Name: ニューロンスパイク活性を利用して神経生理学実験における閉ループ刺激を引き起こす (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-11-12T11:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 19 s
Description: 学ぶ神経生理学における閉ループ刺激の実装方法。MATLABコードを用いて標準電気生理記録システムを変換し、覚醒ラットの神経スパイク活性に基づいてリアルタイム刺激を行い、脳の因果的相互作用を研究する。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

この作業は、AL および AG に対する NSERC ディスカバリー許可によってサポートされました。

ここで説明するすべての手順は、レスブリッジ大学動物福祉委員会によって承認された動物研究プロトコルの下で行われました.
1. 手術
注:神経生理学的記録のためのプローブを移植するために使用される手術手順は、他の出版物24、25、26で提示されている。閉ループ刺激のための手術の正確な詳細は、使用される記録プローブの種類と標的となる脳領域に依存する。しかし、ほとんどの場合、典型的な手術は次のステップで構成されます。
<ol><li>シリコーンプローブまたは電極アレイを移植するラットを持つケージを手術室に持ち込み、神経活動を記録します。</li>
	<li>2-2.5%のイソフルランでげっ歯類を麻酔し、ステレオタキシックなフレームで頭を固定します。軽度の触覚刺激25に対する運動反応を観察することにより、手術中に動物が意識不明であることを確認する。</li>
	<li>手術中の乾燥を最小限に抑えるために、眼軟膏を塗布する。</li>
	<li>手術部位を剃り、2%クロルヘキシジン溶液と70%イソプロピルアルコールで皮膚を消毒します。</li>
	<li>電極が埋め込まれた脳領域の頭皮の下にリドカイン(5 mg/kg)を注入する。</li>
	<li>将来のインプラントの領域にわたって頭皮の切開を行い、メスと綿棒を使用して、露出した頭蓋骨25から骨膜をクリアする。</li>
	<li>インプラント25の構造支持としてアンカーねじ(〜0.5mm)の注入のための頭蓋骨の4-8の穴を開ける。ネジを穴に挿入して頭蓋骨に取り付け、しっかりと固定されていることを確認します。</li>
	<li>指定した座標で開頭術をドリルし、マイクロドライブ/プローブインプラントを入れ込みます。 注:閉ループ刺激のために記述されたプロトコルは、電極が挿入されている任意の脳領域のために動作します。</li>
	<li>歯科アクリルを使用して、マイクロドライブ/プローブと必要な電気インタフェースコネクタを頭蓋骨に固定します。歯科用アクリルの量は、インプラントをしっかりと取り付けるのに十分であるべきであるが、周囲の軟部組織25と接触してはならない。</li>
	<li>手術後、胸骨の再分析25を維持するのに十分な意識を取り戻すまで動物を注意深く監視する。その後の3日間、皮下鎮痛薬(例えばメタカム、1mg/kg)、および感染を予防するための抗生物質(例えばエンロフロキサシン、10mg/kg)を投与する。 注:動物は通常、検査または記録の1週間前に手術から回復するために残されます。</li>
</ol>2. ソフトウェアのインストール
注:これは、Windows 10、64ビットバージョンでテストされました。
<ol><li>データ取得および処理ソフトウェアをインストールします。<ol>
<li>チーター取得システムと対話するライブラリを含むデータ取得システム Cheetah 6.4 (https://neuralynx.com/software/category/sw-acquisition-control) をインストールします。</li>
		<li>スパイクソートにKlustaKwik27を使用するSpikeSort3D(https://neuralynx.com/software/spikesort-3d)またはその他のソフトウェアをインストールします。オンライン検出ソフトウェアは、KlustaKwik エンジンのクラスター定義を使用します。このソフトウェアは、同じコンピュータ上で実行することも、同じネットワーク上の別のコンピュータで実行することもできます。</li>
		<li>https://neuralynx.com/software/netcom-development-packageからダウンロードできる NetComDevelopmentPackage (https://github.com/leomol/cheetah-interface/blob/master/NetComDevelopmentPackage_v3.1.0) をインストールします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>Matlab (https://www.mathworks.com/downloads/;コードは Matlab バージョン R2018a でテスト済み)をインストールします。Windows ファイアウォールで Matlab が有効になっていることを確認します。通常、最初の接続中にポップアップが表示されます。<ol>
<li>Matlab アカウントにログインします。ライセンスを選択します。バージョンを選択します。オペレーティング システムを選択します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>オンライン イベントトリガーのオンライン イベントのライブラリをダウンロードします: https://github.com/leomol/cheetah-interfaceし、ファイルをコンピュータの 'ドキュメント/Matlab' フォルダーに展開します。コードのコピーは、付属の補足資料に記載されています。</li>
</ol>3. 初期データ取得
<ol><li>チーターソフトウェアを使用してデータ取得を開始します。</li>
	<li>テンプレート波形を設定するために、スパイクデータを数分間記録します。</li>
	<li>データ取得を停止し、記録されたデータに対してスパイクソートを実行します。<ol>
<li>スパイクソート3Dを開き、[ファイル|メニュー |[スパイク ファイルを読み込む]をクリックし、記録されたデータを含むフォルダからスパイク ファイルを選択します。</li>
		<li>[クラスタメニュー] をクリックし、[KlustaKwik を使用して自動クラスタ化]をクリックします。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 閉ループ実験
<ol><li>チーターでデータ取得を再開します。</li>
	<li>マラボを開きます。<ol>
<li>クローズドループ.mを開き、[実行]をクリックします。または、Matlab コマンド ウィンドウで ClosedLoop() を実行します。ClosedLoop.m が Matlab パス上にあることを確認します。ユーザーがカスタム関数を使用してすべてのトリガーを呼び出す場合は、代わりに ClosedLoop('コールバック', customFunction) を実行します。</li>
		<li>最初の記録で定義されたスパイク情報を読み込むには、[読み込み]をクリックし、記録フォルダを参照して、スパイク データ ファイル (.ntt、.nse) の 1 つを選択します。</li>
		<li>プロットされた波形の下にあるチェックボックスをクリックして刺激をトリガーする1つまたは複数のニューロンを選択します。</li>
		<li>[最小一致]テキスト ボックスに整数を入力して、刺激をトリガーするニューロンの最小数を定義します。「ウィンドウ」テキストボックスに数値を入力して、異なる波形に一致するスパイクが共同アクティブと見なされる時間枠を定義します。</li>
		<li>[送信]をクリックして開始します。これは、選択したニューロンのスパイク活動に基づいて、イベント(デフォルトとしてのトーン)のオンライントリガを開始します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Grosenick, L., Marshel, J. H., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Closed-loop+and+activity-guided+optogenetic+control%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Closed-loop and activity-guided optogenetic control.</a> Neuron. 86 (1), 106-139 (2015).</li>
<li>Armstrong, C., Krook-Magnuson, E., Oijala, M., Soltesz, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Closed-loop+optogenetic+intervention+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Protocols%22%5BJournal%5D)">Closed-loop optogenetic intervention in mice.</a> Nature Protocols. 8 (8), 1475-1493 (2013).</li>
<li>Siegle, J. H., Wilson, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhancement+of+encoding+and+retrieval+functions+through+theta+phase-specific+manipulation+of+hippocampus%5BTitle%5D)+AND+%22Elife%22%5BJournal%5D)">Enhancement of encoding and retrieval functions through theta phase-specific manipulation of hippocampus.</a> Elife. 3, 03061(2014).</li>
<li>Paz, J. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Closed-loop+optogenetic+control+of+thalamus+as+a+tool+for+interrupting+seizures+after+cortical+injury%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+neuroscience%22%5BJournal%5D)">Closed-loop optogenetic control of thalamus as a tool for interrupting seizures after cortical injury.</a> Nature neuroscience. 16 (1), 64-70 (2013).</li>
<li>Krook-Magnuson, E., Armstrong, C., Oijala, M., Soltesz, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On-demand+optogenetic+control+of+spontaneous+seizures+in+temporal+lobe+epilepsy%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">On-demand optogenetic control of spontaneous seizures in temporal lobe epilepsy.</a> Nature Communications. 4, 1376(2013).</li>
<li>Berényi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzsáki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Closed-loop+control+of+epilepsy+by+transcranial+electrical+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation.</a> Science. 337 (6095), 735-737 (2012).</li>
<li>Peters, T. E., Bhavaraju, N. C., Frei, M. G., Osorio, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Network+system+for+automated+seizure+detection+and+contingent+delivery+of+therapy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Clinical+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Network system for automated seizure detection and contingent delivery of therapy.</a> Journal of Clinical Neurophysiology. 18 (6), 545-549 (2001).</li>
<li>Fountas, K. N., Smith, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFountas%2C+KN+%22Operative+Neuromodulation%22">Operative Neuromodulation</a>. , Springer. 357-362 (2007).</li>
<li>Heck, C. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-year+seizure+reduction+in+adults+with+medically+intractable+partial+onset+epilepsy+treated+with+responsive+neurostimulation%3A+final+results+of+the+RNS+System+Pivotal+trial%5BTitle%5D)+AND+%22Epilepsia%22%5BJournal%5D)">Two-year seizure reduction in adults with medically intractable partial onset epilepsy treated with responsive neurostimulation: final results of the RNS System Pivotal trial.</a> Epilepsia. 55 (3), 432-441 (2014).</li>
<li>Osorio, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+seizure+abatement+in+humans+using+electrical+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Neurology%22%5BJournal%5D)">Automated seizure abatement in humans using electrical stimulation.</a> Annals of Neurology. 57 (2), 258-268 (2005).</li>
<li>Sun, F. T., Morrell, M. J., Wharen, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Responsive+cortical+stimulation+for+the+treatment+of+epilepsy%5BTitle%5D)+AND+%22Neurotherapeutics%22%5BJournal%5D)">Responsive cortical stimulation for the treatment of epilepsy.</a> Neurotherapeutics. 5 (1), 68-74 (2008).</li>
<li>Fountas, K. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implantation+of+a+closed-loop+stimulation+in+the+management+of+medically+refractory+focal+epilepsy%5BTitle%5D)+AND+%22Stereotactic+and+Functional+Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Implantation of a closed-loop stimulation in the management of medically refractory focal epilepsy.</a> Stereotactic and Functional Neurosurgery. 83 (4), 153-158 (2005).</li>
<li>Abbott, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuroprosthetics%3A+In+search+of+the+sixth+sense%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Neuroprosthetics: In search of the sixth sense.</a> Nature. 442, (2006).</li>
<li>Venkatraman, S., Elkabany, K., Long, J. D., Yao, Y., Carmena, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+system+for+neural+recording+and+closed-loop+intracortical+microstimulation+in+awake+rodents%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">A system for neural recording and closed-loop intracortical microstimulation in awake rodents.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (1), 15-22 (2009).</li>
<li>Nguyen, T. K. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Closed-loop+optical+neural+stimulation+based+on+a+32-channel+low-noise+recording+system+with+online+spike+sorting%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">Closed-loop optical neural stimulation based on a 32-channel low-noise recording system with online spike sorting.</a> Journal of Neural Engineering. 11 (4), 046005(2014).</li>
<li>Laxpati, N. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+in+vivo+optogenetic+neuromodulation+and+multielectrode+electrophysiologic+recording+with+NeuroRighter%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neuroengineering%22%5BJournal%5D)">Real-time in vivo optogenetic neuromodulation and multielectrode electrophysiologic recording with NeuroRighter.</a> Frontiers in Neuroengineering. 7, 40(2014).</li>
<li>Su, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+wireless+32-channel+implantable+bidirectional+brain+machine+interface%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">A wireless 32-channel implantable bidirectional brain machine interface.</a> Sensors. 16 (10), 1582(2016).</li>
<li>Ciliberti, D., Kloosterman, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Falcon%3A+a+highly+flexible+open-source+software+for+closed-loop+neuroscience%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">Falcon: a highly flexible open-source software for closed-loop neuroscience.</a> Journal of Neural Engineering. 14 (4), 045004(2017).</li>
<li>Luczak, A., Bartho, P., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gating+of+sensory+input+by+spontaneous+cortical+activity%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Gating of sensory input by spontaneous cortical activity.</a> The Journal of Neuroscience. 33 (4), 1684-1695 (2013).</li>
<li>Luczak, A., Barthó, P., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spontaneous+events+outline+the+realm+of+possible+sensory+responses+in+neocortical+populations%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Spontaneous events outline the realm of possible sensory responses in neocortical populations.</a> Neuron. 62 (3), 413-425 (2009).</li>
<li>Schjetnan, A. G., Luczak, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recording+Large-scale+Neuronal+Ensembles+with+Silicon+Probes+in+the+Anesthetized+Rat%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Recording Large-scale Neuronal Ensembles with Silicon Probes in the Anesthetized Rat.</a> Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).</li>
<li>Bermudez Contreras, E. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+and+reverberation+of+sequential+neural+activity+patterns+evoked+by+sensory+stimulation+are+enhanced+during+cortical+desynchronization%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Formation and reverberation of sequential neural activity patterns evoked by sensory stimulation are enhanced during cortical desynchronization.</a> Neuron. 79 (3), 555-566 (2013).</li>
<li>Girardeau, G., Benchenane, K., Wiener, S. I., Buzsáki, G., Zugaro, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Selective+suppression+of+hippocampal+ripples+impairs+spatial+memory%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Selective suppression of hippocampal ripples impairs spatial memory.</a> Nature Neuroscience. 12 (10), 1222-1223 (2009).</li>
<li>Schjetnan, A. G. P., Luczak, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recording+large-scale+neuronal+ensembles+with+silicon+probes+in+the+anesthetized+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat.</a> Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).</li>
<li>Vandecasteele, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+recording+of+neurons+by+movable+silicon+probes+in+behaving+rodents%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents.</a> Journal of Visualized Experiments. (61), e3568(2012).</li>
<li>Sariev, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implantation+of+Chronic+Silicon+Probes+and+Recording+of+Hippocampal+Place+Cells+in+an+Enriched+Treadmill+Apparatus%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Implantation of Chronic Silicon Probes and Recording of Hippocampal Place Cells in an Enriched Treadmill Apparatus.</a> Journal of Visualized Experiments. (128), e56438(2017).</li>
<li>Harris, K. D., Henze, D. A., Csicsvari, J., Hirase, H., Buzsáki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accuracy+of+tetrode+spike+separation+as+determined+by+simultaneous+intracellular+and+extracellular+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Accuracy of tetrode spike separation as determined by simultaneous intracellular and extracellular measurements.</a> Journal of Neurophysiology. 84 (1), 401-414 (2000).</li>
<li>Jiang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((TaiNi%3A+Maximizing+research+output+whilst+improving+animals%27+welfare+in+neurophysiology+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">TaiNi: Maximizing research output whilst improving animals' welfare in neurophysiology experiments.</a> Scientific Reports. 7 (1), 8086(2017).</li>
<li>Gao, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+cortico-cerebellar+loop+for+motor+planning%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">A cortico-cerebellar loop for motor planning.</a> Nature. 563 (7729), 113(2018).</li>
<li>Neumann, A. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Involvement+of+fast-spiking+cells+in+ictal+sequences+during+spontaneous+seizures+in+rats+with+chronic+temporal+lobe+epilepsy%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Involvement of fast-spiking cells in ictal sequences during spontaneous seizures in rats with chronic temporal lobe epilepsy.</a> Brain. 140 (9), 2355-2369 (2017).</li>
<li>Gothard, K. M., Skaggs, W. E., Moore, K. M., McNaughton, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Binding+of+hippocampal+CA1+neural+activity+to+multiple+reference+frames+in+a+landmark-based+navigation+task%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Binding of hippocampal CA1 neural activity to multiple reference frames in a landmark-based navigation task.</a> Journal of Neuroscience. 16 (2), 823-835 (1996).</li>
<li>McNaughton, B. L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMcNaughton%2C+BL+%22Google+Patents%22">Google Patents</a>. , (1999).</li>
<li>Wilber, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cortical+connectivity+maps+reveal+anatomically+distinct+areas+in+the+parietal+cortex+of+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neural+Circuits%22%5BJournal%5D)">Cortical connectivity maps reveal anatomically distinct areas in the parietal cortex of the rat.</a> Frontiers in Neural Circuits. 8, 146(2015).</li>
<li>Mashhoori, A., Hashemnia, S., McNaughton, B. L., Euston, D. R., Gruber, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rat+anterior+cingulate+cortex+recalls+features+of+remote+reward+locations+after+disfavoured+reinforcements%5BTitle%5D)+AND+%22Elife%22%5BJournal%5D)">Rat anterior cingulate cortex recalls features of remote reward locations after disfavoured reinforcements.</a> Elife. 7, 29793(2018).</li>
<li>Luczak, A., McNaughton, B. L., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Packet-based+communication+in+the+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Packet-based communication in the cortex.</a> Nature Reviews Neuroscience. , (2015).</li>
<li>Luczak, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLuczak%2C+A+%22Analysis+and+Modeling+of+Coordinated+Multi-neuronal+Activity%22">Analysis and Modeling of Coordinated Multi-neuronal Activity</a>. , Springer. 163-182 (2015).</li>
</ol>

著者は、この作品に関連する利益相反を持っていません。

ここで説明するプロトコルは、標準的な神経生理学的記録システムを使用して閉ループ刺激を行う方法を示す。このプロトコルは、コンピュータサイエンスの限られた専門知識を持つ神経科学者が、少ないコストで様々な閉ループ実験を迅速に実施することを可能にします。このような実験は、脳内の因果関係を研究するためにしばしば必要である。
動物を準備し、ソフトウェアをインストールした後(ステップ1&2)、閉ループ実験は2つの別々の段階で構成されています。まず、初期データ集録(ステップ3)は、単一ニューロンの活性に対応するテンプレートを定義するデータを収集する(すなわち、スパイクソート;ステップ 3.5)。第二に、新たに記録されたスパイクがリアルタイムで事前定義されたクラスターに自動的に割り当てられ、スパイクが指定されたニューロンを形成した場合に刺激をトリガする閉ループ刺激(ステップ4)。提示されたMatlabスクリプト(補足資料を参照)は、単一のニューロンの活性および複数の選択されたニューロンの活性に基づいて異なる刺激のトリガを示す。ニューロンは情報をアセンブリとして処理す...

このプロトコルの目的は、神経生理学的実験において閉ループ刺激を実施する方法を実証することです。神経科学における閉ループ実験の典型的なセットアップは、神経活動のオンライン読み出しに基づいて刺激を引き起こすことを含む。これは、順番に、脳活動の変更を引き起こし、したがって、フィードバックループ1、2を閉じます。このような閉ループ実験は、特に光遺伝学と組み合わせることで、研究者がニューロンの特定のサブセットを標的とすることを可能にする標準的なオープンループ設定よりも複数の利点を提供します。例えば、SiegleとWilsonは閉ループ操作を使用して、情報処理におけるセタ振動の役割を研究しました。彼らは、セタ振動の落下段階で海馬ニューロンを刺激することは、上昇期に同じ刺激を適用するよりも行動に異なる影響を及ぼすことを実証した。閉ループ実験は、前臨床試験においてもますます重要になってきています。例えば、複数のてんかん研究は、発作発症時に引き起こされる神経刺激が発作の重症度を減少させる効果的なアプローチであることを示している。また、自動発作検出および治療7の偶発的送達のためのシステムは、8、てんかん患者9、10、11、12において有意な利益を示した。閉ループ方法論の急速な進歩を有する別の応用領域は皮質脳-機械界面を有する神経補綴物の制御である。これは、義足デバイスのユーザーに瞬時にフィードバックを提供することで、精度と機能が大幅に向上するためです。
近年、いくつかの研究室は、閉ループシステム14、15、16、17、18における神経活動および刺激の送達の同時電気記録のためのカスタムシステムを開発した。これらのセットアップの多くは印象的な特性を持っていますが、他のラボで実装することは必ずしも容易ではありません。これは、システムが多くの場合、必要なエレクトロニクスやその他の必要なハードウェアおよびソフトウェア コンポーネントを組み立てるために経験豊富な技術者を必要とするためです。
そこで、神経科学研究における閉ループ実験の採用を容易にするために、本論文は、オープンループ電気生理学的記録セットアップ19、20、21、22を閉ループシステム2、6、23に変換するプロトコルおよびMatlabコードを提供する。このプロトコルは、ニューロン集団記録のための一般的な実験室システムであるデジタルLynx記録ハードウェアで動作するように設計されています。典型的な実験は、以下で構成されています: 1) スパイクデータの5〜20分を記録します。2)ニューロンテンプレートを作成するためのスパイクソート;3)これらのテンプレートを使用して、神経活動パターンのオンライン検出を実行します。4) ユーザー指定のパターンが検出された場合の刺激または実験イベントのトリガ。

<table><tbody><tr><td>Baytril</td><td>Bayer, Mississauga, CA</td><td>DIN 02169428</td><td>antibiotic; 50 mg/mL</td></tr><tr><td>Cheetah 6.4</td><td>NeuraLynx, Tucson, AZ</td><td>6.4.0.beta</td><td>データ取得用ソフトウェアインターフェース&nbsp;</td></tr><tr><td>デジタルLynx 4SX</td><td>NeuraLynx、ツーソン、アリゾナ州</td><td>4SX</td><td>録音機器</td></tr><tr><td>Headstage送信機</td><td>TBSI</td><td>B10-3163-GK</td>は<td>、神経信号を受信機</td></tr><tr><td>Isoflurane</td><td>Fresenius Kabi、トロント、カリフォルニア州</td>DIN <td>02237518</td><td>吸入麻酔薬</td></tr><tr><td>ジェット義歯粉末&に送信しますLiqud</td><td>Lang Dental, Wheeling, US</td><td>1230</td><td>歯科用アクリル</td></tr><tr><td>Lacri-Lube</td><td>Allergan, Markham, CA</td><td>DIN 00210889</td><td>眼軟膏</td></tr><tr><td>Lido-2</td><td>Rafter 8, Calgary</td><td>DIN 00654639</td><td>局所麻酔薬; 20 mg/mL</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td>R2018b</td><td>信号処理および外部イベントのトリガー用ソフトウェア</td></tr><tr><td>Metacam</td><td>Boehringer, Ingelheim, DE</td><td>DIN</td><td>02240463鎮痛剤; 5 mg/mL</td></tr><tr><td>Netcom</td><td>NeuraLynx</td><td>v1</td><td>アプリケーション プログラミング インターフェイス (API) は、Cheetah</td></tr><tr><td>シリコン プローブ</td><td>Cambridge Neurotech</td><td>ASSY-156-DBC2</td><td>埋め込み型デバイス</td></tr><tr><td>SpikeSort 3D&nbsp;</td><td>NeuraLynx、ツーソン、アリゾナ</td>州<td>SS3D</td><td>スパイク波形から細胞への分類ツール</td></tr><tr><td>ワイヤレス無線受信機</td><td>TBSI</td><td>911-1062-00</td><td>は、神経信号をデジタルリンクスに送信します</td></tr></tbody></table>

ニューロンスパイク活性を利用して神経生理学実験における閉ループ刺激を引き起こす

Using Neuron Spiking Activity to Trigger Closed-Loop Stimuli in Neurophysiological Experiments

閉ループ神経生理学的システムは、神経活動のパターンを使用して刺激を引き起こし、脳活動に影響を与えます。このような閉ループシステムは、すでに臨床応用に見られ、基本的な脳研究のための重要なツールです。特に興味深い最近の開発は、ニューロン活動の特定のパターンが選択されたニューロン群の光学刺激を引き起こすことができるような光遺伝学との閉ループアプローチの統合である。しかし、閉ループ実験用の電気生理学的システムの設定は困難な場合があります。ここでは、単一または複数のニューロンの活性に基づいて刺激をトリガするためのすぐに適用できるMatlabコードが提供される。このサンプル コードは、個々のニーズに基づいて簡単に変更できます。たとえば、サウンド刺激をトリガーする方法と、PC シリアル ポートに接続された外部デバイスをトリガーするように変更する方法を示します。提示されたプロトコルは、動物研究のための一般的なニューロン記録システム(Neuralynx)で動作するように設計されています。閉ループ刺激の実施は、覚醒ラットで実証される。

現場で生まれ育ったフィッシャーブラウンノルウェーのネズミは、実験の前に2週間の取り扱いに習慣がありました。記録ドライブは、前に説明した方法と同様に外科的に移植された、 28、29、30、31、32、33、34.神経信号はデジタル集録システムで32kHzで記録した。ニューロン信号は、最初にユニティゲインワイヤレスヘッドステージで増幅され、次いでゲイン1000で増幅され、600Hz~6,000Hzの間でフィルタリングされたバンドパスが手動で設定された振幅閾値(通常は48~60μV)を超えるニューロンスパイクを自動的に保存し、次いで別個のクラスタに分類した。したがって、各クラスタは、...

このプロトコルは、神経活動パターンによって引き起こされる閉ループ刺激のための電気生理学的システムを使用する方法を示す。異なる刺激デバイスに対して簡単に変更できるサンプル Matlab コードも提供されています。

Closed-loop neurophysiological systems use patterns of neuronal activity to trigger stimuli, which in turn affect brain activity. Such closed-loop systems ...

この標準的な神経生理学的記録システムは、脳内の因果関係を研究するのに有用である閉ループ刺激を行うために使用することができる。このプロトコルは、コンピュータサイエンスの限られた専門知識を持つ神経科学者が、わずかなコストで様々な閉ループ実験を迅速に実施することを可能にする。クローズドループ実験は、基礎科学と研究にとってますます重要になってきています。例えば、 複数のてんかん研究は、発作発症のニューロン刺激トリガーが発作の重症度を減らすための効果的なアプローチであることを示している。神経科学研究における閉ループ実験の採用を容易にするために、このプロトコルは、OPEN-ループ電気生理学的記録システムを閉ループシステムに変換するMATLABコードを提供する。閉ループ刺激のこの実装は、目覚めのラットで実証されています。チーター6.4データ収集システムをインストールするには、チーターの取得システムと対話するライブラリを含むソフトウェアのウェブページを開き、SpikeSort-3Dをインストールします。NetCom 開発パッケージをインストールします。MATLAB アカウントにログインして、正しいライセンス、バージョン、およびオペレーティング システムを選択します。次に、オンラインイベントトリガ用ライブラリをダウンロードし、ドキュメントMATLABフォルダにファイルを抽出します。データ取得の場合は、Cheetah ソフトウェアを開き、スパイク データを記録してテンプレート波形を入力します。数分後、データの取得を停止し、記録されたデータに対して SpikeSort を実行します。次に、SpikeSort3-D を開き、ファイル メニューをクリックしてスパイク ファイルを読み込む 記録されたデータを含むフォルダーからスパイク ファイルを選択します。次に、クラスター メニューをクリックし、KlustaKwik を使用して自動クラスター化して実行します。閉ループ実験を実行するには、チーターでデータ収集を再開し、MATLABを開きます。クローズドループを開きます。M をクリックし、[実行] をクリックします。または、コマンド ウィンドウで閉じたループを実行します。記録フォルダーを参照し、最初の記録で定義されたスパイク情報を読み込むスパイク データ ファイルのいずれかを選択します。プロットされた波形の下にある適切なチェックボックスをクリックして、刺激を引き起こすニューロンを1つまたは複数選択します。[最小一致] テキスト ボックスに整数を入力して刺激をトリガーするニューロンの最小数を定義し、ウィンドウ テキスト ボックスに数値を入力して、異なる波形に一致するスパイクが共アクティブと見なされる時間枠を定義します。次に、[送信] をクリックして、選択したニューロンのスパイクアクティビティに基づいてイベントのオンライントリガーを開始します。この代表的な実験では、ラットは行動実験の休憩中におなじみの休息場所であった植木鉢の上に休んだ。ここで、リアルタイムで取得したスパイク波形を表示する記録ソフトウェアとMATLABプログラムの代表的な同時実行が観察できる。事前定義されたトリガークラスタからのスパイクが検出されると、波形はMATLAB図ウィンドウに太字の破線で表示され、トーンがトリガーされ、閉ループシステムが提供されます。この図では、人工スパイク発生時からトリガ信号を誘導する時間までの遅延を示す代表的なヒストグラムが示されている。動物を準備し、ソフトウェアをインストールした後、クローズドループ実験は、最初のデータ取得とスパイクが外部刺激を引き起こす閉ループ刺激の2つの主要な段階で構成されています。このプロトコルはまた、脳内の情報処理に関する質問に対処するために重要である複数のニューロンの活性に基づいて刺激の治療を可能にする。このMATLABソリューションの利点は、様々な神経科学的な質問を調査するのに役立つ刺激を引き起こす活動パターンを定義する際の低コストと柔軟性です。

using-neuron-spiking-activity-to-trigger-closed-loop-stimuli

Research

JoVE Journal

Neuroscience

神経科学

我々は、神経のコントロールで一般的な原則を調査するために閉ループフライマシンインタフェースを使用してください。...

ブレインマシンインタフェースの閉ループ性能を研究する実験プラットフォーム

ChR2を表現成人生まれのニューロンは嗅覚神経回路の機能に向けての貢献を検討するために、スライスの電気生理学的な準備に操作することができます。...

ニューロンの光刺激のために手ごろな価格のLEDアレイを使用する

皮質機能は、多数のニューロン集団のレベルで発生するので、脊椎動物の中枢神経系の機能を理解することは、多くのニューロンからの記録が必要になります。ここでは、単一セルと単スパイク解像度、ディザリングされたランダムアクセスのスキャンと閾値上の神経活動を記録する光学的方法を説明します。この方法は、高時間分解能で、最大100からニューロンに蛍光体のカルシウムシグナルを記録します。最尤アルゴリズムは、体蛍光カルシウムシグナルから基礎閾値上神経活動をdeconvolves。この方法は、確実に高い検出効率と誤検知率の低さとスパイクを検出し、神経集団を研究するために使用することができます...

単一セルと単スパイク分解能で閾値上神経活動の光記録

このビデオは、神経活動を記録するための外科的埋め込みデバイスを使用して、ラットの閉ループ刺激の動作を示しています。まず、神経細胞の信号が記録され、分析されます。次に、テンプレート波形がアップロードされ、閉ループ刺激をトリガーするパラメータが定義されます。...

ニューロンスパイク活動による閉ループ刺激の誘発

遺伝学と光学系を組み合わせた神経科学のツールの最近の開発は、空間的および時間解像度の前例のないレベルの神経回路の活動を制御することができ、「光遺伝学」と呼ばれる。ここでは、前頭前皮質及びsubicular錐体ニューロンの遺伝的に定義されたサブセットのoptogenetic操作で、生体内の記録に統合するためのプロトコルを提供する。...

個々の錐体細胞のハイフィデリティOptogenetic制御法<em&gt;インビボ</em

光力学的末梢刺激に適した刺激をスパイクするために局所電場電位（LFPは）から複雑な移行を解明するためには、建設された。アプリケーションとして、体性感覚皮質から記録されたスパイク活動は多目的最適化戦略により分析した。結果は、提案刺激装置は、ミリ波·ミリの精度で触覚刺激を提供することができたことを証明した。...

点状の触覚刺激を思い起こさせるための簡単​​な刺激性デバイス：トランジションスパイクLFP用サーチライト

閉ループプロトコルは、現代の電気生理学においてますます普及しつつあります。私たちは、デスクトップコンピュータとデジタル取得ボードを使用して、in...

リアルタイム電気生理学：プローブ神経ダイナミクスとその先にクローズド·ループ·プロトコルの使用

この論文では、クローズドループ実験を行うための実験フレームワークが提示されています。そこでは、ロボット体との連続的な相互作用の中で、情報処理(すなわち、コーディングとデコード)とニューロンアセンブリの学習が研究されます。...

閉ループ神経のロボット実験は、神経回路網の計算特性を試験すること

この手順では、等電脳の状態で、その結果、生理学的に関連する脳の状態の間、継続的な電気的活動の完全な廃止後に単一ニューロンからの長期的なin vivoでの細胞内記録を行います。動物の生理学的定数は慎重に人工的な昏睡状態への移行中に監視されています。...

等電点電気泳動脳の状態の誘導は、神経細胞の興奮に内因性シナプス活性の影響を調査するために、<em&gt;インビボ</em

覚醒マウスにおいて、細胞外神経活動を同時に記録し、記録部位付近で複数の神経活性物質を放出する電極の構築方法を提示します。この技術により、目的のニューロンへの推定される局所シナプス入力の詳細な分析が可能になります。...

覚醒マウスにおける神経活性物質のMicroiontophoreticアプリケーションと組み合わせることで神経活動の細胞外記録

我々は、多くの カエノラブディティス・エレガンス...

複数の小生物からの自動マルチモーダル刺激と同時神経記録

学ぶ神経生理学における閉ループ刺激の実装方法。MATLABコードを用いて標準電気生理記録システムを変換し、覚醒ラットの神経スパイク活性に基づいてリアルタイム刺激を行い、脳の因果的相互作用を研究する。

ニューロンスパイク活性を利用して神経生理学実験における閉ループ刺激を引き起こす

さらに動画を探す