Articolo metodologico

Tracciamento oculare simultaneo e registrazioni mononeurone nei pazienti affetti da epilessia umana

DOI:

10.3791/59117

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17 giugno 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

In questo articolo

Sommario

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Descriviamo un metodo per condurre registrazioni mononeurone con tracciamento oculare simultaneo negli esseri umani. Dimostriamo l'utilità di questo metodo e illustriamo come abbiamo usato questo approccio per ottenere neuroni nel lobo temporale mediale umano che codificano gli obiettivi di una ricerca visiva.

Abstract

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Le registrazioni intracraniche da pazienti con epilessia intrattabile forniscono un'opportunità unica per studiare l'attività dei singoli neuroni umani durante il comportamento attivo. Uno strumento importante per quantificare il comportamento è il tracciamento oculare, che è uno strumento indispensabile per studiare l'attenzione visiva. Tuttavia, il tracciamento oculare è difficile da usare contemporaneamente con l'elettrofisiologia invasiva e questo approccio è stato quindi poco utilizzato. Qui, presentiamo un protocollo sperimentale collaudato per condurre registrazioni mononeurone con tracciamento oculare simultaneo negli esseri umani. Descriviamo come i sistemi sono collegati e le impostazioni ottimali per registrare neuroni e movimenti oculari. Per illustrare l'utilità di questo metodo, riassumiamo i risultati resi possibili da questa impostazione. Questi dati mostrano come l'utilizzo del tracciamento oculare in un'attività di ricerca visiva guidata dalla memoria ci ha permesso di descrivere una nuova classe di neuroni chiamati neuroni bersaglio, la cui risposta rifletteva l'attenzione dall'alto verso il basso verso l'obiettivo di ricerca corrente. Infine, discutiamo il significato e le soluzioni ai potenziali problemi di questa configurazione. Insieme, il nostro protocollo e i risultati suggeriscono che le registrazioni mononeurone con tracciamento oculare simultaneo negli esseri umani sono un metodo efficace per studiare la funzione del cervello umano. Fornisce un collegamento mancato chiave tra neurofisiologia animale e neuroscienze cognitive umane.

Introduzione

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Le registrazioni umane mononeurone sono uno strumento unico e potente per esplorare la funzione del cervello umano con straordinaria risoluzione spaziale e temporale1. Recentemente, le registrazioni mononeurone hanno guadagnato ampio uso nel campo delle neuroscienze cognitive perché consentono l'indagine diretta dei processi cognitivi centrali alla cognizione umana. Queste registrazioni sono rese possibili dalla necessità clinica di determinare la posizione dei focolai epilettici, per i quali gli elettrodi di profondità vengono temporaneamente impiantati nel cervello di pazienti con sospetta epilessia focale. Con questa impostazione, le registrazioni mononeurone possono essere ottenute utilizzando microfili sporgenti dalla punta dell'elettrodo di profondità ibrido (una descrizione dettagliata della metodologia chirurgica coinvolta nell'inserimento di elettrodi di profondità ibrida è fornita nel precedente protocollo2). Tra gli altri, questo metodo è stato utilizzato per studiare la memoria umana3,4, emozione5,6, e attenzione7,8.

Il tracciamento oculare misura la posizione dello sguardo e i movimenti oculari (fissazioni e saccade) durante le attività cognitive. Gli eye tracker basati su video utilizzano in genere il riflesso corneale e il centro della pupilla come caratteristiche per tenere traccia nel tempo9. Il tracciamento oculare è un metodo importante per studiare l'attenzione visiva perché la posizione dello sguardo indica il focus dell'attenzione durante la maggior parte dei comportamenti naturali10,11,12. Il tracciamento oculare è stato ampiamente utilizzato per studiare l'attenzione visiva in individui sani13 e popolazioni neurologiche14,15,16.

Mentre entrambe le registrazioni mononeurone e tracciamento oculare sono utilizzati individualmente negli esseri umani, pochi studi hanno usato entrambi contemporaneamente. Di conseguenza, rimane ancora in gran parte sconosciuto come i neuroni nel cervello umano rispondono ai movimenti oculari e/o se sono sensibili allo stimolo attualmente fissato. Questo è in contrasto con gli studi con macachi, dove eye-tracking con registrazioni simultanee mononeurone è diventato uno strumento standard. Al fine di studiare direttamente la risposta neuronale ai movimenti oculari, abbiamo combinato le registrazioni dei singoli neuroni umani e il tracciamento oculare. Qui descriviamo il protocollo per condurre tali esperimenti e poi illustrare i risultati attraverso un esempio concreto.

Nonostante il ruolo consolidato del lobo temporale mediale umano (MTL) sia nella rappresentazione dell'oggetto17,18 e memoria3,19, rimane in gran parte sconosciuto se i neuroni MTL sono modulati in funzione di dall'alto verso il basso l'attenzione verso gli obiettivi rilevanti dal punto di vista comportamentale. Lo studio di tali neuroni è importante iniziare a capire come le informazioni rilevanti per gli obiettivi influenzano i processi visivi dal basso verso l'alto. Qui, dimostriamo l'utilità del monitoraggio oculare durante la registrazione dei neuroni utilizzando la ricerca visiva guidata, un paradigma noto per studiare il comportamento diretto agli obiettivi20,21,22,23, 24 Mi lasa' di , 25. Utilizzando questo metodo, abbiamo recentemente descritto una classe di neuroni chiamati neuroni bersaglio, che segnala se lo stimolo attualmente frequentato è l'obiettivo di una ricerca in corso8. Di seguito, presentiamo il protocollo di studio necessario per riprodurre questo precedente studio scientifico. Si noti che lungo questo esempio, il protocollo può essere facilmente regolato per studiare un'attività di attenzione visiva arbitraria.

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Protocollo

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1. Partecipanti

  1. Recluta pazienti neurochirurgici con epilessia intrattabile che sono sottoposti a posizionamento di elettrodi intracranici per localizzare le loro crisi epilettiche.
  2. Inserire elettrodi di profondità con microfili incorporati in tutte le posizioni bersaglio clinicamente indicate, che in genere includono un sottoinsieme di amigdala, ippocampo, corteccia cingolata anteriore e area motoria pre-supplementare. Vedere i dettagli per l'impianto nel nostro protocollo precedente2.
  3. Una volta che il paziente ritorna all'unità di monitoraggio dell'epilessia, collegare l'apparecchiatura di registrazione sia per le registrazioni macro che per quelle micro. Questo include la preparazione con attenzione di un head-wrap che include le fasi di testa (vedi la nostra descrizione precedente per i dettagli2). Quindi, attendere che il paziente si riprenda dall'intervento chirurgico e conduca il test quando il paziente è completamente sveglio (in genere almeno 36 a 48 h dopo l'intervento chirurgico).

2. Configurazione sperimentale

  1. Collegare il computer di stimolo al sistema di elettrofisiologia e all'eye tracker seguendo il diagramma illustrato nella Figura 1.
  2. Utilizzare il sistema remoto di tracciamento degli occhi a infrarossi non invasivo (vedere Tabella dei materiali). Posizionare il sistema di tracciamento oculare su un carrello mobile robusto (Figura 1A, B). Sullo stesso carrello, attaccare un braccio flessibile che contiene un display LCD. Utilizzare la modalità remota per tracciare la testa e gli occhi dei pazienti.
  3. Posizionare un alimentatore ininterrotto (UPS) completamente carico sul carrello di tracciamento oculare e collegare tutti i dispositivi relativi al tracciamento oculare (ad esempio, LCD davanti al paziente, fotocamera eye tracker e fonte di luce e computer host eye tracker) all'UPS anziché a un'alimentazione esterna fonte.
  4. Regolare la distanza tra il paziente e lo schermo LCD a 60-70 cm e regolare l'angolo dello schermo LCD in modo che la superficie dello schermo sia approssimativamente parallela al volto del paziente. Regolare l'altezza dello schermo rispetto alla testa del paziente in modo che la fotocamera dell'oculare sia approssimativamente all'altezza del naso del paziente.
  5. Fornire al paziente la casella dei pulsanti o la tastiera. Verificare che i trigger (TTL) e la pressione dei pulsanti siano registrati correttamente prima di avviare l'esperimento.

3. Registrazione mononeurone

  1. Avviare il software di acquisizione. In primo luogo, ispezionare visivamente i potenziali di campo locale a banda larga (0,1 Hz - 8 kHz) e assicurarsi che non siano contaminati dal rumore di linea. In caso contrario, seguire le procedure standard per rimuovere il rumore (vedere Discussione).
  2. Per identificare singoli neuroni, banda-passa filtro il segnale (300 Hz - 8 KHz). Selezionare uno degli otto microfili come riferimento per ogni fascio di microfili. Testare diversi riferimenti e regolare il riferimento in modo che (1) gli altri 7 canali mostrino neuroni chiari, e (2) il riferimento non contiene neuroni. Impostare l'intervallo di immissione su 2.000 V.
  3. Abilitare il salvataggio dei dati come file NRD (ad esempio, il file di dati non elaborati a banda larga che verrà utilizzato per il successivo ordinamento dei picchi off-line) prima di registrare i dati. Impostare la frequenza di campionamento su 32 kHz.

4. Tracciamento oculare

  1. Avviare il software di tracciamento oculare. Poiché si tratta di un sistema privo di fissazione della testa, posizionare l'adesivo sulla fronte del paziente in modo che il rilevatore oculare possa regolare i movimenti della testa.
  2. Regolare la distanza e l'angolo tra l'oculista e il paziente in modo che il marcatore bersaglio, la distanza della testa, la pupilla e la riflessione corneale (CR) siano contrassegnati come pronti (come mostrato in verde nel software di tracciamento oculare; Figura 2 Mostra un buon esempio della schermata di configurazione della fotocamera). Fare clic sull'occhio da registrare e impostare la frequenza di campionamento su 500 Hz.
  3. Utilizzare la regolazione automatica della soglia di alunno e CR. Per i pazienti che indossano occhiali, regolare la posizione e/o l'angolo dell'illuminatore e della fotocamera in modo che i riflessi del vetro non interferiscano con l'acquisizione della pupilla.
  4. Calibrare l'eye tracker con il metodo della griglia a 9 punti integrato all'inizio di ogni blocco. Confermare che le posizioni degli occhi (mostrate come "") si registrino bene come una griglia a 9 punti. In caso contrario, rieseguire la calibrazione.
  5. Accettare la calibrazione ed eseguire la convalida. Accettare la convalida se l'errore di convalida massimo è < 2 e l'errore di convalida medio è < 1 o . In caso contrario, eseguire la convalida di ripetizione.
  6. Fare la correzione della deriva e procedere all'esperimento vero e proprio.

5. Attività

  1. In questa attività di ricerca visiva, utilizzare gli stimoli del nostro studio precedente14 e seguire la procedura di attività come descritto primadi 8.
  2. Fornire istruzioni per l'attività ai partecipanti. Indicare ai partecipanti di trovare l'elemento di destinazione nell'array di ricerca e rispondere il prima possibile. Indicare ai partecipanti di premere il pulsante sinistro di una casella di risposta (vedere Tabella dei materiali) se trovano il bersaglio e il pulsante destro se ritengono che l'obiettivo sia assente. Istruisci i partecipanti in modo esplicito che ci saranno prove target-presenti e senza target.
  3. Avviare il software di presentazione stimolo (vedere Tabella dei materiali) ed eseguire l'attività: Presentare un segnale di destinazione per 1 s e presentare l'array di ricerca utilizzando il software di presentazione stimolo. Il pulsante Registra preme e fornisce un feedback di prova per versione di prova (Corretto, Corretto o Non corretto) ai partecipanti.

6. Analisi dei dati

  1. Poiché i sistemi di acquisizione e tracciamento oculare funzionano su orologi diversi, utilizzare il file di log comportamentale per trovare il timestamp di allineamento per la registrazione elettrofisiologica e il tracciamento oculare. Abbina i trigger della registrazione elettrofisiologia e del monitoraggio oculare prima di procedere a un'ulteriore analisi. Estrarre segmenti di dati in base a timestamp e finestre di analisi separatamente per la registrazione elettrofisiologica e il tracciamento oculare.
  2. Utilizzare l'algoritmo semi-automatico di corrispondenza dei modelli Osort26 e seguire i passaggi descritti prima di2,26 per identificare i singoli neuroni putativi. Valutare la qualità dello smistamento prima di passare a un'ulteriore analisi2.
  3. Per analizzare i dati di movimento degli occhi, convertire innanzitutto i dati EDF dall'eye tracker in formato ASCII. Inoltre, estrarre fissaggi e saccades. Quindi, importare il file ASCII e salvare le seguenti informazioni in un file MAT: (1) timestamp, (2) coordinate oculari (x,y), (3) dimensioni della pupilla e (4) timestamp dell'evento. Analizzare la registrazione continua in ogni prova.
  4. Seguire le procedure descritte in precedenza per analizzare la correlazione tra picchi e comportamento8.

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Risultati

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Per illustrare l'utilizzo del metodo di cui sopra, viene descritto brevemente un caso d'uso che abbiamo recentemente pubblicato8. Abbiamo registrato 228 singoli neuroni dal lobo temporale mediale umano (MTL; amigdala e ippocampo) mentre i pazienti stavano eseguendo un compito di ricerca visiva (Figura 3A, B). Durante questo compito, abbiamo studiato se l'attività dei neuroni differenziata tra fissazioni su obiettivi e ...

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Discussione

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In questo protocollo, abbiamo descritto come impiegare registrazioni mononeurone con tracciamento oculare simultaneo e descritto come abbiamo usato questo metodo per identificare i neuroni bersaglio nella MTL umana.

L'installazione prevede tre computer: uno che esegue l'attività (computer di stimolo), uno che esegue l'eye tracker e uno che esegue il sistema di acquisizione. Per la sincronizzazione tra i tre sistemi, la porta parallela viene utilizzata per inviare trigger TTL dal computer di st...

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Dichiarazioni

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Gli autori non dichiarano alcun conflitto di interessi.

Ringraziamenti

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Ringraziamo tutti i pazienti per la loro partecipazione. Questa ricerca è stata sostenuta dal Rockefeller Neuroscience Institute, dalla Autism Science Foundation e dalla Dana Foundation (a S.W.), un premio NSF CAREER (1554105 a U.R.) e il NIH (R01MH110831 e U01NS098961 a U.R.). I finanziatori non hanno avuto alcun ruolo nella progettazione dello studio, nella raccolta e nell'analisi dei dati, nella decisione di pubblicazione o nella preparazione del manoscritto. Ringraziamo James Lee, Erika Quan e lo staff del Cedars-Sinai Simulation Center per il loro aiuto nella produzione del video dimostrativo.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Cedrus Response BoxCedrus (https://cedrus.com/)RB-844Button Box
Dell LaptopDell (https://dell.com)Precision7520Stimulus Computer
EyeLink Eye TrackerSR Research (https://www.sr-research.com)1000 Plus Remote con computer host per laptop e supporto per braccio LCDEye tracking
MATLABMathWorks IncR2016a (RRID: SCR_ 001622)Analisi dei dati
Neuralynx Neurophysiology SystemNeuralynx (https://neuralynx.com)ATLAS 128Electrophysiology
OsortOpen sourcev4.1 (RRID: SCR_015869)Algoritmo di ordinamento degli spike
Psychophysics ToolbxOpen sourcePTB3 ( RRID: SCR_002881)Matlab toolbox per implementare esperimenti psicofisici

Riferimenti

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