Open-Source-Echtzeit-Closed-Loop-Tracking des elektrischen Schwellenwerts für die translationale Schmerzforschung

Dieses Werkzeug kann verwendet werden, um verschiedene Mechanismen der Nozizeptorsensibilisierung zu untersuchen, und es ist diese Sensibilisierung, die einige Formen chronischer Schmerzen verursachen kann. Die automatische Verfolgung des elektrischen Schwellenwerts bietet eine zuverlässige Online-Messung der Erregbarkeit des Nozizeptors in Echtzeit. Damit stellt diese Maßnahme eine wichtige Translationsbrücke dar, die Messungen sowohl am Menschen als auch am Tier ermöglicht.

Auf die gleiche Weise können wirksame Pathologien und Behandlungen bewertet werden. In Zukunft könnte AP Track bei chronischen Schmerzpatienten eingesetzt werden, um zu bestätigen, ob ein Therapeutikum die Erregbarkeit ihrer sensibilisierten Nozizeptoren normalisiert. Dies wäre ein entscheidender Biomarker für die Wirksamkeit.

Wir gehen davon aus, dass unser Open-Source-Toolkit AP Track für Elektrophysiologen nützlich sein wird, die Zeitschleifenreize unterschiedlicher Größenordnung untersuchen. Wir glauben zum Beispiel auch, dass es für die Untersuchung der Optogenetik nützlich sein wird. Die gleichzeitige Verwaltung eines Experiments und einer Software ist anfangs eine Herausforderung, daher empfehle ich Benutzern, vorab aufgezeichnete Daten in AP Track zu laden, um sich mit der Verwendung vertraut zu machen, bevor sie ein Experiment versuchen.

Wir haben Demodaten zur Verfügung gestellt. Schließen Sie zunächst die Erfassungskarte mit dem vom Hersteller gelieferten Kabel an den Computer an und schalten Sie sie ein. Verbinden Sie dann die IO-Karte mit dem analogen Import auf der Erfassungskarte und verbinden Sie eine Intan RHD-Aufnahme-Headstage mit einem seriellen Peripherieschnittstellenkabel mit der Erfassungskarte.

Schließen Sie als Nächstes den Pulse Pal an den Computer an. Teilen Sie das Signal des Pulse Pal-Ausgangskanals mit einem BNC-T-Splitter auf und verbinden Sie es dann mit dem Eingang des Konstantstromstimulators und der IO-Platine, damit der analoge Spannungsbefehl aufgezeichnet werden kann. Verbinden Sie den zweiten Pulse Pal-Ausgangskanal mit der IO-Platine, um die TTL-Ereignismarker der Stimulation aufzuzeichnen.

Für die Montage mit einem wählgesteuerten Konstantstromstimulator schalten Sie einen Konstantstromstimulator ein und verbinden Sie die Schrittmotorsteuerplatine mit dem vom Hersteller gelieferten Kabel und der Magnethalterung mit dem Schrittmotor. Schließen Sie die Steuerplatine mit einem beliebigen Standard-USB-A-auf-USB-Micro-B-Kabel direkt an den Computer an. Verbinden Sie die Steuerplatine und den Schrittmotor mit einer benutzerdefinierten Montagehalterung und stellen Sie den Regler für die Stimulationsamplitude am Konstantstromstimulator auf null Milliampere.

Schließen Sie dann einen benutzerdefinierten Laufadapter an den Schrittmotorzylinder an. Befestigen Sie den Schrittmotor und die spezielle Halterung mit dem Tonnenadapter an der Stimulationsamplitudenskala des Konstantstromstimulators und schalten Sie sie ein. Öffnen Sie die AP Track-GUI und erstellen Sie eine stabile elektrophysiologische Aufzeichnung des peripheren Nervs.

Identifizieren Sie das rezeptive Feld auf der Haut und positionieren Sie dort die Stimulationselektrode. Wählen Sie im Menü "Optionen" die Option "Trigger-Kanal" und wählen Sie den ADC-Kanal, der den TTL-Marker für die elektrische Stimulation enthält, aus dem zweiten Pulse Pal-Ausgangskanal aus. Wählen Sie dann den Datenkanal aus und wählen Sie den Kanal aus, der die elektrophysiologischen Daten enthält.

Klicken Sie auf Verbinden, um die AP-Spur mit dem Pulse Pal und dem Schrittmotorgerät zu verbinden. Dies kann einen Moment dauern. Nach dem Anschließen stellt sich die Schrittmotor-Steuerplatine auf Position Null.

Definieren Sie in der Stimulationssteuerung mit dem Schieberegler die anfänglichen minimalen und maximalen Stimulationsamplituden. Stellen Sie sicher, dass die aktuelle Stimulation über Null eingestellt ist, damit TTL-Marker erzeugt werden. Klicken Sie auf F, um eine Datei mit den Stimulationsanweisungen zu laden, und klicken Sie dann auf den Pfeil nach rechts, um das geladene Stimulationsparadigma zu starten.

Das zeitliche Raster-Diagramm wird mit der Reaktion auf die elektrische Stimulation aktualisiert, wobei jede neue Stimulationsantwort als neue Spalte auf der rechten Seite angezeigt wird. Um die Aktionspotentiale der einzelnen Neuronen erfolgreich zu erkennen, wechseln Sie zum Zeit-Raster-Plot, und passen Sie die Bildschwellenwerte "Niedrig", "Erkennung" und "Hoch" an. Wenn geeignete Bildschwellenwerte eingestellt sind, werden die von den Algorithmen erkannten Schwellenüberschreitungsereignisse grün kodiert.

Bewegen Sie die stimulierende Elektrode systematisch um den vom Nerv innervierten Hautbereich. Überwachen Sie das zeitliche Raster-Diagramm auf drei Schwellenwertüberschreitungsereignisse, die nacheinander mit derselben Latenz auftreten, während sich die Elektrode in derselben Stimulationsposition befindet. Dies deutet auf die Identifizierung eines peripheren Neuronenaktionspotentials mit konstanter Latenz hin.

Nachdem Sie das Aktionspotenzial eines einzelnen Neurons im zeitlichen Raster-Diagramm identifiziert haben, verschieben Sie den grauen linearen Schieberegler auf der rechten Seite des Diagramms, um die Position des Suchfelds anzupassen. Stellen Sie dann das Suchfeld mit dem Drehregler auf eine entsprechende Breite ein. Verringern Sie die Breite des Suchfelds.

Um mit der Verfolgung des angestrebten Aktionspotenzials zu beginnen, klicken Sie auf das Pluszeichen unter der Multi-Unit-Tracking-Tabelle. Der Tabelle wird eine neue Zeile hinzugefügt, die die Details des Zielaktionspotenzials enthält, einschließlich der Latenzposition, des Prozentsatzes, der über zwei bis 10 Stimuli ausgelöst wird, und der erkannten Spitzenamplitude. Der Latenz-Tracking-Algorithmus wird bei jeder nachfolgenden elektrischen Stimulation automatisch ausgeführt.

Aktivieren Sie das Kontrollkästchen "Spurspitze" in der Tabelle, um das Suchfeld an die entsprechende Position für das jeweilige Aktionspotenzial zu verschieben. Berechnen Sie die Leitungsgeschwindigkeit des peripheren Neurons, indem Sie den Abstand zwischen dem Stimulations- und dem Aufzeichnungsort durch die in der Tabelle angezeigte Latenz dividieren. Um die Verfolgung des elektrischen Schwellenwerts durchzuführen, stellen Sie die Inkrement- und Dekrementraten im Stimulationsbedienfeld auf die gewünschte Rate ein.

Halten Sie diese Werte gleich. Stellen Sie sicher, dass die Stimulationsfrequenz auf eine geeignete Frequenz eingestellt ist, typischerweise 0,25 bis 0,5 Hertz. Passen Sie die Stimulationsamplitude manuell annähernd an die elektrische Schwelle des Neurons an.

Aktivieren Sie dann das Kontrollkästchen Track-Schwellenwert in der Multi-Unit-Tracking-Tabelle, wodurch der Algorithmus für die Verfolgung des elektrischen Schwellenwerts initiiert wird. Überwachen Sie in der Multi-Unit-Tracking-Tabelle die Schussrate. Eine Feuerrate von 50 % gibt an, dass der ungefähre elektrische Schwellenwert ermittelt wurde und der Schwellenwert aktualisiert wird.

Wenden Sie schließlich eine experimentelle Manipulation auf das rezeptive Feld an und verfolgen Sie die elektrische Schwelle weiter. Dadurch werden Veränderungen in der Erregbarkeit der peripheren Neuronen quantifiziert. In dieser Abbildung sind die sequenziellen Spuren einer humanen C-Faser des oberflächlichen Staudennervs während eines Mikroneurographie-Experiments und die sequentiellen Spuren einer Maus-A-Delta-Faser des Nervus saphenus während der Haut-Nerven-Präparation der geneckten Faserelektrophysiologie dargestellt.

Die Spuren wurden rot eingefärbt, wenn ein Aktionspotential identifiziert wurde, was zu einer Abnahme der Reizamplitude führte. Der Softwarealgorithmus ermittelt effektiv die Stimulusamplitude, die für eine 50%ige Feuerwahrscheinlichkeit erforderlich ist. Die elektrische Schwellenwertverfolgung bei einer Stimulationsfrequenz von 0,25 Hertz während der thermischen Stimulation eines humanen C-Faser-Nozizeptors ist in dieser Abbildung dargestellt.

Die y-Achse kodiert die Stimulationszahl vom Anfang des Paradigmas an. Die Spannungskurven für 4.000 Millisekunden nach der elektrischen Stimulation mit den Schwellenüberschreitungsereignissen sind rot markiert. Die Spannungskurve, die um das verfolgte Aktionspotential herum vergrößert wurde, ist hier dargestellt.

Die vertikale blaue Linie ist die Basislatenz der verfolgten Einheit. Der von AP Track gesteuerte Stimulationsstrom ist in dieser Abbildung dargestellt. Die vertikale blaue Linie ist der elektrische Schwellenwert der Basislinie.

Das rezeptive Feld TCS-II Wärmestimulationssondentemperatur wird hier vorgestellt. Wenn das rezeptive Feld dieser wärmeempfindlichen C-Faser durch den thermischen Stimulator erwärmt wird, sinkt die elektrische Schwelle. Die Auswahl der geeigneten Werte für die Breite des Suchfelds und den Erkennungsschwellenwert ist wichtig, da sie die Leistung von AP Track erheblich verbessern, indem sie die Auswirkungen von elektrischem Rauschen reduzieren.

Die Quantifizierung des Einflusses von Therapeutika auf die Übererregbarkeit von Nozizeptoren könnte uns helfen, die Mechanismen, die chronischen Schmerzen zugrunde liegen, besser zu verstehen. Wir hoffen, dass andere Forscher dieses frei verfügbare Werkzeug nutzen werden, um die nozizeptive Biologie und die Veränderungen, die während der Nozizeptorsensibilisierung aufgetreten sind, besser zu verstehen.