Un dispositivo di stimolazione semplice per evocare Point-like stimoli tattili: una ricerca per LFP a Spike Transitions

Sommario

Per chiarire il complesso passaggio dal locale campo Potenziali (LFP) per picchi uno stimolatore adatto a stimoli periferici meccanici leggeri è stato costruito. Come applicazione, le attività spiking registrati dalla corteccia somatosensoriale sono stati analizzati mediante una strategia di ottimizzazione multi-obiettivo. I risultati hanno dimostrato che lo stimolatore proposto è in grado di fornire stimoli tattili con millisecondo e precisioni millimetriche.

Abstract

Ricerca neurofisiologica attuale ha l'obiettivo di sviluppare metodologie per studiare il percorso del segnale da neurone a neurone, vale a dire le transizioni da punte a locali di campo Potenziali (LFP) e da LFPs a picchi.

LFPs hanno una dipendenza complessa attività picco e la loro relazione è ancora poco conosciuti ^1. Il chiarimento di questi rapporti di segnale sarebbe utile sia per la diagnostica clinica (ad esempio paradigmi di stimolazione per Deep Brain Stimulation) e per una più profonda comprensione delle strategie di codifica neurale in condizioni normali e patologiche (ad esempio l'epilessia, morbo di Parkinson, dolore cronico). A questo scopo, si deve risolvere problemi tecnici relativi ai dispositivi di stimolazione, paradigmi di stimolazione e analisi computazionali. Pertanto, un dispositivo di stimolazione su misura è stato sviluppato al fine di fornire stimoli ben regolamentate nello spazio e nel tempo che non incorrono in risonanza meccanica. Successivamente,come esemplificazione, un insieme di relazioni LFP-spike affidabili è stato estratto.

Le prestazioni del dispositivo è stato studiato da registrazioni extracellulari, picchi congiuntamente e risposte LFP agli stimoli applicati, dal ratto corteccia somatosensoriale primaria. Quindi, mediante una strategia di ottimizzazione multi-obiettivo, un modello predittivo per verificarsi spike basato su LFPs stato stimato.

L'applicazione di questo paradigma indica che il dispositivo sia adeguatamente adatta per fornire stimolazione tattile frequenza elevata, superando attuatori piezoelettrici comuni. A dimostrazione dell'efficacia del dispositivo, i seguenti risultati sono stati presentati: 1) la sincronizzazione e l'affidabilità delle risposte LFP ben corrispondano alle risposte spike, 2) LFPs sono sensibili alla storia stimolazione e catturare non solo la risposta media, ma anche la prova-a-prova fluttuazioni dell'attività picco e, infine, 3) utilizzando il segnale LFP è possibile stimare un intervallo of modelli predittivi che catturano diversi aspetti dell'attività picco.

Introduzione

Nell'ambito del segnale elaborazione della risposta all'impulso fornisce una fondamentale caratterizzazione del comportamento di un sistema dinamico.

Anche se lo stimolo impulso ideale non è praticamente realizzabile, è possibile avere una ragionevole approssimazione di esso utilizzando un elemento attuatore che genera spostamenti ad alta frequenza. Questo tipo di stimolazione tattile-vibratoria luce è noto per obiettivo sia profondo della pelle (ad esempio, risposta rapida, veloce adattamento corpuscoli di Pacini) ² e recettori superficiali (es. bassa soglia lentamente adattando Merkel strutture discoidali) ^2.

Dispositivi di stimolazione correnti, attuatori piezoelettrici soprattutto, sono accusati di una serie di inconvenienti, non meno risonanze e piccoli spostamenti. Per superare questi difetti, un'implementazione alternativa di stimolazione impulso-come viene proposto utilizzando una punta smussata (un cactus lisciato punta nel nostro caso) in verticalemontato sul centro membrana di un cono diffusore intermedio. Ciò fornisce il vantaggio di cilindrata superiore e spettro di frequenze più ampio.

Un'applicazione efficace di un tale dispositivo è stato lo studio del problema neurofisiologico dedicata del LFPs a picchi di dipendenza. A causa dell'associazione sottile temporale tra questi eventi elettrici di un dispositivo finemente regolato era necessaria per l'erogazione di stimoli periferici. Gli stimoli dovevano essere il più veloce e spazialmente selettiva possibile al fine di ridurre il "rumore di fondo" e affinare i segnali di interesse. Per questo scopo, il dispositivo di stimolazione e il protocollo di recapito stimolo sono stati ottimizzati congiuntamente per l'attività. In questo articolo, descriviamo la tecnica e presentiamo alcuni risultati rappresentativi.

Un protocollo di stimolazione basata su randomizzati impulsi appaiati è stata progettata e ottimizzata per evitare assuefazione. Questo protocollo ha il merito di coppia classicaEd impulsi e ridotto la possibilità di bloccaggio spuria tra stimoli e spontanee esplosioni periodiche di attività neuronale.

Utilizzando questo randomizzato impulsi appaiati è stato possibile ottenere LFP e Spike risposte veloci e affidabili e per catturare la particolarità di queste risposte legate alla dipendenza delle LFPs e picchi sulla storia di stimolazione. Infatti, dalle risposte LFP prime, una serie di tre LFP offre (LFP sé, la LFP derivata prima e la fase della derivata prima) fortemente correlato con la risposta media spike, è stato anche estratto.

Pochi metodi sono stati proposti per adattare i modelli che predicono i picchi di LFPs ^3,4. In generale un punto critico del processo di adattamento del modello, comune anche alla previsione di evento spike dal segnale di stimolo, è costituito dalla scelta appropriata della funzione obiettivo da massimizzare / minimizzare. Mentre una serie di funzioni obiettivo è proporred (ad esempio, la correlazione e coerenza) ⁵ nessuna di queste cattura congiuntamente l'intera complessità delle risposte picco. Di conseguenza, viene introdotto un quadro romanzo basato sulla ottimizzazione multi-obiettivo. Abbiamo dimostrato che utilizzando il proposto ideato e questo quadro computazionale è possibile stimare un insieme di modelli predittivi basato su forte LFP a picco relazioni.

Protocollo

Dichiarazione etica

Per studiare come stimoli sensoriali sono rappresentati da attività neuronale non esistono alternative all'uso degli animali e l'uso di un approccio in vivo. Tutti gli animali sono stati trattati lungo le leggi italiane ed europee in materia di trattamento degli animali nella ricerca scientifica (Comitato di Bioetica italiano, il decreto legge sul trattamento degli animali nella ricerca, 27 Gennaio 1992, n ° 116). Il Consiglio Nazionale delle Ricerche, dove sono stati eseguiti gli esperimenti, aderisce al Comitato internazionale Laboratory Animal Science (ICLAS) per conto della United Nations Educational, Scientific e delle Organizzazioni Culturali (UNESCO), il Consiglio delle Organizzazioni Internazionali delle Scienze Mediche (CIOMS ) e dall'Unione Internazionale di Scienze Biologiche (IUBS). Come tale, senza una specifica approvazione protocollo è stato richiesto. L'approvazione del Ministero della Salute è classificato come "Biella 1, 3/2011" nei file del Comitato EticoUniversità degli Studi di Milano.

1. Preparazione degli animali da laboratorio

1. Selezionare ratti maschi di circa 300-400 g dimensioni.
2. Anestetizzare i ratti per la preparazione sperimentale.
   1. Iniettare per via intraperitoneale una soluzione barbiturico (pentobarbital 50 mg / kg per induzione, 10 mg / kg per la manutenzione).
   2. Controllare il livello di anestesia da una bassa soglia e soglia alta stimoli meccanici su una zampa garantire che non si verifichino riflesso di retrazione.
   3. Preparare la pelle del cranio con la rasatura della volta cranica con precisione e poi fare un'incisione per esporre la superficie cranica.
   4. Incannulare la trachea, da una cannula tracheale (diametro interno di 2 mm e diametro esterno di 2,5 mm) fissandolo mediante legatura chirurgica intorno alla trachea stessa.
   5. Lateralmente al segmento tracheale esporre la vena giugulare e incannulare si inserisce una cannula (PE10) collegato ad una siringa fissaggio mediante legatura chirurgica intorno al vaso.
3. Montare il ratto su un apparato stereotassico.
   1. Fissare il corpo ratto e posto in posizione supina.
   2. Fissare la testa dalle barre orecchio e bloccare il muso. Mettere una o due gocce di anestetico locale (lidocaina) all'orecchio del ratto prima di effettuare bar orecchio.
4. Regolare la temperatura della piastrina stereotassico da un cuscinetto riscaldante controllato elettronicamente, mantenendo la temperatura a 37,5 ° C.
5. Collegare il tubo tracheale al dispositivo anestesia respiratorio.
   1. Impostare il dispositivo anestesia respiratorio ad 1 colpo / s offrendo isoflurano (2,5% 0,4-0,8 L / min) e O ₂ (,15-0,2 L / min).
6. Pulire accuratamente la volta cranica da un povidone-iodio antisettico topico.
7. Prendere un bisturi sterile e tagliare longitudinalmente sulla linea mediana dalla base del muso all'angolo dell'osso occipitale.
   1. Divaricare i bordi della ferita da un divaricatore e fissarli da due piccole pinze cocker applicato to le frontiere della ferita.
   2. Identificare il periostio puntando una luce su un deposito teschio osservando la superficie traslucida. Graffiare accuratamente la volta ossea rimozione del periostio e esponendo la superficie dell'osso.
   3. Fornire emostasi con una punta di cotone o una spugna chirurgica sulla superficie dell'osso se emorragie focali appaiono sopra l'osso.
8. Con una penna a punta fine, identificare il punto bregma stereotassica presso il punto croce dei suturas mediosagittal e coronali.
   1. Sotto il controllo del microscopio chirurgico, identificare l'area stereotassica (S1HL) sovrapponendo la corteccia somatosensoriale controlaterale alla zampa posteriore, utilizzata per l'esperimento (Bregma, AP -0.5 a 1,2 mm, LL -2,3 a 2,5 mm).
9. Con una penna a punta fine disegnare il perimetro quadrato che delimita il foro da forare.
   1. Praticare un ² foro 9 mm quadrato blu precedentemente identificato rimuovere la piastrella osso.
   2. Pulire e assorbire eventuali sanguinamenti ossee.
   3. Rimuovere con attenzione la dura madre e coprire la superficie corticale con una spugna chirurgica imbevuta di liquido cerebrospinale artificiale mantenuta a 37,5 ° C.
10. Fissare la matrice elettrodo per un supporto collegato ad un micromanipolatore elettronico.
    1. Collegare la testa della matrice al preamplificatore da un microconnector.
    2. Guidare manualmente la matrice elettrodo (sotto controllo microscopio chirurgico) fino alla superficie corticale (senza toccarlo).
    3. Accendere gli amplificatori con segnale acustico.
    4. Guidare, dal controllo elettronico, la matrice elettrodo di toccare la superficie corticale finché il contatto viene raggiunto, segnalato da un rumore evidente cambiamento del suono.
    5. Abbassare la matrice elettrodo passaggi a controllo elettronico (2 micron / passo) fino ad una profondità di 350-400 micron è raggiunto (strato corticale IV).
    6. Verificare la capacità di risposta dei neuroni da tocchi di luce sul posteriore zampa controlaterale.
    7. Regolare la profondità di alcuni ulteriori passaggi fino a quando si osserva una chiara risposta chiodare.
    8. Paralizzare il ratto per via endovenosa thriethiodide Gallamine (20 mg / kg / ora). Utilizzare dosi rifratta tutto l'esperimento per mantenere i livelli curarizzazione (0,2 ml / 1 ora).

2. Il trattamento del segnale

1. Impostare il filtro passa-banda software per [0.1 6000] Hz.
   1. Registrare i segnali neuronali del 8 canali matrice di microelettrodi campionati a 32 kHz.
2. Al termine dell'acquisizione, esportare i segnali registrati in un formato binario adatto per la post-elaborazione.
   1. Eseguire la procedura di picco di ordinamento mediante la casella degli strumenti Wave_clus ^11.

3. Fabbricazione e configurazione del dispositivo di stimolazione

1. Montare un gambo cactus (con punta smussata) ortogonalmente alla superficie di un diffusore intermedio incollaggio base gambo al tappo.
2. Programmare unmicrocontrollore per fornire impulsi di tensione ad un circuito di pilotaggio per il diffusore.
   1. Programmare il microcontrollore per fornire due impulsi appaiati di corrente ogni secondo (vedi Figura 1C).
3. Montare il diffusore e il microcontrollore per mezzo di un L293D h-ponte con componenti passivi fondamentali (vedi figura 1A).
4. Collegare il microcontrollore ad una batteria ricaricabile da 12 V.

4. Stimolazione protocollo

1. Incollare la parte dorsale del posteriore-zampa a un telaio solido, esponendo la superficie volare ed evitando torsioni articolari.
2. Posizionare la punta del dispositivo di stimolazione sulla posizione degli arti / zampa desideri.
3. Accendere il dispositivo di stimolazione.

Passi Offline:

5. La valutazione di Spike risposte

1. Per ogni neurone registrato, calcolare la Shannon reciproca informazione (MI) dello stimolo evocato attività spiking (stimolo categoria è o 1, stimolo, o 0, nessun stimolo).
   1. Stimare la probabilità condizionale di risposta p (r | s), dove s rappresenta la categoria di stimolo e r rappresenta il numero di punte emessi entro una finestra di tempo fisso.
   2. Correggere la stima MI utilizzando la procedura descritta scalpiccio ^9.

6. Valutazione della LFP risposte

1. Filtrare il segnale registrato nella gamma di frequenza [0,1 100] Hz per ottenere il segnale LFP
2. Compute LFPSNR, una misura della LFP reattività, come spiegato nel riferimento ^10.

7. Modello di stima

1. Generare un modello di modulo
   
   dove gli argomenti x rappresentano tre diverse caratteristiche LFP (x ₁ LFP stessa, < em> x ₂ e la sua derivata x ₃ la fase di Hilbert della sua derivata) e F è espresso come segue
   
   i coefficienti g sono pesi di una combinazione lineare ed f è un operatore che richiede sia il valore assoluto, la potenza o il valore originale di ogni x _i.
2. Utilizzare l'algoritmo NSGAII per stimare i parametri e gli operatori del modello utilizzando i seguenti tre oggetti: i) un locale, in via sperimentale-to-trial, misura di adattamento , Dove N _sp e N _r rappresentano rispettivamente le punte globali contano e la lunghezza del vettore di risposta; ii) una misura globale di adattamento sulla base della risposta mediaad/50941/50941eq4.jpg "width =" 205 "/> dove N _risp rappresenta la lunghezza della risposta media, iii) una misura di complessità del modello (vedi anche) ¹⁰ .

8. La conferma istologica

1. Sacrifica il topo.
   1. Al termine delle registrazioni sperimentali, soppressione dell'animale sotto anestesia profonda gassosa (isoflurano 2%, 4 L / min) e iniettare per via endovenosa una overdose di barbiturici (> 50 mg / kg, pentobarbital).
   2. Attendere l'arresto cardiaco.
   3. Smontare il ratto dal apparato stereotassico
2. Perfusione.
   1. Posizionare il topo posa su una griglia su un bacino per raccogliere il sangue e fluidi dal perfusione.
   2. Aprire il torace sezionando lo sterno separa dalle inserzioni costola.
   3. Bloccare il processo xifoideo dello sterno con una pinza cocker e rovesciando cranially sterno e le costole divaricate sul cuore.
   4. Identificare il ventricolo sinistro e l'atrio destro, posizionare una calibro nove smussato punta dell'ago (collegato alla cannula di perfusione) nel ventricolo e aprire con le forbici chirurgiche sottili l'atrio destro.
   5. Avviare la perfusione con (4 ° C) eparinizzate soluzione fisiologica fredda (250 ml) seguita dalla perfusione di una soluzione di formalina al 4% (250 ml).
3. Estrarre il cervello dal cranio aprendo la volta cranica, con un adeguato pinza e mettere il cervello in una soluzione di formalina al 10%.
4. Dopo una settimana, preparare le fette istologiche da un microtomo (spessore 10 micron).
5. Colorare il cervello sezioni coronali e sagittali con la soluzione violetto cresolo.

Risultati

Caratteristiche escursione Suggerimento

Per caratterizzare le proprietà dinamiche del dispositivo stimolare proposto, una serie di esperimenti sono stati istituiti. Lo specifico dispositivo che consiste di un arseniuro di gallio infrarossi diodo accoppiato con un fototransistor silicio è stato utilizzato per valutare lo spostamento punta, la durata di spostamento e le possibili ritardi di spostamento. Per mezzo di questo interruttore interruttore ottico abbiamo posizionato la punta stimolatore ...

Discussione

Questo lavoro in primo luogo ha presentato un nuovo, semplice e di basso costo del dispositivo consente di offrire stimoli sensoriali veloci e spazialmente puntiformi. Poi sono stati convalidati accoppiato un protocollo di stimolazione ad impulsi randomizzati e un insieme di analisi computazionali. L'obiettivo generale era quello di istituire un quadro per la stima delle relazioni LFP-picco di registrazioni elettrofisiologiche durante la stimolazione tattile.

Il dispositivo, il protocoll...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Microstepper	AB Transvertex (Stoccolma, Svezia)		Il microstepper utilizzato per abbassare la matrice di elettrodi
a 32 canali Cheetah System	Neuralynx (MT, USA)		Il sistema di registrazione elettrofisiologica
L293D h-bridge	RS Components (Cinisello Balsamo, Italia)		Il ponte utilizzato per collegare il microcontrollore all'altoparlante
H21A3 Optical Interrupter Switch	Fairchild Semiconductor Corporation (San Jose, California)		Il fototransistor utilizzato per stabilire lo spostamento della punta
Arduino Uno	Arduino (Duemilanove, Italia)		Il microcontrollore utilizzato per fornire impulsi di corrente all'altoparlante
Matrici di microelettrodi GB1	FHC
Isoflurane	Rhodia Organique Fine Ltd.		L'anestetico utilizzato per preparare gli animali
Apparecchio stereotassico	Narishighe (Tokyo, Giappone)
Ratti maschi di Sprague-Dawley	Charles River (Calco, LC, Italia)
Gallamina trietiodide	Sigma-Aldrich		Il composto usato per curare gli animali
Cresyl violet	Sigma-Aldrich
Antisettici topici (Betadine 10%)	Meda Pharma (Milano, Italia)
Heparine	Sigma-Aldrich
Reagenti Formaldeide	Carlo Erba (Pomigliano Milanese, Milano, Italia)