Para dilucidar la compleja transición de potenciales de campo locales (LFPS) a los picos de un estimulador adecuado para estímulos periféricos mecánicos ligeros fue construido. Como una aplicación, las actividades Rematar grabados desde la corteza somatosensorial se analizaron mediante una estrategia de optimización multi-objetivo. Los resultados demostraron que el estimulador propuesto fue capaz de entregar estímulos táctiles con milisegundo y milímetros precisiones.
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Artículo de método
Un dispositivo estimulador simple para Evocando Point-como estímulos táctiles: A Searchlight para LFP a Spike Transiciones
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Resumen
Resumen
Investigación neurofisiológica actual tiene el objetivo de desarrollar metodologías para investigar la ruta de señal de neurona a neurona, es decir, en las transiciones de los picos a los potenciales de campo locales (LFPS) y desde LFPs a los picos.
LFPs tienen una compleja dependencia actividad pico y su relación aún es poco conocido 1. El esclarecimiento de estas relaciones de señal sería de gran ayuda tanto para el diagnóstico clínico (por ejemplo, los paradigmas de estimulación para la estimulación cerebral profunda) y para una comprensión más profunda de las estrategias de codificación neural en condiciones normales y patológicas (por ejemplo, epilepsia, enfermedad de Parkinson, dolor crónico). Para ello, hay que resolver los problemas técnicos relacionados con los dispositivos de estimulación, los paradigmas de estimulación y análisis computacional. Por lo tanto, un dispositivo de estimulación medida fue desarrollado con el fin de ofrecer estímulos bien regulados en el espacio y el tiempo, que no incurren en resonancia mecánica. Posteriormente,como un ejemplo, se extrajo un conjunto de relaciones LFP-pico fiables.
El rendimiento del dispositivo fue investigado por las grabaciones extracelulares, los picos de forma conjunta y respuestas LFP a los estímulos aplicados, de la rata corteza somatosensorial primaria. Entonces, por medio de una estrategia de optimización multi-objetivo, se estimó un modelo predictivo para la ocurrencia pico basado en LFPs.
La aplicación de este paradigma muestra que el dispositivo se adapta adecuadamente para ofrecer una alta frecuencia de estimulación táctil, superando actuadores piezoeléctricos comunes. Como una prueba de la eficacia del dispositivo, se presentaron los siguientes resultados: 1) el momento y la confiabilidad de las respuestas LFP también coinciden con las respuestas de pico, 2) LFPs son sensibles a la estimulación de la historia y capturar no sólo el promedio de respuesta, sino también la -juicio-a juicio fluctuaciones en la actividad pico y, por último, 3) mediante el uso de la LFP señalan que es posible estimar un rango of modelos predictivos que captan los diferentes aspectos de la actividad pico.
Introducción
En el contexto de la señal de procesamiento de la respuesta de impulso proporciona una caracterización fundamental del comportamiento de un sistema dinámico.
Aunque el estímulo impulso ideal no es prácticamente factible, es posible obtener una aproximación razonable de la misma mediante el uso de un elemento actuador que genera desplazamientos de alta frecuencia. Este tipo de luz de estimulación táctil-vibratoria se sabe que centrarse tanto en lo profundo de la piel (por ejemplo, la respuesta rápida, la adaptación rápida corpúsculos de Pacini) 2 y los receptores superficiales (por ejemplo, bajo umbral de adaptación lenta estructuras discoidales Merkel) 2.
Dispositivos de estimulación actuales, actuadores piezoeléctricos principalmente, están acusados de una serie de inconvenientes, no por ello menos resonancias y pequeños desplazamientos. Para superar estas deficiencias, una implementación alternativa de estimulación de impulso-como se propone mediante el uso de una punta roma (una punta de cactus suavizado en nuestro caso) en posición verticalmontado en el centro de la membrana de un cono del altavoz de gama media. Esto proporciona la ventaja de desplazamientos más grandes y más amplio espectro de frecuencias.
Una aplicación eficaz de un dispositivo de este tipo era el estudio del problema neurofisiológico correspondiente de la LFPs a los picos de dependencia. Debido a la asociación temporal sutil entre estos eventos eléctricos se necesita un dispositivo regulado finamente para la entrega de los estímulos periféricos. Los estímulos tenían que ser tan rápido y espacialmente selectiva como sea posible con el fin de reducir el "ruido de fondo" y afilar las señales de interés. Para este propósito, el dispositivo de estimulación y el protocolo de entrega de estímulo fueron optimizados de forma conjunta para la tarea. En este trabajo se describe la técnica y se presentan algunos resultados representativos.
Un protocolo de estimulación basado en-pares de pulsos aleatorios ha sido diseñado y optimizado con el fin de evitar la habituación. Este protocolo ofrece la ventaja de la pareja clásicaed pulsos y la reducción de la posibilidad de bloqueo espuria entre los estímulos y las explosiones periódicas espontáneas de la actividad neuronal.
Al utilizar este aleatorizados a dos pulsos se pudo obtener respuestas LFP y pico rápidos y fiables y para capturar la característica especial de estas respuestas relacionadas con la dependencia de ambos LFPs y picos en la historia de la estimulación. De hecho, a partir de las respuestas del LFP primas, un conjunto de tres LFP características (la propia LFP, la LFP primera derivada y la fase de la primera derivada) correlacionar fuertemente con la respuesta promedio pico, también se extrajo.
Se han propuesto algunos métodos para ajustar los modelos que predicen los picos de LFPs 3,4. En general un punto crítico del proceso de ajuste del modelo, común también a la predicción de eventos pico de la señal de estímulo, lo constituye la elección adecuada de la función objetivo de maximizar / minimizar. Si bien una serie de funciones objetivo ha sido propuestad (por ejemplo, la correlación y coherencia) 5 ninguno de ellos capta de forma conjunta toda la complejidad de las respuestas pico. De acuerdo con ello, se introduce un nuevo marco basado en la optimización multi-objetivo. Se demuestra que mediante el uso de la propuesta ideada y este marco computacional es posible estimar un conjunto de modelos de predicción basado en LFP fuerte para clavar las relaciones.
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Protocolo
Declaración de Ética
Para el estudio de cómo los estímulos sensoriales están representados por la actividad neuronal no hay alternativa a la utilización de los animales y el uso de un enfoque in vivo. Todos los animales han sido tratados a lo largo de las leyes italianas y europeas sobre el tratamiento de animales en la investigación científica (Comité de Bioética italiano, el Decreto Ley sobre el tratamiento de los animales en la investigación, 27 de enero 1992, n º 116). El Consejo Superior de Investigaciones Científicas, donde se han realizado los experimentos, se adhiere al Comité Internacional de Ciencia Animal de Laboratorio (ICLAS) en nombre de las Naciones Unidas, la Ciencia y Organizaciones Culturales (UNESCO), el Consejo de Organizaciones Internacionales de Ciencias Médicas (CIOMS ) y la Unión Internacional de Ciencias Biológicas (IUBS). Como tal, no se requería la aprobación específica del protocolo. La aprobación de la Secretaría de Salud se clasifica como "Biella 1, 3/2011" en los archivos de la Comisión de Ética de laUniversidad de Milán.
1. Preparación de los animales de experimentación
- Seleccione ratas macho de aproximadamente 300-400 g de tamaño.
- Anestesiar las ratas para la preparación experimental.
- Inyectar por vía intraperitoneal una solución barbitúrico (pentobarbital, 50 mg / kg para inducción, 10 mg / kg para el mantenimiento).
- Compruebe el nivel de anestesia por bajo umbral y de alto umbral estímulos mecánicos sobre una pata asegurar que no se produce el reflejo de retracción.
- Prepare la piel del cráneo por el afeitado de la bóveda craneal con precisión y luego hacer una incisión para exponer la superficie craneal.
- Canular la tráquea, por una cánula traqueal (diámetro interior de 2 mm y un diámetro exterior de 2,5 mm) que se fijan por la ligadura quirúrgica alrededor de la propia tráquea.
- Lateralmente al segmento traqueal exponer la vena yugular y canular que la inserción de una cánula (PE10) conectada a una jeringa que se fijan por la ligadura quirúrgica alrededor del vaso.
- Monte la rata en un aparato estereotáxico.
- Fije el cuerpo de la rata y el lugar en una posición supina.
- Fijar la cabeza con barras de oído y bloquear el hocico. Ponga una o dos gotas de anestésico local (lidocaína) en el oído de la rata antes de colocar las barras de oído.
- Regular la temperatura de la almohadilla estereotáxica por un cojín de la calefacción con control electrónico, manteniendo la temperatura a 37,5 ° C.
- Conecte el tubo traqueal para el aparato de anestesia respiratoria.
- Ajuste el dispositivo de anestesia respiratoria a 1 carrera / s entrega de isoflurano (2,5% 0,4-0,8 L / min) y O 2 (0.15-0.2 L / min).
- Limpie cuidadosamente la bóveda craneal por un antiséptico tópico de povidona yodada.
- Tome un bisturí estéril y cortado longitudinalmente en la línea media de la base de la boca hasta el ángulo del hueso occipital.
- Divaricate de las fronteras de la herida por un retractor y fijarlos por dos pequeñas pinzas cocker aplicado to los bordes de la herida.
- Identificar el periostio señalando una luz sobre una bóveda de cráneo observando la superficie translúcida. Rayar cuidadosamente la bóveda de extracción de huesos el periostio y la exposición de la superficie del hueso.
- Proporcionar la hemostasia con una punta de algodón o una esponja quirúrgica sobre la superficie del hueso si hemorragias focales aparecen sobre el hueso.
- Con una pluma de punta fina, identificar el punto bregma estereotáctica en el punto de cruce de las suturas mediosagittal y coronal.
- Bajo el control microscopio quirúrgico, identificar el área estereotáctica (S1HL) que recubre la corteza somatosensorial contralateral a la pata posterior utilizado para el experimento (bregma, AP -0,5 a 1,2 mm, LL -2,3 a 2,5 mm).
- Con una pluma de punta fina dibujar el perímetro de la plaza que delimita el orificio a perforar.
- Perforar un agujero de 9 mm 2 en el cuadro azul identificado previamente la eliminación de las baldosas ósea.
- Limpiar y absorber hemorragias óseas potenciales.
- Retire cuidadosamente la duramadre y cubrir la superficie cortical con una esponja quirúrgica empapada en líquido cefalorraquídeo artificial mantenida a 37,5 ° C.
- Fijar la matriz de electrodos a un soporte conectado a un micromanipulador electrónico.
- Conecte el jefe de la matriz para el preamplificador por un microconector.
- Unidad manualmente la matriz de electrodos (bajo control microscopio quirúrgico) hasta la superficie cortical (sin tocarlo).
- Encienda los amplificadores con señal auditiva.
- Conduce, por el control electrónico, se llega a la matriz de electrodos tocar la superficie cortical hasta que el contacto, señalado por un cambio de sonido del ruido claro.
- Tire hacia abajo de la matriz de electrodos en pasos controlados electrónicamente (2 m / paso) hasta que se alcanza una profundidad de 350-400 m (capa cortical IV).
- Compruebe la capacidad de respuesta de las neuronas por toques de luz en la pata posterior contralateral.
- Ajuste la profundidad de unos pasos más hasta que se observe una respuesta clara clavar.
- Paralyze la rata por thriethiodide Galamina intravenosa (20 mg / kg / h). Use las dosis refractadas a través del experimento para mantener los niveles curarización (0,2 ml / 1 hora).
2. Tratamiento de Señales
- Ajuste el filtro de paso de banda de software para [0,1 6000] Hz.
- Registrar las señales neuronales de la matriz de microelectrodos 8 canales muestreados a 32 kHz.
- Después de que termina la adquisición, exportar las señales grabadas en un formato binario adecuado para el procesamiento posterior.
- Realice el procedimiento de pico de clasificación por medio de la caja de herramientas Wave_clus 11.
3. Fabricación y configuración del dispositivo de estimulación
- Montar un tallo de cactus (con punta roma) ortogonalmente a la superficie de un altavoz de rango medio pegar la base del tallo de la tapa.
- Programe unmicrocontrolador para entregar pulsos de voltaje a un circuito controlador para el altavoz.
- Programar el microcontrolador para entregar dos pares de pulsos de corriente por segundo (ver Figura 1 C).
- Monte el altavoz y el microcontrolador mediante un L293D h-puente con componentes pasivos básicos (véase la Figura 1A).
- Conectar el microcontrolador a una batería recargable 12 V.
4. Protocolo de Estimulación
- Pegue la cara dorsal de la pata trasera de un marco sólido, exponiendo la superficie volar y evitar torsiones articulares.
- Coloque la punta del dispositivo de estimulación sobre la posición de las extremidades / pata deseado.
- Encienda el dispositivo de estimulación.
Desconectado pasos:
5. La evaluación de las respuestas de Spike
- Para cada neurona registrada, calcular la Información Mutua Shannon (MI) del estímulo evocado actividad del enriquecimiento (estímulo categoría es o bien 1, estímulo, o 0, ningún estímulo).
- Estimar la probabilidad de respuesta condicional p (r | s), donde s representa la categoría de estímulo y r representa el número de espigas emitidos dentro de una ventana de tiempo fijo.
- Corrija el estimado MI utilizando el procedimiento descrito barajar 9.
6. La evaluación de las respuestas del LFP
- Se filtra la señal grabada en la gama de frecuencias [0,1 100] Hz con el fin de obtener la señal de LFP
- Calcular LFPSNR, una medida de la capacidad de respuesta del LFP, como se explica en la referencia 10.
7. Modelo de estimación
- Generar un modelo de la forma
donde las x argumentos representan tres características diferentes (LFP x 1 de la propia LFP, < em> x 2 su derivado y x 3 la fase de Hilbert de su derivado) y F se expresa como sigue
los coeficientes G son los pesos de una combinación lineal y F es un operador que toma, ya sea el valor absoluto, la potencia o el valor original de cada x i. - Utilice el algoritmo NSGAII para estimar los parámetros del modelo y operadores usando los tres objetos siguientes: i) a nivel local, base del juicio a prueba, medida de ajuste
, Donde N y N sp r representan, respectivamente, los picos en general cuentan y la longitud del vector de respuesta; ii) una medida global de ajuste basado en el promedio de respuestaad/50941/50941eq4.jpg "width =" 205 "/> donde N resp representa la longitud de la respuesta media; iii) una medida de la complejidad del modelo (véase también) 10 
.
8. La confirmación histológica
- Sacrificar la rata.
- Al final de grabaciones experimentales, poner el animal bajo anestesia profunda gaseoso (isoflurano 2%, 4 L / min) y inyectar por vía intravenosa una sobredosis de barbitúricos (> 50 mg / kg, pentobarbital).
- Espere el arresto cardíaco.
- Desmonte la rata del aparato estereotáxico
- Perfusión.
- Coloque la rata que pone sobre una rejilla en una palangana para recoger la sangre y los fluidos de la perfusión.
- Abra el tórax mediante la disección del esternón separarse de las inserciones costales.
- Bloquee el proceso xifoides esternal con una pinza cocker y cr vuelcoanially el esternón y divaricate las costillas sobre el corazón.
- Identificar el ventrículo izquierdo y la aurícula derecha, coloque una aguja de punta embotada calibre nueve (conectado a la cánula de perfusión) en el ventrículo y abrir con tijeras finas quirúrgicos de la aurícula derecha.
- Iniciar la perfusión con solución fría (4 ° C) heparinizada fisiológica (250 ml) seguido de la perfusión de una solución de formalina al 4% (250 ml).
- Extraer el cerebro contra el cráneo con la apertura de la bóveda craneal con unas pinzas adecuadas y colocar el cerebro en una solución de formalina al 10%.
- Después de una semana, preparar los cortes histológicos por un microtomo (10 micras de espesor).
- Teñir el cerebro secciones coronal y sagital con una solución de violeta de cresilo.
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Resultados
Características de excursiones Consejo
Para la caracterización de las propiedades dinámicas del dispositivo de estimulación de propuesta, una serie de experimentos se establecieron. Se utilizó un dispositivo específico que consiste en un arseniuro de galio Diodo emisor infrarrojos junto con un fototransistor de silicio para evaluar el desplazamiento de su punta, la duración del desplazamiento y los posibles retrasos de desplazamiento. Por medio de este conmutador interruptor óptico colocamos la...
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Discusión
Este trabajo presenta en primer lugar una nueva, simple y de bajo costo dispositivo permite ofrecer estímulos sensoriales rápidas y espacialmente puntuales. A continuación, un emparejado protocolo de estimulación de impulsos aleatorios y un conjunto de análisis computacional fueron validados. El objetivo general es establecer un marco para la estimación de las relaciones LFP-pico en los registros electrofisiológicos durante la estimulación táctil.
El dispositivo, el protocolo y el enfoque an...
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Divulgaciones
Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.
Agradecimientos
SN y AGZ fueron apoyados por los fondos VIRTUALAB PON 01-01297.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Microstepper | AB Transvertex (Estocolmo, Suecia) | El microstepper utilizado para bajar la matriz de electrodos | |
| Cheetah de 32 canales | Neuralynx (MT, EE. UU.) | El sistema de registro electrofisiológico | |
| L293D h-bridge | RS Components (Cinisello Balsamo, Italia) | El puente utilizado para conectar el microcontrolador al altavoz | |
| H21A3 Interruptor óptico Interruptor | Fairchild Semiconductor Corporation (San José, California) | El fototransistor utilizado para estabilizar el desplazamiento de la punta | |
| Arduino Uno | Arduino (Duemilanove, Italia) | El microcontrolador utilizado para suministrar el pulso de corriente al altavoz | |
| Matrices de microelectrodos GB1 | FHC | ||
| Isoflurano | Rhodia Organique Fine Ltd. | El anestésico utilizado para preparar a los animales | |
| Aparato estereotáxico | Narishighe (Tokio, Japón) | ||
| Ratas macho Sprague-Dawley | Charles River (Calco, LC, Italia) | ||
| Tritritiodiuro de gallamina | Sigma-Aldrich | El compuesto utilizado para curarizar los animales | |
| Cresyl violeta | Sigma-Aldrich | ||
| Antisépticos tópicos (Betadine 10%) | Meda Pharma (Milán, Italia) | ||
| Heparina | Sigma-Aldrich | ||
| Reactivos de formaldehído | Carlo Erba (Pomigliano Milanese, Milán, Italia) |
Referencias
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- Delmas, P., Hao, J., Rodat-Despoix, L. Molecular Mechanisms of Mechanotrasduction in Mammalian Sensory Neurons. Nat. Rev. Neurosci. 12, 139-153 (2011).
- Rasch, M. J., Gretton, A., Murayama, Y., Maass, W., Logothetis, N. K. Inferring spike trains from local field potentials. J. Neurophys. 99 (3), 1461-1476 (2008).
- Galindo-Leon, E. E., Liu, R. C. Predicting stimulus-locked single unit spiking from cortical local field potentials. J. Comput. Neurosci. 29 (3), 581-597 (2010).
- Theunissen, F. E., David, S. V., Singh, N. C., Hsu, A., Vinje, W. E., Gallant, J. L. Estimating spatio-temporal receptive fields of auditory and visual neurons from their responses to natural stimuli. Network. 12 (3), 289 (2001).
- Victor, J. D., Purpura, K. Metric-space analysis of spike trains: theory, algorithms, and application. Network. 8, 127-164 (1997).
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Reimpresiones y permisos
