Monitoraggio della soglia elettrica a circuito chiuso in tempo reale open source per la ricerca traslazionale del dolore

Questo strumento può essere utilizzato per studiare diversi meccanismi di sensibilizzazione dei nocicettori, ed è questa sensibilizzazione che può guidare alcune forme di dolore cronico. Il monitoraggio automatico delle soglie elettriche fornisce una misura affidabile, online e in tempo reale dell'eccitabilità dei nocicettori. In quanto tale, questa misura fornisce un importante ponte traslazionale, consentendo di effettuare misurazioni sia nell'uomo che negli animali.

Allo stesso modo, consentendo di valutare patologia e trattamenti efficaci. In futuro, AP Track potrebbe essere utilizzato nei pazienti con dolore cronico per confermare se un agente terapeutico sta normalizzando l'eccitabilità dei loro nocicettori sensibilizzati. Ciò rappresenterebbe un biomarcatore cruciale di efficacia.

Prevediamo che il nostro toolkit open source, AP Track, sarà utile agli elettrofisiologi che studiano stimoli del ciclo temporale di diversa grandezza. Ad esempio, pensiamo anche che sarà utile per studiare l'optogenetica. Gestire un esperimento e un software contemporaneamente è impegnativo all'inizio, quindi consiglio agli utenti di caricare i dati preregistrati in AP Track per familiarizzare con il loro utilizzo prima di tentare un esperimento.

Abbiamo fornito dati demo. Per iniziare, collegare la scheda di acquisizione al computer utilizzando il cavo fornito dal produttore e accenderla. Quindi, collegare la scheda IO all'importazione analogica sulla scheda di acquisizione e collegare un headstage di registrazione Intan RHD alla scheda di acquisizione utilizzando un cavo di interfaccia periferica seriale.

Quindi, collega il Pulse Pal al computer. Dividere il segnale del canale di uscita Pulse Pal utilizzando uno splitter BNC T, quindi collegarlo all'ingresso dello stimolatore a corrente costante e alla scheda IO, in modo che il comando di tensione analogico possa essere registrato. Collegare il canale di uscita Pulse Pal due alla scheda IO per registrare i marcatori di evento TTL di stimolazione.

Per il montaggio con uno stimolatore a corrente costante controllato da quadrante, accendere uno stimolatore a corrente costante e collegare la scheda di controllo del motore passo-passo al motore passo-passo utilizzando il cavo e il supporto magnetico forniti dal produttore. Collegare direttamente la scheda di controllo al computer utilizzando qualsiasi cavo standard da USB-A a USB micro B. Collegare la scheda di controllo e il motore passo-passo a una staffa di montaggio personalizzata e impostare la manopola di ampiezza di stimolazione sullo stimolatore a corrente costante su zero milliampere.

Quindi, collegare un adattatore barilotto personalizzato al cilindro del motore passo-passo. Collegare il motore passo-passo e l'apparecchio di montaggio personalizzato alla ghiera di ampiezza di stimolazione sullo stimolatore a corrente costante utilizzando l'adattatore del cilindro e accenderlo. Aprire la GUI AP Track e stabilire una registrazione elettrofisiologica stabile dei nervi periferici.

Identificare il campo ricettivo sulla pelle e posizionare l'elettrodo stimolante lì. Nel menu Opzioni, selezionare Trigger Channel (Trigger Channel) e scegliere il canale ADC contenente il marcatore TTL di stimolazione elettrica dal canale di uscita Pulse Pal due. Quindi, selezionare il canale dati e scegliere il canale contenente i dati elettrofisiologici.

Fare clic su Connetti per collegare AP Track all'apparato Pulse Pal e al motore passo-passo. Questo potrebbe richiedere un momento. Una volta collegata, la scheda di controllo del motore passo-passo si imposterà in posizione zero.

Nel pannello di controllo della stimolazione, definire le ampiezze di stimolazione minima e massima iniziali utilizzando il cursore. Assicurarsi che la stimolazione corrente sia impostata sopra lo zero, in modo che vengano generati i marcatori TTL. Fare clic su F per caricare un file contenente le istruzioni di stimolazione, quindi fare clic sulla freccia destra per iniziare il paradigma di stimolazione caricato.

Il grafico raster temporale inizierà ad aggiornarsi con la risposta alla stimolazione elettrica, con ogni nuova risposta di stimolazione visualizzata come una nuova colonna sulla destra. Per rilevare correttamente i potenziali d'azione del singolo neurone, passare al pannello del grafico raster temporale e regolare i valori di soglia dell'immagine bassa, di rilevamento e alta. Con l'impostazione di adeguate soglie di immagine, gli eventi di attraversamento della soglia rilevati dagli algoritmi saranno codificati in verde.

Sistematicamente, spostare l'elettrodo stimolante intorno all'area della pelle innervata dal nervo. Monitorare il grafico raster temporale per tre eventi di attraversamento della soglia che appaiono di fila alla stessa latenza mentre l'elettrodo si trova nella stessa posizione di stimolazione. Ciò indica l'identificazione di un potenziale d'azione dei neuroni periferici a latenza costante.

Dopo aver identificato il potenziale d'azione del singolo neurone sul grafico raster temporale, spostare il cursore lineare grigio sul lato destro del grafico per regolare la posizione della casella di ricerca. Quindi, regola la casella di ricerca con il cursore rotante su una larghezza appropriata. Ridurre la larghezza della casella di ricerca.

Per iniziare a monitorare il potenziale di azione mirato, fai clic sul segno più sotto la tabella di tracciamento multi-unità. Una nuova riga verrà aggiunta alla tabella contenente i dettagli del potenziale d'azione target, inclusa la posizione della latenza, la percentuale di attivazione da due a 10 stimoli e l'ampiezza di picco rilevata. L'algoritmo di tracciamento della latenza verrà eseguito automaticamente su di esso ad ogni successiva stimolazione elettrica.

Seleziona la casella del picco di traccia nella tabella per spostare la casella di ricerca nella posizione appropriata per quel particolare potenziale d'azione. Calcola la velocità di conduzione del neurone periferico dividendo la distanza tra i siti di stimolazione e registrazione per la latenza visualizzata nella tabella. Per eseguire il tracciamento della soglia elettrica, regolare i tassi di incremento e decremento nel pannello di controllo della stimolazione alla velocità desiderata.

Mantieni uguali questi valori. Assicurarsi che la frequenza di stimolazione sia impostata su una frequenza appropriata, in genere da 0,25 a 0,5 Hertz. Regolare manualmente l'ampiezza della stimolazione approssimativamente alla soglia elettrica del neurone.

Quindi, seleziona la casella della soglia di traccia nella tabella di tracciamento multi-unità, che avvierà l'algoritmo di tracciamento della soglia elettrica. Nella tabella di tracciamento multi-unità, monitorare la velocità di sparo. Una velocità di sparo del 50% indica che la soglia elettrica approssimativa è stata determinata e il valore di soglia verrà aggiornato.

Infine, applicare una manipolazione sperimentale al campo ricettivo e continuare a tracciare la soglia elettrica. Questo quantificherà i cambiamenti nell'eccitabilità dei neuroni periferici. Le tracce sequenziali di una fibra C umana del nervo perenne superficiale durante un esperimento di micro neurografia e le tracce sequenziali di una fibra A-delta di topo del nervo safeno durante la preparazione della pelle-nervo sono mostrate in questa figura.

Le tracce sono state colorate di rosso quando è stato identificato un potenziale d'azione, con conseguente diminuzione dell'ampiezza dello stimolo. L'algoritmo software trova efficacemente l'ampiezza dello stimolo richiesta per una probabilità del 50% di sparare. Il tracciamento della soglia elettrica a una frequenza di stimolazione di 0,25 Hertz durante la stimolazione termica di un nocicettore di fibra C umana è presentato in questa figura.

L'asse y codifica il numero di stimolazione dall'inizio del paradigma. Le tracce di tensione per 4.000 millisecondi dopo la stimolazione elettrica con gli eventi di attraversamento della soglia sono contrassegnate in rosso. La traccia di tensione ingrandita attorno al potenziale d'azione tracciato è mostrata qui.

La linea blu verticale è la latenza di base dell'unità tracciata. La corrente di stimolazione comandata da AP Track è mostrata in questa figura. La linea blu verticale è la soglia elettrica di base.

Qui viene presentata la temperatura della sonda termostimolante TCS-II del campo ricettivo. Poiché il campo ricettivo di questa fibra C sensibile al calore viene riscaldato dallo stimolatore termico, la soglia elettrica diminuisce. La scelta dei valori appropriati per la larghezza della casella di ricerca e la soglia di rilevamento è importante, in quanto migliorano significativamente le prestazioni di AP Track riducendo l'impatto del rumore elettrico.

Quantificare l'impatto degli agenti terapeutici sull'ipereccitabilità nei nocicettori può aiutarci a comprendere meglio i meccanismi alla base del dolore cronico. Speriamo che altri ricercatori utilizzino questo strumento disponibile gratuitamente per comprendere meglio la biologia nocicettiva e i cambiamenti che si sono verificati durante la sensibilizzazione dei nocicettori.