מעקב אחר עיניים והקלטות של תא העצב היחיד בחולי אפילפסיה של האדם
17 ביוני 2019
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.
יתרון עקרוני של הטכניקה שלנו הוא שהיא מאפשרת הקלטה בו זמנית של מיקום המקרה, גודל האישון, נוירונים בודדים בחולים מושתלים עם אלקטרודות עומק ליד המיטה. זה מאפשר לנו לקבוע אם יש נוירונים במוח האנושי שפעילותם רגישה לתנועות עיניים ולזהות הגירוי הקיבע כיום. בעוד טכניקה זו אינה מיועדת ללמוד מחלה מסוימת, היא מתאימה היטב ללמוד מחלות נוירולוגיות שתוצאתן תנועות עיניים חריגות או מומים מוטוריים אחרים העין.
להדגים את ההליך יהיו ננד צ'נדראבאדיה וג'יימס לי, עמיתי מחקר מהמעבדה שלי. ואריקה קוואן, טכנאית נוירודיגנוסטית בסידרס-סיני. כדי להתחיל, לחבר את האלקטרודות למערכת ההקלטה ולמקם את המטופל יושב זקוף.
לאחר מכן, חבר את מחשב הגירוי למערכת האלקטרופיזיולוגיה וגשש העיניים. הנח את מערכת המעקב מרחוק הלא פולשנית אחר העיניים באמצעות אינפרא-אדום על עגלה ניידת חזקה. לאחר מכן, חבר זרוע גמישה המחזיקה צג LCD לעגלה.
הצב ספק כוח טעון במלואו ללא הפרעה על עגלת המעקב אחר העיניים וחבר את כל ההתקנים הקשורים למעקב אחר העיניים לאספקת החשמל במקום למקור מתח חיצוני. ודא שהתקן IV המחובר למטופל פועל באמצעות סוללה ולא מחובר לקיר. הפעל את תוכנת המעקב אחר העיניים.
כוונן את המרחק בין המטופל למסך ה-LCD ל-60 עד 70 ס"מ. כמו כן, התאימו את זווית מסך ה-LCD כך שמשטח המסך יהיה מקביל בערך לפנים המטופל. מניחים מדבקה על המצח של המטופל, כך מעקב העיניים יכול להתאים לתנועות ראש.
עכשיו, להתאים את גובה המסך יחסית לראשו של המטופל, כך המצלמה של גשש העין הוא בערך בגובה האף של המטופל. ספק למטופל תיבת כפתור או מקלדת. ודא שפעילים מפעילים ולחיצה על לחצנים מוקלטים כראוי לפני הפעלת הניסוי.
הפעל את תוכנת הרכישה. תחילה, בדוק באופן חזותי את פוטנציאל השדה המקומי בפס רחב וודא שהם אינם מזוהמים על-ידי רעשי קו. אחרת בצע הליכים סטנדרטיים כדי להסיר רעש.
כדי לזהות נוירונים בודדים, הלהקה עוברת לסנן את האות מ 300 הרץ לשמונה קילוהרץ. בחר אחד משמונת המיקרו-חוטים כהפניה לכל חבילת מיקרו-חוטים. אפשר שמירת הנתונים כקובץ nrd לפני ההקלטה.
התאימו את המרחק והזווית בין גשש העיניים למטופל, כך שסמן המטרה, מרחק הראש, האישון והשתקפות הקרנית יסומנו כמוכן. הדבר מוצג בירוק בתוכנת המעקב אחר העיניים. לחץ על העין כדי להיות מוקלט ולהגדיר את שיעור הדגימה ל 500 הרץ.
השתמש בהתאמה האוטומטית של סף השתקפות האישון והקרנת. כייל את עוקב העיניים בשיטת הרשת המובנית בתחילת כל בלוק. אשר את תנוחות העין להירשם יפה כמו רשת.
אחרת, לעשות שוב את הכיול. קבל את הכיול ו בצע את האימות. קבל את האימות אם שגיאת האימות המקסימלית היא פחות משתי מעלות ושגיאת האימות הממוצעת היא פחות ממדרגה אחת.
אחרת, לבצע שוב את האימות. לאחר מכן, לבצע תיקון להיסחף ולהמשיך לניסוי בפועל. במשימה זו חיפוש חזותי, להשתמש בגירויים ממחקר קודם שבוצע על ידי קבוצה זו ובצע את הליך המשימה כמתואר קודם לכן.
ספק הוראות משימה למשתתפים. הנחה את המשתתפים למצוא פריט יעד במערך החיפוש ולהגיב בהקדם האפשרי. הנחה את המשתתפים ללחוץ על הכפתור השמאלי של תיבת תגובה אם הם מוצאים את היעד ולחוץ על הכפתור הימני אם הם חושבים שהמטרה נעדרת.
הנחה במפורש את המשתתפים כי יהיו ניסויים בהווה וביעד. הפעל תוכנת הצגת גירוי והפעל את המשימה. הצג רמז יעד לשנייה אחת והצג את מערך החיפוש באמצעות תוכנת הצגת הגירוי.
הקלט את לחצנים ותספק משוב ניסיון למשתתפים. כדי להמחיש את השימוש בשיטה זו, 228 נוירונים בודדים נרשמו מהאונה הרקתית המדיאלית האנושית בזמן שחולים ביצעו משימת חיפוש חזותית כפי שמוצג כאן. במהלך משימה זו, נחקר אם פעילותם של נוירונים הבדילה בין קיבעונות על מטרות ומסיחי דעת.
כאשר התגובות היו מיושרות בלחצת הכפתור, נמצאו נוירונים שהראו פעילות דיפרנציאלית בין ניסויים בהווה למטרה וניסויים ללא מטרה. קווים שחורים מייצגים את תחילתו והיסטו של תור החיפוש. נוירון זה הגדיל את קצב הירי שלו לניסויים בהווה מטרה, אך לא לניסויים ללא מטרה.
לעומת זאת, נוירון זה הפחית את קצב הירי שלו לניסויים בהווה מטרה, אך לא לניסויים ללא מטרה. קבוצת משנה של נוירונים באונה הרקתית המדיאלית הראתה פעילויות שונות באופן משמעותי בין קיבעונות על מטרות לעומת מסיחי דעת. יתר על כן, סוג אחד של נוירון יעד כזה היה תגובה גדולה יותר למטרות יחסית מסיחי דעת ואילו השני היה תגובה גדולה יותר מסיחי דעת ביחס למטרות.
יחד, תוצאה זו מדגימה כי תת קבוצה של נוירונים האונה הרקתית המדיאלית לקודד אם הקיבעון הנוכחי נחת על מטרה או לא. זה קריטי כדי לוודא כי גשש העין אינו מכניס רעש לתוך ההקלטה. יש להסיר כל רעש לפני ביצוע הניסויים.
אם הרעש נמשך, ודא שלמסך המשמש להצגת הגירוי לנושא יש ספק כוח חיצוני. החלף ספקי כוח עבור ספקי כוח באיכות גבוהה יותר המשמשים בדרך כלל עבור יישומי שמע מתקדמים. בעקבות הליך זה, ניתוח של קוצים ותנועות עיניים מבוצעים כדי לחלץ מידע מהנתונים שיאפשרו לחוקר לחקור את התגובות העצביות לתנועות עיניים.
שיטה זו סוללת את הדרך לחקור שאלות רבות שלא נענו הדורשות ניתוח של קיבעונות, כגון כיצד נוירונים נוהגים באופן קולקטיבי קיבעונות לאובייקטים מעניינים בסצנה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מתאר שיטה לביצוע הקלטות של נוירון בודד תוך מעקב סימולטני אחר תנועות עיניים בבני אדם. הטכניקה מאפשרת לחוקרים לחקור פעילות עצבית הקשורה למטרות חיפוש חזותי באונה הרקתית האמצעית האנושית.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מדעי המוח
- אלקטרופיזיולוגיה
- קוגניציה חזותית
רקע
- הקלטות של נוירון בודד מספקות תובנות לתפקוד המוח.
- מעקב אחר עיניים יכול לחשוף כיצד מוקצה תשומת לב חזותית.
- הבנת התגובות העצביות לגירויים חזותיים חיונית למדעי המוח.
- שיטה זו יכולה להיות מיושמת בסביבות קליניות עם מטופלים שיש להם אלקטרודות עומק.
מטרת המחקר
- להדגים טכניקה למעקב סימולטני אחר עיניים והקלטות של נוירון בודד.
- לזהות נוירונים רגישים לתנועות עיניים וגירויים חזותיים.
- להקל על מחקר על מחלות נוירולוגיות המשפיעות על תנועות עיניים.
שיטות בשימוש
- חיבור אלקטרודות למערכת הקלטה.
- מיקום המטופל באופן זקוף לצורך הקלטה מיטבית.
- הקלטת פעילות עצבית תוך מעקב אחר תנועות עיניים.
- ניתוח הקשר בין ירי עצבי למטרות חזותיות.
תוצאות עיקריות
- הוכחה לכדאיות השיטה בסביבה קלינית.
- זיהוי נוירונים באונה הרקתית האמצעית המגיבים לחיפוש חזותי.
- הדגמה כיצד תנועות עיניים משפיעות על הפעילות העצבית.
- מתן בסיס לחקר חריגות מנועיות עיניות.
מסקנות
- הטכניקה יעילה לחקר עיבוד חזותי בבני אדם.
- היא פותחת אפשרויות למחקר על מצבים נוירולוגיים.
- מחקרים עתידיים יכולים לנצל שיטה זו לתובנות עמוקות יותר לתפקוד המוח.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
This method bridges animal neurophysiology and human cognitive neuroscience by enabling simultaneous single-neuron recordings and eye tracking in behaving humans. It provides a direct readout of neuronal correlates of visual attention and target selection, supporting mechanistic de-risking in target validation for neuropsychiatric and neurodegenerative disorders. The approach enhances predictive confidence in preclinical models by validating human-relevant neural mechanisms underlying sensory processing and decision-making.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by linking single-neuron activity to visual target identification in human medial temporal lobe.
- Operational Value: Supports biological de-risking through direct observation of neuronal responses to task-relevant stimuli in a clinically relevant system.
- Predictive Value: Identifies target neurons whose firing reflects top-down attention, offering a biomarker for attentional network function in disease models.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated neuronal-eye movement readouts for downstream compound screening in visual processing assays.
- Operational Value: Ensures assay standardization via synchronized electrophysiology and eye tracking outputs, reducing variability in neuronal response measurements.
- Scalability: Enables platform reuse across cognitive tasks by maintaining stable signal acquisition from depth electrodes and eye tracking systems.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery-phase neuronal targeting mechanisms to preclinical validation through conserved attentional pathways.
- Disease-Relevant System: Applicable to modeling neurological conditions with ocular motor abnormalities, such as Parkinson’s or schizophrenia, where attentional deficits are prevalent.
- Mechanistic De-risking: Clarifies whether candidate compounds modulate specific neuronal populations involved in target vs. distractor discrimination.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from hypothesis testing in early discovery to lead identification via functional validation of neuronal targets involved in visual attention and decision-making.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by isolating neuronal populations that differentially encode target vs. distractor fixations during visual search.
- Screening: Delivers quantitative, spike-sorted neuronal data time-locked to eye movement events, enabling reliable compound effect assessment.
- Analytics: Provides single-unit firing rates and eye movement metrics (position, pupil size) as co-registered readouts for correlational and causal analysis.
- Translational Research: Aligns with biomarker development by identifying neuronal signatures of attentional load and target engagement.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable neurophysiological platform for studying visual cognition across therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by validating human neuronal mechanisms of attention, reducing reliance on inferential models.
- Operational Value: Standardizes multi-modal data acquisition (electrophysiology + eye tracking) for reproducible cross-laboratory use.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early evidence of target engagement in human-relevant neural circuits.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on effects on attentional processing networks.
Implementation Considerations
- Requires expertise in intracranial electrophysiology, eye tracking systems, and behavioral task design.
- Depends on synchronized recording hardware, stimulus presentation software, and noise-minimizing power infrastructure (e.g., UPS, isolated supplies).
- Necessitates cross-team standardization between neurology, neurophysiology, and vision science teams for consistent electrode placement and calibration.
- Involves adaptation considerations for varying electrode locations beyond medial temporal lobe to assess regional specificity of attentional encoding.
- Limited by patient availability and invasiveness; best suited for hypothesis-driven studies rather than high-throughput screening.
