Article de méthode

Suivi oculaire simultané et enregistrements à un seul neurone chez les patients atteints d'épilepsie humaine

DOI :

10.3791/59117

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17 juin 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

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nous décrivons une méthode pour mener des enregistrements d'un seul neurone avec le suivi oculaire simultané chez l'homme. Nous démontrons l'utilité de cette méthode et illustrons comment nous avons utilisé cette approche pour obtenir des neurones dans le lobe temporal médial humain qui codent les cibles d'une recherche visuelle.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les enregistrements intracrâniens de patients présentant l'épilepsie insurmontable fournissent une occasion unique d'étudier l'activité des neurones humains individuels pendant le comportement actif. Un outil important pour quantifier le comportement est le suivi oculaire, qui est un outil indispensable pour étudier l'attention visuelle. Cependant, le suivi des yeux est difficile à utiliser en même temps que l'électrophysiologie invasive et cette approche a par conséquent été peu utilisée. Ici, nous présentons un protocole expérimental prouvé pour mener des enregistrements d'un seul neurone avec le suivi oculaire simultané chez l'homme. Nous décrivons comment les systèmes sont connectés et les paramètres optimaux pour enregistrer les neurones et les mouvements oculaires. Pour illustrer l'utilité de cette méthode, nous résumons les résultats qui ont été rendus possibles par cette configuration. Ces données montrent comment l'utilisation du suivi des yeux dans une tâche de recherche visuelle guidée par la mémoire nous a permis de décrire une nouvelle classe de neurones appelés neurones cibles, dont la réponse était le reflet de l'attention de haut en bas à la cible de recherche actuelle. Enfin, nous discutons de l'importance et des solutions aux problèmes potentiels de cette configuration. Ensemble, notre protocole et nos résultats suggèrent que les enregistrements mononeuron avec suivi oculaire simultané chez l'homme sont une méthode efficace pour étudier la fonction cérébrale humaine. Il fournit un lien manquant clé entre la neurophysiologie animale et les neurosciences cognitives humaines.

Introduction

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Les enregistrements humains à un seul neurone sont un outil unique et puissant pour explorer la fonction du cerveau humain avec une résolution spatiale et temporelle extraordinaire1. Récemment, les enregistrements mononeuron ont gagné une large utilisation dans le domaine des neurosciences cognitives parce qu'ils permettent l'étude directe des processus cognitifs centraux à la cognition humaine. Ces enregistrements sont rendus possibles par la nécessité clinique de déterminer la position des foyers épileptiques, pour lesquels des électrodes de profondeur sont temporairement implantées dans le cerveau des patients présentant l'épilepsie focale suspectée. Avec cette configuration, des enregistrements mononeuron peuvent être obtenus à l'aide de microfils dépassant de la pointe de l'électrode de profondeur hybride (une description détaillée de la méthodologie chirurgicale impliquée dans l'insertion d'électrodes de profondeur hybrides est fournie dans le précédent protocole2). Entre autres, cette méthode a été utilisée pour étudier la mémoire humaine3,4, émotion5,6, et l'attention7,8.

Le suivi des yeux mesure la position du regard et les mouvements oculaires (fixations et saccades) pendant les tâches cognitives. Les traqueurs oculaires basés sur la vidéo utilisent généralement la réflexion cornéenne et le centre de la pupille comme caractéristiques à suivre au fil du temps9. Le suivi des yeux est une méthode importante pour étudier l'attention visuelle parce que l'emplacement du regard indique l'attention pendant la plupart des comportements naturels10,11,12. Le suivi des yeux a été largement utilisé pour étudier l'attention visuelle chez les individus en bonne santé13 et les populations neurologiques14,15,16.

Tandis que les enregistrements d'un seul neurone et le suivi d'oeil sont individuellement employés intensivement chez l'homme, peu d'études ont employé les deux simultanément. En conséquence, il reste encore largement inconnu comment les neurones dans le cerveau humain répondent aux mouvements oculaires et / ou si elles sont sensibles à la stimulation actuellement fixé. Cela contraste avec les études avec des macaques, où le suivi des yeux avec des enregistrements simultanés à un seul neurone est devenu un outil standard. Afin d'étudier directement la réponse neuronale aux mouvements oculaires, nous avons combiné les enregistrements humains d'un seul neurone et le suivi des yeux. Ici, nous décrivons le protocole pour mener de telles expériences et ensuite illustrer les résultats à travers un exemple concret.

Malgré le rôle établi du lobe temporal médial humain (MTL) dans la représentation d'objet17,18 et la mémoire3,19, on reste largement inconnu si les neurones MTL sont modulés en fonction de l'attention descendante aux objectifs pertinents sur le plan comportemental. L'étude de ces neurones est importante pour commencer à comprendre comment l'information pertinente sur les objectifs influence les processus visuels ascendants. Ici, nous démontrons l'utilité du suivi des yeux tout en enregistrant les neurones à l'aide de la recherche visuelle guidée, un paradigme bien connu pour étudier le comportement orienté objectif20,21,22,23, 24 Ans, états-unis , 25. En utilisant cette méthode, nous avons récemment décrit une classe de neurones appelés neurones cibles, ce qui indique si le stimulus actuellement assisté est l'objectif d'une recherche en cours8. Dans ce qui est ci-dessous, nous présentons le protocole d'étude nécessaire pour reproduire cette étude scientifique précédente. Notez que le long de cet exemple, le protocole peut facilement être ajusté pour étudier une tâche d'attention visuelle arbitraire.

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Protocole

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1. Participants

  1. Recruter des patients neurochirurgicaux atteints d'épilepsie insurmontable qui subissent un placement d'électrodes intracrâniennes pour localiser leurs crises d'épilepsie.
  2. Insérez des électrodes de profondeur avec des microfils intégrés dans tous les endroits cibles cliniquement indiqués, qui comprennent généralement un sous-ensemble d'amygdale, d'hippocampe, de cortex cingulaire antérieur et de zone motrice pré-supplémentaire. Voir les détails de l'implantation dans notre protocole précédent2.
  3. Une fois que le patient retourne à l'unité de surveillance de l'épilepsie, connectez l'équipement d'enregistrement pour les enregistrements macro et micro-. Cela comprend la préparation minutieuse d'un head-wrap qui comprend des étapes de tête (voir notre description précédente pour plus de détails2). Ensuite, attendez que le patient se rétablisse de la chirurgie et effectue des tests lorsque le patient est complètement éveillé (généralement au moins 36 à 48 h après la chirurgie).

2. Configuration expérimentale

  1. Connectez l'ordinateur de stimulation au système d'électrophysiologie et au suivi des yeux suivant le diagramme de la figure 1.
  2. Utilisez le système de suivi oculaire infrarouge non invasif à distance (voir tableau des matériaux). Placez le système de suivi des yeux sur un chariot mobile robuste (Figure 1A, B). Au même chariot, attachez un bras flexible qui contient un écran LCD. Utilisez le mode à distance pour suivre la tête et les yeux des patients.
  3. Placez une alimentation sans interruption entièrement chargée (UPS) sur le chariot de suivi oculaire et connectez tous les appareils liés au suivi oculaire (c.-à-d., LCD devant le patient, caméra de suivi des yeux et source lumineuse, et ordinateur hôte de suivi des yeux) à l'ONDu plutôt qu'à une puissance externe source.
  4. Ajuster la distance entre le patient et l'écran LCD à 60-70 cm et ajuster l'angle de l'écran LCD de sorte que la surface de l'écran est approximativement parallèle au visage du patient. Ajustez la hauteur de l'écran par rapport à la tête du patient de telle sorte que la caméra du traqueur oculaire est approximativement à la hauteur du nez du patient.
  5. Fournir au patient la boîte à boutons ou le clavier. Vérifier que les déclencheurs (TTL) et la presse bouton sont enregistrés correctement avant de commencer l'expérience.

3. Enregistrement mononeuron

  1. Démarrer le logiciel d'acquisition. Tout d'abord, inspecter visuellement les potentiels locaux de terrain à large bande (0,1 Hz - 8 kHz) et s'assurer qu'ils ne sont pas contaminés par le bruit de la ligne. Sinon, suivez les procédures standard pour éliminer le bruit (voir Discussion).
  2. Pour identifier les neurones uniques, le passage de bande filtre le signal (300 Hz - 8 KHz). Sélectionnez l'un des huit microfils comme référence pour chaque faisceau de microfils. Testez différentes références et ajustez la référence de sorte que (1) les 7 autres canaux montrent des neurones clairs, et (2) la référence ne contient pas de neurones. Définir la plage d'entrée pour qu'elle soit de 2 000 v.
  3. Activer l'enregistrement des données sous forme de fichier NRD (c.-à-d. le fichier de données brutes à large bande qui sera utilisé pour le tri de pointe hors ligne ultérieure) avant d'enregistrer des données. Fixer le taux d'échantillonnage à 32 kHz.

4. Suivi des yeux

  1. Démarrer le logiciel de suivi des yeux. Parce qu'il s'agit d'un système sans fixation de la tête, placez l'autocollant sur le front du patient afin que le traqueur oculaire puisse s'ajuster pour les mouvements de la tête.
  2. Ajuster la distance et l'angle entre le traqueur oculaire et le patient de sorte que le marqueur cible, la distance de la tête, la pupille et la réflexion cornéenne (CR) soient marqués comme étant prêts (comme le montre en vert dans le logiciel de suivi des yeux; Figure 2 montre un bon exemple d'écran de configuration de la caméra). Cliquez sur l'œil à enregistrer et fixez le taux d'échantillonnage à 500 Hz.
  3. Utilisez l'auto-ajustement de la pupille et le seuil CR. Pour les patients portant des lunettes, ajustez la position et/ou l'angle de l'illuminateur et de la caméra afin que les reflets du verre n'interfèrent pas avec l'acquisition de la pupille.
  4. Calibrer le eye tracker avec la méthode de grille à 9 points intégrée au début de chaque bloc. Confirmez que les positions des yeux (indiquées comme « ô ») s'inscrivent bien comme une grille de 9 points. Sinon, refaites l'étalonnage.
  5. Acceptez l'étalonnage et faites la validation. Acceptez la validation si l'erreur de validation maximale est de 2 euros et que l'erreur de validation moyenne est de 1 .lt. Sinon, refaites la validation.
  6. Ne correction de dérive et de procéder à l'expérience réelle.

5. Tâche

  1. Dans cette tâche de recherche visuelle, utilisez les stimuli de notre étude précédente14 et suivez la procédure de tâche telle que décrite avant8.
  2. Fournir des instructions de tâche aux participants. Demandez aux participants de trouver l'élément cible dans le tableau de recherche et répondez dès que possible. Demandez aux participants d'appuyer sur le bouton gauche d'une boîte de réponse (voir Tableau des matériaux)s'ils trouvent la cible et le bouton droit s'ils pensent que la cible est absente. Instruire explicitement les participants qu'il y aura des essais ciblés et absents.
  3. Démarrer le logiciel de présentation de stimulus (voir Tableau des matériaux) et exécuter la tâche: Présentez un signal cible pour 1 s et présentez le tableau de recherche à l'aide du logiciel de présentation de stimulus. Enregistrez les presses bouton et fournissez des commentaires d'essai par essai (correct, incorrect ou time Out) aux participants.

6. Analyse des données

  1. Étant donné que les systèmes d'acquisition et de suivi des yeux fonctionnent sur différentes horloges, utilisez le fichier journal comportemental pour trouver le horodatage d'alignement pour l'enregistrement de l'électrophysiologie et le suivi des yeux. Associez les déclencheurs de l'enregistrement de l'électrophysiologie et du suivi des yeux avant de procéder à une analyse plus approfondie. Extraire des segments de données selon les horodateurs et les fenêtres d'analyse séparément pour l'enregistrement de l'électrophysiologie et le suivi des yeux.
  2. Utilisez l'algorithme de correspondance de modèle semi-automatique Osort26 et suivez les étapes décrites avant2,26 pour identifier les neurones uniques putatifs. Évaluer la qualité du tri avant de passer à une analyse plus approfondie2.
  3. Pour analyser les données sur les mouvements oculaires, convertissez d'abord les données EDF du tracker oculaire en format ASCII. Aussi, extraire les fixations et les saccades. Ensuite, importez le fichier ASCII et enregistrez les informations suivantes dans un fichier MAT : (1) horodateurs, (2) coordonnées oculaires (x,y), (3) taille de la pupille et (4) horodateurs d'événements. Parsélez l'enregistrement continu dans chaque essai.
  4. Suivez les procédures précédemment décrites pour analyser la corrélation entre les pointes et le comportement8.

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Résultats

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Pour illustrer l'utilisation de la méthode susmentionnée, nous décrivons ensuite brièvement un cas d'utilisation que nous avons récemment publié8. Nous avons enregistré 228 neurones simples du lobe temporal médial humain (MTL; amygdale et hippocampe) pendant que les patients effectuaient une tâche de recherche visuelle (Figure 3A, B). Au cours de cette tâche, nous avons étudié si l'activité des neurones différenciait e...

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Discussion

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Dans ce protocole, nous avons décrit comment employer des enregistrements d'un seul neurone avec le suivi d'oeil concomitant et décrit comment nous avons employé cette méthode pour identifier des neurones cibles dans le MTL humain.

La configuration implique trois ordinateurs : l'un exécutant la tâche (ordinateur de stimulation), un exécutant le traqueur d'oeil, et un exécutant le système d'acquisition. Pour synchroniser entre les trois systèmes, le port parallèle est utilisé pour envoyer des d...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêts.

Remerciements

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Nous remercions tous les patients pour leur participation. Cette recherche a été soutenue par le Rockefeller Neuroscience Institute, l'Autism Science Foundation et la Dana Foundation (à S.W.), un prix NSF CAREER (1554105 à U.R.), et les NIH (R01MH110831 et U01NS098961 à U.R.). Les bailleurs de fonds n'ont joué aucun rôle dans la conception de l'étude, la collecte et l'analyse des données, la décision de publier ou la préparation du manuscrit. Nous remercions James Lee, Erika Quan et le personnel du Cedars-Sinai Simulation Center pour leur aide dans la production de la vidéo de démonstration.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Cedrus Response BoxCedrus (https://cedrus.com/)RB-844 Boîte àboutons
Dell LaptopDell (https://dell.com)Precision 7520Stimulus
Computer EyeLink Eye TrackerSR Research (https://www.sr-research.com)1000 Plus Remote avec ordinateur hôte et support de bras LCDEye tracking
MATLABMathWorks IncR2016a (RRID : SCR_ 001622)Analyse de données
Neuralynx Neurophysiology SystemNeuralynx (https://neuralynx.com)ATLAS 128Electrophysiology
OsortOpen sourcev4.1 (RRID : SCR_015869)Algorithme de tri des pointes
Psychophysique ToolbxOpen sourcePTB3 ( RRID : SCR_002881)Boîte à outils Matlab pour mettre en œuvre des expériences psychophysiques

Références

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Mots-clés

Lobe temporal m dialT che de recherche visuelleNeurones ciblesEnregistrements intracr nienslectroenc phalographieSurveillance de la taille de la pupilleLogiciel de pr sentation de stimuli

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