Artículo de método

Seguimiento ocular simultáneo y grabaciones de una sola neurona en pacientes con epilepsia humana

DOI:

10.3791/59117

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17 de junio de 2019

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1Department of Chemical and Biomedical Engineering, and Rockefeller Neuroscience Institute, West Virginia University, 2Departments of Neurosurgery and Neurology, Cedars-Sinai Medical Center, 3Center for Neural Science and Medicine, Department of Biomedical Sciences, Cedars-Sinai Medical Center, 4Division of Biology and Biological Engineering, California Institute of Technology

En este artículo

Resumen

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Describimos un método para llevar a cabo grabaciones de una sola neurona con seguimiento ocular simultáneo en humanos. Demostramos la utilidad de este método e ilustramos cómo usamos este enfoque para obtener neuronas en el lóbulo temporal medial humano que codifican objetivos de una búsqueda visual.

Resumen

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Las grabaciones intracraneales de pacientes con epilepsia intratable proporcionan una oportunidad única para estudiar la actividad de las neuronas humanas individuales durante el comportamiento activo. Una herramienta importante para cuantificar el comportamiento es el seguimiento ocular, que es una herramienta indispensable para estudiar la atención visual. Sin embargo, el seguimiento ocular es difícil de usar simultáneamente con la electrofisiología invasiva y, por lo tanto, este enfoque se ha utilizado poco. Aquí, presentamos un protocolo experimental probado para llevar a cabo grabaciones de una sola neurona con seguimiento ocular simultáneo en humanos. Describimos cómo los sistemas están conectados y los ajustes óptimos para registrar las neuronas y los movimientos oculares. Para ilustrar la utilidad de este método, resumimos los resultados que fueron posibles gracias a esta configuración. Estos datos muestran cómo el uso del seguimiento ocular en una tarea de búsqueda visual guiada por memoria nos permitió describir una nueva clase de neuronas llamadas neuronas objetivo, cuya respuesta reflejaba la atención de arriba hacia abajo al objetivo de búsqueda actual. Por último, analizamos la importancia y las soluciones a los posibles problemas de esta configuración. Juntos, nuestro protocolo y los resultados sugieren que las grabaciones de una sola neurona con seguimiento ocular simultáneo en seres humanos son un método eficaz para estudiar la función cerebral humana. Proporciona un vínculo clave entre la neurofisiología animal y la neurociencia cognitiva humana.

Introducción

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Las grabaciones humanas de una sola neurona son una herramienta única ypoderosa para explorar la función del cerebro humano con una resolución espacial y temporal extraordinaria 1. Recientemente, grabaciones de una sola neurona han ganado un amplio uso en el campo de la neurociencia cognitiva porque permiten la investigación directa de los procesos cognitivos centrales para la cognición humana. Estas grabaciones son posibles gracias a la necesidad clínica de determinar la posición de los focos epilépticos, para los cuales los electrodos de profundidad se implantan temporalmente en el cerebro de los pacientes con sospecha de epilepsia focal. Con esta configuración, las grabaciones de una sola neurona se pueden obtener utilizando microhilos que sobresalen de la punta del electrodo de profundidad híbrido (una descripción detallada de la metodología quirúrgica implicada en la inserción de electrodos de profundidad híbridos se proporciona en el anterior protocolo2). Entre otros, este método se ha utilizado para estudiar la memoria humana3,4, emoción5,6, y la atención7,8.

El seguimiento ocular mide la posición de la mirada y los movimientos oculares (fijaciones y saccades) durante las tareas cognitivas. Los rastreadores oculares basados en vídeo suelen utilizar el reflejo corneal y el centro de la pupila como características para realizar un seguimiento a lo largo del tiempo9. El seguimiento ocular es un método importante para estudiar la atención visual porque la ubicación de la mirada indica el foco de atención durante la mayoría de los comportamientos naturales10,11,12. El seguimiento ocular se ha utilizado ampliamente para estudiar la atención visual en individuos sanos13 y poblaciones neurológicas14,15,16.

Mientras que las grabaciones de una sola neurona y el seguimiento ocular se utilizan individualmente ampliamente en seres humanos, pocos estudios han utilizado ambos simultáneamente. Como resultado, todavía se desconoce en gran medida cómo las neuronas en el cerebro humano responden a los movimientos oculares y / o si son sensibles al estímulo actualmente fijado. Esto contrasta con los estudios con macacos, donde el seguimiento ocular con grabaciones simultáneas de una sola neurona se ha convertido en una herramienta estándar. Con el fin de investigar directamente la respuesta neuronal a los movimientos oculares, combinamos grabaciones humanas de una sola neurona y seguimiento ocular. Aquí describimos el protocolo para llevar a cabo estos experimentos y luego ilustramos los resultados a través de un ejemplo concreto.

A pesar del papel establecido del lóbulo temporal medial humano (MTL) tanto en la representación de objetos17,18 y la memoria3,19, sigue siendo en gran medida desconocido si las neuronas MTL se modulan en función de atención de arriba hacia abajo a objetivos relevantes para el comportamiento. Estudiar estas neuronas es importante para empezar a entender cómo la información relevante para objetivos influye en los procesos visuales de abajo hacia arriba. Aquí, demostramos la utilidad del seguimiento ocular mientras se registran las neuronas mediante la búsqueda visual guiada, un paradigma bien conocido para estudiar el comportamiento dirigido a objetivos20,21,22,23, 24 , 25. Usando este método, recientemente describimos una clase de neuronas llamadas neuronas objetivo, que indica si el estímulo actualmente atendido es el objetivo de una búsqueda continua8. A continuación, presentamos el protocolo de estudio necesario para reproducir este estudio científico anterior. Tenga en cuenta que a lo largo de este ejemplo, el protocolo se puede ajustar fácilmente para estudiar una tarea de atención visual arbitraria.

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Protocolo

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1. Participantes

  1. Reclutar pacientes neuroquirúrgicos con epilepsia intratable que estén en proceso de colocación de electrodos intracraneales para localizar sus convulsiones epilépticas.
  2. Inserte electrodos de profundidad con microhilos incrustados en todas las ubicaciones objetivo clínicamente indicadas, que normalmente incluyen un subconjunto de amígdala, hipocampo, corteza cingulada anterior y área motora presuplementada. Ver detalles para la implantación en nuestro protocolo anterior2.
  3. Una vez que el paciente regrese a la unidad de monitoreo de epilepsia, conecte el equipo de grabación para macro- y micro-grabaciones. Esto incluye preparar cuidadosamente un envoltorio para la cabeza que incluya etapas de la cabeza (consulte nuestra descripción anterior para obtener más información2). Luego, espere a que el paciente se recupere de la cirugía y realice pruebas cuando el paciente esté completamente despierto (normalmente al menos 36 a 48 h después de la cirugía).

2. Configuración experimental

  1. Conecte el ordenador de estímulo al sistema de electrofisiología y al rastreador ocular siguiendo el diagrama de la Figura1.
  2. Utilice el sistema remoto de seguimiento ocular infrarrojo no invasivo (ver Tabla de materiales). Coloque el sistema de seguimiento ocular en un carro móvil robusto (Figura1A,B). En el mismo carro, coloque un brazo flexible que sostenga una pantalla LCD. Utilice el modo remoto para rastrear la cabeza y los ojos de los pacientes.
  3. Coloque una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) completamente cargada en el carro de seguimiento ocular y conecte todos los dispositivos relacionados con el seguimiento ocular (es decir, LCD delante del paciente, la cámara de seguimiento de ojos y la fuente de luz, y el ordenador host del rastreador de ojos) al SAI en lugar de a una alimentación externa Fuente.
  4. Ajuste la distancia entre el paciente y la pantalla LCD a 60-70 cm y ajuste el ángulo de la pantalla LCD para que la superficie de la pantalla sea aproximadamente paralela a la cara del paciente. Ajuste la altura de la pantalla en relación con la cabeza del paciente de modo que la cámara del rastreador ocular esté aproximadamente a la altura de la nariz del paciente.
  5. Proporcione al paciente la caja de botones o el teclado. Compruebe que los desencadenadores (TTIL) y la pulsación de botón se graban correctamente antes de iniciar el experimento.

3. Grabación de una sola neurona

  1. Inicie el software de adquisición. En primer lugar, inspeccione visualmente los potenciales de campo local de banda ancha (0,1 Hz - 8 kHz) y asegúrese de que no estén contaminados por el ruido de línea. De lo contrario, siga los procedimientos estándar para eliminar el ruido (consulte Discusión).
  2. Para identificar neuronas individuales, filtro de paso de banda de la señal (300 Hz - 8 KHz). Seleccione uno de los ocho microcables como referencia para cada paquete de microhilos. Pruebe diferentes referencias y ajuste la referencia para que (1) los otros 7 canales muestren neuronas claras, y (2) la referencia no contenga neuronas. Establezca el rango de entrada en 2.000 V.
  3. Habilite guardar los datos como un archivo NRD (es decir, el archivo de datos sin procesar de banda ancha que se utilizará para la posterior clasificación de picos fuera de línea) antes de registrar los datos. Ajuste la frecuencia de muestreo a 32 kHz.

4. Seguimiento de los ojos

  1. Inicie el software de seguimiento ocular. Debido a que es un sistema libre de fijación de la cabeza, coloque la etiqueta en la frente del paciente para que el rastreador de ojos pueda ajustarse para los movimientos de la cabeza.
  2. Ajuste la distancia y el ángulo entre el rastreador de ojos y el paciente para que el marcador objetivo, la distancia de la cabeza, la pupila y la reflexión corneal (CR) estén marcados como listos (como se muestra en verde en el software de seguimiento ocular; La Figura 2 muestra una buena pantalla de configuración de la cámara de ejemplo). Haga clic en el ojo que desea grabar y establezca la frecuencia de muestreo en 500 Hz.
  3. Utilice el ajuste automático de la pupila y el umbral CR. Para los pacientes que llevan gafas, ajuste la posición y/o el ángulo del iluminador y la cámara para que los reflejos del vidrio no interfieran con la adquisición de la pupila.
  4. Calibre el rastreador de ojos con el método de rejilla de 9 puntos integrado al principio de cada bloque. Confirme que las posiciones de los ojos (mostradas como "+") se registren muy bien como una cuadrícula de 9 puntos. De lo contrario, rehacer la calibración.
  5. Acepte la calibración y realice la validación. Acepte la validación si el error de validación máximo es < 2o y el error de validación promedio es < 1o. De lo contrario, vuelva a realizar la validación.
  6. Realice la corrección de deriva y proceda al experimento real.

5. Tarea

  1. En esta tarea de búsqueda visual, utilice los estímulos de nuestro estudio anterior14 y siga el procedimiento de tarea descrito antesde 8.
  2. Proporcionar instrucciones de tarea a los participantes. Indique a los participantes que busquen el elemento de destino en la matriz de búsqueda y respondan lo antes posible. Indique a los participantes que presionen el botón izquierdo de un cuadro de respuesta (consulte Tabla de materiales)si encuentran el objetivo y el botón derecho si creen que el objetivo está ausente. Instruya explícitamente a los participantes que habrá ensayos de destino presentey y ausentes de destino.
  3. Inicie el software de presentación de estímulos (consulte Tabla de materiales)y ejecute la tarea: Presentar una cue de destino para 1 s y presentar la matriz de búsqueda utilizando el software de presentación de estímulo. El botón Grabar presiona y proporciona comentarios de prueba por prueba (Correcto, Incorrecto o Tiempo de espera) a los participantes.

6. Análisis de datos

  1. Debido a que los sistemas de adquisición y seguimiento ocular se ejecutan en diferentes relojes, utilice el archivo de registro de comportamiento para encontrar la marca de tiempo de alineación para el registro de electrofisiología y el seguimiento ocular. Haga coincidir los desencadenantes del registro de electrofisiología y el seguimiento ocular antes de continuar con el análisis. Extraiga segmentos de datos de acuerdo con marcas de tiempo y ventanas de análisis por separado para el registro de electrofisiología y el seguimiento ocular.
  2. Utilice el algoritmo de coincidencia de plantillas semiautomáticaOsorte2 y siga los pasos descritos antes de 2,26 para identificar las neuronas individuales putativas. Evalúe la calidad de la clasificación antes de pasar a un análisis adicional2.
  3. Para analizar los datos de movimiento ocular, primero convierta los datos EDF del rastreador de ojos en formato ASCII. Además, extrae fijaciones y saccades. A continuación, importe el archivo ASCII y guarde la siguiente información en un archivo MAT: (1) marcas de tiempo, (2) coordenadas oculares (x,y), (3) tamaño de alumno y (4) marcas de tiempo de evento. Analice la grabación continua en cada prueba.
  4. Siga los procedimientos descritos anteriormente para analizar la correlación entre los picos y el comportamiento8.

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Resultados

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Para ilustrar el uso del método antes mencionado, a continuación describimos brevemente un caso de uso que publicamos recientemente8. Grabamos 228 neuronas individuales del lóbulo temporal medial humano (MTL; amígdala e hipocampo) mientras los pacientes realizaban una tarea de búsqueda visual (Figura3A,B). Durante esta tarea, investigamos si la actividad de las neuronas se diferenciaba entre fijaciones en objetivos y d...

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Discusión

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En este protocolo, describimos cómo emplear grabaciones de una sola neurona con seguimiento ocular simultáneo y describimos cómo usamos este método para identificar las neuronas objetivo en el MTL humano.

La configuración implica tres equipos: uno ejecutando la tarea (ordenador de estímulo), uno que ejecuta el rastreador de ojos y otro que ejecuta el sistema de adquisición. Para sincronizar entre los tres sistemas, el puerto paralelo se utiliza para enviar disparadores TTL desde el ordenador d...

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Divulgaciones

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Los autores no declaran conflicto de intereses.

Agradecimientos

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Agradecemos a todos los pacientes por su participación. Esta investigación fue apoyada por el Rockefeller Neuroscience Institute, la Autism Science Foundation y la Dana Foundation (a S.W.), un premio NSF CAREER (1554105 a U.R.), y el NIH (R01MH110831 y U01NS098961 a U.R.). Los funderos no tenían ningún papel en el diseño del estudio, la recopilación y el análisis de datos, la decisión de publicar o la preparación del manuscrito. Agradecemos a James Lee, Erika Quan y al personal del Centro de Simulación Cedars-Sinai por su ayuda en la producción del video de demostración.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Caja de respuesta CedrusCedrus (https://cedrus.com/)RB-844 Caja debotones
Dell LaptopDell (https://dell.com)Precision 7520Stimulus
Eye Tracker EyeLink SRResearch (https://www.sr-research.com)1000 Plus Remoto con computadora portátil y soporte de brazo LCDSeguimiento ocular
MATLABMathWorks IncR2016a (RRID: SCR_ 001622)datos
Neuralynx Sistema de neurofisiologíaNeuralynx (https://neuralynx.com)ATLAS 128Electrofisiología
OsortOpen sourcev4.1 (RRID: SCR_015869)Algoritmo de clasificación de picos
Psychophysics ToolbxCódigo abiertoPTB3 ( RRID: SCR_002881)Caja de herramientas de Matlab para implementar experimentos psicofísicos
Análisis de

Referencias

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  1. Fried, I., Rutishauser, U., Cerf, M., Kreiman, G. Single Neuron Studies of the Human Brain: Probing Cognition. , MIT Press. Boston. (2014).
  2. Minxha, J., Mamelak, A. N., Rutishauser, U. Surgical and Electrophysiological Techniques for Single-Neuron Recordings in Human Epilepsy Patients. Extracellular Recording Approaches. Sillitoe, R. V. , Springer New York. New York, NY. 267-293 (2018).
  3. Rutishauser, U., Mamelak, A. N., Schuman, E. M. Single-Trial Learning of Novel Stimuli by Individual Neurons of the Human Hippocampus-Amygdala Complex. Neuron. 49, 805-813 (2006).
  4. Rutishauser, U., Ross, I. B., Mamelak, A. N., Schuman, E. M. Human memory strength is predicted by theta-frequency phase-locking of single neurons. Nature. 464, 903-907 (2010).
  5. Wang, S., et al. Neurons in the human amygdala selective for perceived emotion. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111, E3110-E3119 (2014).
  6. Wang, S., et al. The human amygdala parametrically encodes the intensity of specific facial emotions and their categorical ambiguity. Nature Communications. 8, 14821(2017).
  7. Minxha, J., et al. Fixations Gate Species-Specific Responses to Free Viewing of Faces in the Human and Macaque Amygdala. Cell Reports. 18, 878-891 (2017).
  8. Wang, S., Mamelak, A. N., Adolphs, R., Rutishauser, U. Encoding of Target Detection during Visual Search by Single Neurons in the Human Brain. Current Biology. 28, 2058-2069 (2018).
  9. Holmqvist, K., et al. Eye tracking: A comprehensive guide to methods and measures. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2011).
  10. Liversedge, S. P., Findlay, J. M. Saccadic eye movements and cognition. Trends in Cognitive Sciences. 4, 6-14 (2000).
  11. Rehder, B., Hoffman, A. B. Eyetracking and selective attention in category learning. Cognitive Psychology. 51, 1-41 (2005).
  12. Blair, M. R., Watson, M. R., Walshe, R. C., Maj, F. Extremely selective attention: Eye-tracking studies of the dynamic allocation of attention to stimulus features in categorization. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition. 35, 1196(2009).
  13. Rutishauser, U., Koch, C. Probabilistic modeling of eye movement data during conjunction search via feature-based attention. Journal of Vision. 7, (2007).
  14. Wang, S., et al. Autism spectrum disorder, but not amygdala lesions, impairs social attention in visual search. Neuropsychologia. 63, 259-274 (2014).
  15. Wang, S., et al. Atypical Visual Saliency in Autism Spectrum Disorder Quantified through Model-Based Eye Tracking. Neuron. 88, 604-616 (2015).
  16. Wang, S., Tsuchiya, N., New, J., Hurlemann, R., Adolphs, R. Preferential attention to animals and people is independent of the amygdala. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 10, 371-380 (2015).
  17. Fried, I., MacDonald, K. A., Wilson, C. L. Single Neuron Activity in Human Hippocampus and Amygdala during Recognition of Faces and Objects. Neuron. 18, 753-765 (1997).
  18. Kreiman, G., Koch, C., Fried, I. Category-specific visual responses of single neurons in the human medial temporal lobe. Nature Neuroscience. 3, 946-953 (2000).
  19. Squire, L. R., Stark, C. E. L., Clark, R. E. The Medial Temporal Lobe. Annual Review of Neuroscience. 27, 279-306 (2004).
  20. Chelazzi, L., Miller, E. K., Duncan, J., Desimone, R. A neural basis for visual search in inferior temporal cortex. Nature. 363, 345-347 (1993).
  21. Schall, J. D., Hanes, D. P. Neural basis of saccade target selection in frontal eye field during visual search. Nature. 366, 467-469 (1993).
  22. Wolfe, J. M. What Can 1 Million Trials Tell Us About Visual Search? Psychological Science. 9, 33-39 (1998).
  23. Wolfe, J. M., Horowitz, T. S. What attributes guide the deployment of visual attention and how do they do it? Nature Review Neuroscience. 5, 495-501 (2004).
  24. Sheinberg, D. L., Logothetis, N. K. Noticing Familiar Objects in Real World Scenes: The Role of Temporal Cortical Neurons in Natural Vision. The Journal of Neuroscience. 21, 1340-1350 (2001).
  25. Bichot, N. P., Rossi, A. F., Desimone, R. Parallel and Serial Neural Mechanisms for Visual Search in Macaque Area V4. Science. 308, 529-534 (2005).
  26. Rutishauser, U., Schuman, E. M., Mamelak, A. N. Online detection and sorting of extracellularly recorded action potentials in human medial temporal lobe recordings, in vivo. Journal of Neuroscience Methods. 154, 204-224 (2006).

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