms relativ zum Kopf des Patienten so an, dass sich die Kamera des Eyetrackers ungefähr auf der Höhe der Nase des Patienten befindet. Stellen Sie dem Patienten eine Schaltfläche oder Tastatur zur Verfügung. Stellen Sie sicher, dass Trigger und Tastendruck richtig aufgezeichnet werden, bevor Sie mit dem Experiment beginnen.
Starten Sie die Erfassungssoftware. Prüfen Sie zunächst die lokalen Breitband-Potenziale und stellen Sie sicher, dass sie nicht durch Leitungsgeräusche kontaminiert sind. Andernfalls befolgen Sie Standardverfahren, um Rauschen zu entfernen.
Um Einzelneuronen zu identifizieren, filtern Banddurchführungsfilter das Signal von 300 Hertz bis acht Kilohertz. Wählen Sie einen der acht Mikrodrähte als Referenz für jedes Mikrodrahtbündel aus. Aktivieren Sie das Speichern der Daten als nrd-Datei vor der Aufzeichnung.
Passen Sie den Abstand und Winkel zwischen dem Eyetracker und dem Patienten so an, dass Zielmarker, Kopfabstand, Pupille und Hornhautreflexion als bereit markiert sind. Dies wird in der Eye-Tracking-Software grün dargestellt. Klicken Sie auf das zu erfassende Auge und stellen Sie die Abtastrate auf 500 Hertz ein.
Verwenden Sie die automatische Einstellung der Pupillen- und Hornhautreflexionsschwelle. Kalibrieren Sie den Eyetracker mit der integrierten Grid-Methode am Anfang jedes Blocks. Bestätigen Sie, dass sich die Augenpositionen gut als Raster registrieren.
Andernfalls wiederholen Sie die Kalibrierung. Akzeptieren Sie die Kalibrierung und machen Sie die Validierung. Akzeptieren Sie die Validierung, wenn der maximale Validierungsfehler weniger als zwei Grad und der durchschnittliche Validierungsfehler kleiner als ein Grad ist.
Andernfalls wiederholen Sie die Validierung. Führen Sie dann eine Driftkorrektur durch und fahren Sie mit dem eigentlichen Experiment fort. Verwenden Sie in dieser visuellen Suchaufgabe die Reize einer früheren Studie, die von dieser Gruppe durchgeführt wurde, und befolgen Sie das zuvor beschriebene Aufgabenverfahren.
Geben Sie den Teilnehmern Aufgabenanweisungen an. Weisen Sie die Teilnehmer an, ein Zielelement im Suchfeld zu finden und so schnell wie möglich zu reagieren. Weisen Sie die Teilnehmer an, die linke Taste eines Antwortfelds zu drücken, wenn sie das Ziel finden, und drücken Sie die rechte Taste, 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. Starten Sie die Stimulus-Präsentationssoftware, und führen Sie die Aufgabe aus. Präsentieren Sie einen Ziel-Cue für eine Sekunde und präsentieren Sie das Such-Array mit der Stimulus-Präsentationssoftware.
Nehmen Sie die Tastendrücke auf und geben Sie den Teilnehmern Test-Feedback per Test. Um die Anwendung dieser Methode zu veranschaulichen, wurden 228 einzelne Neuronen aus dem menschlichen medialen Temporallappen aufgezeichnet, während die Patienten eine visuelle Suchaufgabe durchführten, wie hier gezeigt. Während dieser Aufgabe wurde untersucht, ob die Aktivität von Neuronen zwischen Fixierungen auf Zielen und Ablenkern unterscheidet.
Wenn die Antworten am Knopfdruck ausgerichtet wurden, wurden Neuronen gefunden, die eine unterschiedliche Aktivität zwischen Ziel-Gegenwarts-Studien und Ziel-Abwesend-Studien zeigten. Schwarze Linien stellen den Beginn und Offset der Suchwarteschlange dar. Dieses Neuron erhöhte seine Abschussrate für Ziel-Gegenwart-Studien, aber nicht für Ziel-Abwesenheit-Studien.
Umgekehrt verringerte dieses Neuron seine Abschussrate für Ziel-Gegenwart-Studien, aber nicht für Ziel-Abwesend-Studien. Eine Teilmenge der medialen temporalen Lappenneuronen zeigte signifikant unterschiedliche Aktivitäten zwischen Fixierungen auf Targets im Vergleich zu Ablenkern. Darüber hinaus hatte eine Art solcher Zielneuroneine eine größere Reaktion auf Ziele im Vergleich zu Ablenkern, während die andere eine größere Reaktion auf Ablenker im Vergleich zu Zielen hatte.
Zusammen zeigt dieses Ergebnis, dass eine Teilmenge medialer temporaler Lappenneuronen kodiert, ob die gegenwärtige Fixierung auf einem Ziel gelandet ist oder nicht. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass der Eyetracker kein Rauschen in die Aufnahme einführt. Alle Geräusche müssen entfernt werden, bevor die Experimente durchgeführt werden.
Wenn das Rauschen anhält, stellen Sie sicher, dass der Bildschirm, der zum Anzeigen des Stimulus für das Motiv verwendet wird, über eine externe Stromversorgung verfügt. Austauschnetzteile für hochwertigere Netzteile, die typischerweise für High-End-Audioanwendungen verwendet werden. Nach diesem Verfahren werden Analysen von Spitzen und Augenbewegungen durchgeführt, um Informationen aus den Daten zu extrahieren, die es Forschern ermöglichen, die neuronalen Reaktionen auf Augenbewegungen zu untersuchen.
Diese Methode ebnet den Weg, um viele unbeantwortete Fragen zu untersuchen, die eine Analyse von Fixierungen erfordern, wie z. B. wie Neuronen zusammen Fixierungen auf interessante Objekte in einer Szene treiben.
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Übersicht
Dieser Artikel beschreibt eine Methode zur Durchführung von Einzelneuron-Aufzeichnungen bei gleichzeitiger Verfolgung von Augenbewegungen beim Menschen. Die Technik ermöglicht es Forschern, neuronale Aktivitäten im Zusammenhang mit visuellen Suchzielen im menschlichen medialen Temporallappen zu untersuchen.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Elektrophysiologie
- Visuelle Kognition
Hintergrund
- Einzelneuron-Aufzeichnungen liefern Einblicke in die Gehirnfunktion.
- Augentracking kann zeigen, wie visuelle Aufmerksamkeit verteilt wird.
- Das Verständnis neuronaler Reaktionen auf visuelle Reize ist für die Neurowissenschaften entscheidend.
- Diese Methode kann in klinischen Umgebungen bei Patienten mit Tiefenelektroden angewendet werden.
Ziel der Studie
- Zur Demonstration einer Technik für gleichzeitige Augenbewegungsverfolgung und Einzelneuron-Aufzeichnungen.
- Um Neuronen zu identifizieren, die auf Augenbewegungen und visuelle Reize reagieren.
- Um die Forschung zu neurologischen Erkrankungen, die Augenbewegungen beeinflussen, zu erleichtern.
Verwendete Methoden
- Schließen Sie Elektroden an ein Aufzeichnungssystem an.
- Positionieren Sie den Patienten aufrecht für optimale Aufzeichnung.
- Aufzeichnen neuronaler Aktivität während der Verfolgung von Augenbewegungen.
- Analysieren Sie die Beziehung zwischen neuronalem Feuern und visuellen Zielen.
Hauptergebnisse
- Demonstrierte die Machbarkeit der Methode in einem klinischen Umfeld.
- Identifizierte Neuronen im medialen Temporallappen, die auf visuelle Suche reagieren.
- Zeigte, wie Augenbewegungen die neuronale Aktivität beeinflussen.
- Bot eine Grundlage für die Untersuchung von okulären motorischen Anomalien.
Schlussfolgerungen
- Die Technik ist effektiv für die Untersuchung der visuellen Verarbeitung beim Menschen.
- Sie eröffnet Möglichkeiten für die Forschung zu neurologischen Erkrankungen.
- Zukünftige Studien können diese Methode für tiefere Einblicke in die Gehirnfunktion nutzen.
Häufig gestellte Fragen
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.
