מאמר שיטה

מעקב אחר עיניים והקלטות של תא העצב היחיד בחולי אפילפסיה של האדם

DOI:

10.3791/59117

⸱

17 ביוני 2019

 ,  ,  , 
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

במאמר זה

סיכום

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

אנו מתארים שיטה לבצע הקלטות של תא העצב בודד עם מעקב העין בו בבני אדם. אנו להדגים את השירות של שיטה זו ולהמחיש כיצד השתמשנו בגישה זו כדי להשיג נוירונים באונה הטמפורלית האנושית האמצעי הקידוד מטרות של חיפוש ויזואלי.

תקציר

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

הקלטות בתוך-גולגולתי מחולים עם אפילפסיה סורר לספק הזדמנות ייחודית ללמוד את הפעילות של נוירונים אנושיים בודדים במהלך התנהגות פעילה. כלי חשוב עבור כימות התנהגות היא מעקב אחר העין, שהוא כלי הכרחי לימוד תשומת לב חזותית. עם זאת, מעקב העין הוא מאתגר להשתמש במקביל עם הפיזיולוגיה פולשנית וגישה זו היתה בשימוש כמעט. . עם מעקב אחר עיניים בבני אדם אנו מתארים כיצד המערכות מחוברות ואת ההגדרות האופטימליות כדי להקליט נוירונים ותנועות עיניים. כדי להמחיש את כלי השירות של שיטה זו, אנו מסכמים תוצאות שנעשו אפשריות על-ידי הגדרה זו. נתונים אלה מראים כיצד להשתמש במעקב אחר מעקב אחר זיכרון מונחה משימת חיפוש חזותי אפשרה לנו לתאר מחלקה חדשה של נוירונים הנקראים נוירונים היעד, אשר התגובה שלו היה משקפים של תשומת לב מלמעלה למטה ליעד החיפוש הנוכחי. לבסוף, אנו דנים בחשיבות ובפתרונות לבעיות פוטנציאליות של הגדרה זו. יחד, הפרוטוקול והתוצאות שלנו מצביעים על כך שהקלטות בודדות עם מעקב אחר עיניים בבני אדם הן שיטה יעילה לחקר תפקוד המוח האנושי. הוא מספק קשר חסר מפתח בין נוירופיזיולוגיה של בעלי חיים ומדעי המוח האנושי קוגניטיבי.

מבוא

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

הקלטות של האדם בעל תא העצב האנושי הן כלי ייחודי ורב עוצמה כדי לחקור את התפקוד של המוח האנושי ברזולוציה יוצאת דופן של המרחב והזמני1. לאחרונה, הקלטות תא העצב היחיד זכו לשימוש נרחב בתחום הפסיכוביולוגיה הקוגניטיבית משום שהם מתירים את החקירה הישירה של תהליכים קוגניטיביים מרכזיים להכרה אנושית. הקלטות אלה מתאפשרת על ידי הצורך הקליני כדי לקבוע את המיקום של מחלת אפילפסיה, אשר אלקטרודות עומק מושתל באופן זמני לתוך המוח של חולים עם חשד מוקד אפילפסיה. עם התקנה זו, הקלטות תא העצב היחיד ניתן להשיג באמצעות המיקרוגל בולטות מקצה אלקטרודה היברידית עומק (תיאור מפורט של מתודולוגיה כירורגית המעורבים החדרת אלקטרודות היברידית העומק מסופק הקודם פרוטוקול2). בין היתר, שיטה זו שימש ללימוד זיכרוןאנושי 3,4, רגש5,6, ותשומת לב7,8.

מעקב אחר העין מודד מיקום ותנועות עיניים (fixcades) במהלך משימות קוגניטיביות. וידאו מבוססי העין עוקבים בדרך כלל להשתמש השתקפות הקרנית ואת מרכז התלמיד כתכונות כדי לעקוב אחרי זמן9. מעקב אחר עיניים היא שיטה חשובה לחקר תשומת לב חזותית מכיוון שמיקום המבט מציין את ההתמקדות של תשומת הלב במהלך התנהגויות טבעיות ביותר10,11,12. מעקב העין נעשה בהרחבה כדי ללמוד תשומת לב חזותית באנשים בריאים13 ואוכלוסיות נוירולוגיות14,15,16.

בעוד הקלטות ומעקב העין הן באופן אינדיבידואלי בשימוש בנפרד בבני אדם, מחקרים מעטים השתמשו בו זמנית. כתוצאה מכך, הוא עדיין אינו ידוע ברובו כיצד נוירונים במוח האנושי מגיבים לתנועות עיניים ו/או אם הם רגישים לגירוי מקובע כרגע. זה בניגוד למחקרים עם מקופי, שם מעקב העין עם הקלטות חד-נוירונים בו הפכה לכלי סטנדרטי. כדי לחקור במישרין את התגובה העצבית לתנועות עיניים, אנו משלבים הקלטות של תא העצב האנושי ומעקב אחר העין. כאן אנו מתארים את הפרוטוקול לערוך ניסויים כאלה ולאחר מכן להמחיש את התוצאות באמצעות דוגמה קונקרטית.

למרות התפקיד הוקם של האונה הטמפורלית הרקתית האנושית (mtl) בשני ייצוג אובייקט17,18 ו זיכרון3,19, זה נשאר בעיקר לא ידוע אם הנוירונים mtl מאופנן כפונקציה של תשומת לב מלמעלה למטה ליעדים רלוונטיים. לימוד נוירונים כאלה חשוב להתחיל להבין כיצד המטרה-מידע רלוונטי משפיע על תהליכים חזותיים מלמטה למעלה. כאן, אנו להדגים את השירות של מעקב העין תוך הקלטת נוירונים באמצעות חיפוש חזותי מודרך, פרדיגמה ידועה ללמוד התנהגות בבימויו של המטרה20,21,22,23, בת 24 , 25. באמצעות שיטה זו, תיארנו לאחרונה מחלקה של נוירונים הנקראים נוירונים היעד, אשר מאותת אם הגירוי הנוכחים כיום הוא המטרה של חיפוש מתמשך8. בהמשך, אנו מציגים את פרוטוקול המחקר הדרוש כדי לשכפל את המחקר המדעי הקודם. שים לב כי בדוגמה זו ניתן לכוונן את הפרוטוקול בקלות כדי ללמוד משימה שרירותית של תשומת לב חזותית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. המשתתפים

  1. לגייס חולים נוירוכירורגית עם אפילפסיה סורר אשר עוברים הצבת אלקטרודות תוך גולגולתי כדי להתאים את התקפים אפילפסיה שלהם.
  2. הוסף אלקטרודות עומק עם המיקרוגל מוטבע לתוך כל מיקומי היעד קלינית המצוין, אשר בדרך כלל כוללים תת-קבוצה של האמיגדלה, ההיפוקמפוס, המעטפת cingulate קדמית ומשלים מראש אזור המנוע. ראה פרטים על השרשה בפרוטוקול הקודם שלנו2.
  3. ברגע המטופל חוזר ליחידת הניטור אפילפסיה, לחבר את ציוד ההקלטה הן מאקרו-הקלטות מיקרו. זה כולל בקפידה הכנת הראש לעטוף הכוללת את שלבי הראש (עיין בתיאור הקודם שלנו לפרטים2). אז, לחכות למטופל להתאושש מהניתוח ולערוך בדיקות כאשר החולה הוא ער לגמרי (בדרך כלל לפחות 36 כדי 48 h לאחר הניתוח).

2. התקנה ניסויית

  1. חבר את מחשב הגירוי למערכת האלקטרופיזיולוגיה ולגשש העיניים בעקבות הדיאגרמה באיור 1.
  2. השתמש במערכת מעקב אחר העין אינפרא-אדום לא פולשנית (ראה טבלת חומרים). הנח את מערכת מעקב העין על עגלה ניידת חזקה (איור 1A, B). לאותה עגלה, צרפו זרוע גמישה המחזיקה בצג LCD. השתמש במצב מרוחק כדי לעקוב אחר הראש והעיניים של המטופלים.
  3. מקום אספקת חשמל טעונה במלואה (UPS) על עגלת מעקב העין ולחבר את כל המכשירים הקשורים מעקב אחר העין (כלומר, LCD מול המטופל, מצלמת גשש העין ומקור אור, ומחשב מארח העין המחשב) אל UPS ולא כוח חיצוני מקור.
  4. התאימו את המרחק בין המטופל למסך ה-LCD עד 60-70 ס מ והתאימו את זווית מסך ה-LCD כך שמשטח המסך יהיה במקביל לפניו של המטופל. התאימו את גובה המסך יחסית לראש המטופל, כך שהמצלמה של גשש העין נמצאת בגובה של האף של המטופל.
  5. לספק למטופל את תיבת הלחצנים או המקלדת. ודא שגורמים מפעילים (TTLs) ולחצו על הלחצן נרשמים כראוי לפני תחילת הניסוי.

3. הקלטה של תא בודד

  1. הפעל את תוכנת הרכישה. ראשית, לבדוק חזותית את הפס הרחב (0.1 Hz-8 kHz) פוטנציאל השדה המקומי ולוודא שהם לא מזוהמים על ידי רעש קו. אחרת, בצע את ההליכים הסטנדרטיים כדי להסיר רעש (ראה דיון).
  2. כדי לזהות נוירונים בודדים, הלהקה-pass-מסנן את האות (300 Hz-8 KHz). בחר באחד משמונת המיקרוגל כהפניה לכל צרור המיקרוגל. בדוק הפניות שונות ולהתאים את ההפניה כך (1) את 7 הערוצים האחרים להראות נוירונים ברורים, ו (2) ההפניה אינה מכילה נוירונים. הגדר את טווח הקלט כ-± 2,000 μV.
  3. הפעל את שמירת הנתונים כקובץ NRD (כלומר, קובץ הנתונים הגולמיים בפס רחב שישמש למיון בלתי מקוון אחר דקר) לפני הקלטת נתונים. הגדר את קצב הדגימה ל-32 kHz.

4. מעקב אחר עיניים

  1. הפעל את תוכנת מעקב העין. מכיוון שזוהי מערכת בעלת קיבוע ראש, הניחו את המדבקה על המצח של המטופל כך שגשש העין יוכל להתאים לתנועות ראש.
  2. כוונן את המרחק והזווית בין גשש העין והחולה כך שסמן היעד, מרחק הראש, התלמיד והשתקפות הקרנית (CR) יסומנו כמוכנים (כפי שמוצג בירוק בתוכנת מעקב העיניים; איור 2 מראה מסך הגדרת מצלמה טובה לדוגמה). לחץ על העין כדי להיות מוקלט ולהגדיר את קצב הדגימה ל 500 Hz.
  3. השתמש בהתאמה אוטומטית של התלמיד ומסף CR. עבור חולים הלובשים משקפיים, להתאים את המיקום ו/או זווית של המאייר והמצלמה כך השתקפויות מן הזכוכית לא יפריע לרכישת התלמיד.
  4. כיול את גשש העין באמצעות שיטת הרשת המובנית של 9 נקודות בתחילת כל בלוק. אשר את מיקומי העיניים (המוצגת כ-"+") רושמים יפה כרשת בעלת 9 נקודות. אחרת, בצע שוב את הכיול.
  5. קבל את הכיול ובצעו את האימות. קבל את האימות אם שגיאת האימות המקסימלית היא < 2 ° ושגיאת האימות הממוצעת היא < 1 °. אחרת, בצע שוב את האימות.
  6. לבצע תיקון הסחף ולהמשיך לניסוי בפועל.

5. משימה

  1. במשימה זו חיפוש ויזואלי, להשתמש בגירויים מן המחקר הקודם שלנו14 ובצע את ההליך המשימה כפי שמתואר לפני8.
  2. ספק הוראות משימה למשתתפים. הנחה את המשתתפים למצוא את פריט היעד במערך החיפוש ולהגיב בהקדם האפשרי. הורה למשתתפים ללחוץ על הלחצן השמאלי של תיבת התגובה (ראה טבלת חומרים) אם הם ימצאו את היעד ואת הלחצן הימני אם הם חושבים שהמטרה נעדרת. הורה במפורש למשתתפים שיהיו משפטי יעד ונעדרים.
  3. התחל תוכנה להצגת תמריצים (ראה טבלת חומרים) והפעל את המשימה: הציגו אות יעד עבור 1 s והציגו את מערך החיפוש באמצעות תוכנת הצגת התמריצים. הקלט לחצן הקלטה ולספק משוב למשפט לפי משפט (נכון, שגוי או פסק זמן) למשתתפים.

6. ניתוח נתונים

  1. בגלל מערכות הרכישה והראייה פועלות על שעונים שונים, השתמש בקובץ יומן ההתנהגות כדי למצוא את חותמת הזמן של היישור עבור הקלטה אלקטרופיזיולוגיה ומעקב אחר העין. להתאים את הגורמים מן הקלטה אלקטרופיזיולוגיה ומעקב העין לפני שתמשיך ניתוח נוסף. חלץ חלקי נתונים על פי חותמות זמן וחלונות ניתוח בנפרד עבור הקלטה אלקטרופיזיולוגיה ומעקב אחר העין.
  2. השתמש באלגוריתם חצי אוטומטי התאמת התבנית osort26 ובצע את השלבים המתוארים לפני2,26 כדי לזהות נוירונים בודדים אחד. העריכו את איכות המיון לפני המעבר לניתוח נוסף2.
  3. כדי לנתח נתונים של תנועת העין, המירו תחילה את נתוני חה כ מגשש העין לפורמט ASCII. כמו כן, לחלץ את התיקונים ואת saccades. לאחר מכן, ייבא את קובץ ה-ASCII ושמור את המידע הבא לתוך קובץ MAT: (1) חותמות זמן, (2) קואורדינטות עין (x, y), (3) גודל התלמיד, ו (4) חותמות זמן אירוע. ניתוח ההקלטה הרציפה לכל משפט.
  4. בצע הליכים שתוארו בעבר כדי לנתח את הקורלציה בין קוצים והתנהגות8.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

כדי להמחיש את השימוש בשיטה הנ ל, אנו מתארים בקצרה את השימוש במקרה שפרסמנו לאחרונה8. הקלטנו 228 יחיד נוירונים מן האונה הטמפורלית האנושית (MTL; האמיגדלה וההיפוקמפוס) בעוד המטופלים ביצעו משימה חיפוש ויזואלי (איור 3A, B). במהלך משימה זו, חקרנו אם הפעילות של הנוירונים הבדיל בין התיקונים על מטרות ושחקנים ההסיח.

ראשית, כאשר אנו ליישר את התגובות על לחצן העיתונות, הנו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

בפרוטוקול זה, תיארנו כיצד להעסיק הקלטות חד-הנוירונים עם מעקב עין בו ותיאר כיצד השתמשנו בשיטה זו כדי לזהות נוירונים היעד ב-MTL האנושי.

הכיוונון כולל שלושה מחשבים: אחד המבצע את המשימה (מחשב גירוי), אחד להפעיל את גשש העין, ואחד פועל את מערכת הרכישה. כדי לסנכרן בין שלוש המערכות, היציאה המקבילית משמשת לשליחת מפעילים ממחשב הגירוי למערכת האלקטרופיזיולוגיה (איור 1C). במקביל, מחשב הגירוי שולח את אותו TTLs באמצעות כבל ethernet לגשש העין. המחשב הגירוי צריך להיות יציאה מקבילי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

המחברים לא מצהירים. על ניגוד אינטרסים

תודות

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

אנו מודים לכל המטופלים על השתתפותם. מחקר זה נתמך על ידי מכון רוקפלר במדעי המוח, הקרן למדע האוטיזם וקרן דנה (כדי S.W.), פרס NSF קריירה (1554105 כדי U.R.), ו-NIH (R01MH110831 וU01NS098961 ל U.R.). לתורמים לא היה כל תפקיד בתכנון לימוד, איסוף נתונים וניתוח, החלטה לפרסם או הכנת כתב היד. אנו מודים לג לי, לאריקה קוואן ולצוות המרכז לסימולציה ארזים-סיני על עזרתם בהפקת סרטון הדגמה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
Cedrus Response BoxCedrus (https://cedrus.com/)RB-844Button Box Dell
LaptopDell (https://dell.com)Precision 7520Stimulus Computer
EyeLink Eye TrackerSR Research (https://www.sr-research.com)1000 Plus Remote עם מחשב מארח מחשב נייד ותושבת זרוע LCDמעקב אחר העיניים
MATLABMathWorks IncR2016a (RRID: SCR_ 001622)ניתוח נתונים
מערכת נוירופיזיולוגיה של NeuralynxNeuralynx (https://neuralynx.com)ATLAS 128אלקטרופיזיולוגיה
Osortקוד פתוחv4.1 (RRID: SCR_015869)אלגוריתם מיון ספייק
Psychophysics Toolbxקוד פתוחPTB3 (RRID: SCR_002881)ארגז כלים של Matlab ליישום ניסויים פסיכופיזיים

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים