Een eenvoudige Stimulerende Inrichting voor Roepen Point-achtige Tactile Stimuli: Een Zoeklicht voor LFP te Transitions Spike

Summary

Om de complexe overgang van locale veldpotentialen (LFP's) toe te lichten om een ​​geschikte stimulator spikes voor lichte mechanische perifere stimuli werd gebouwd. Als een applicatie, werden de stekelige activiteiten opgenomen van somatosensorische cortex geanalyseerd door een multi-objective optimalisatie strategie. De resultaten toonden aan dat de voorgestelde stimulator kon tactiele stimuli leveren met milliseconde en millimeter precisie.

Abstract

Huidige neurofysiologisch onderzoek heeft als doel om methoden te ontwikkelen om het signaal route van neuron tot neuron, namelijk in de overgangen van spikes om locale veldpotentialen (LFP's) en van LFP's tot spikes onderzoeken.

LFP's hebben een complexe afhankelijkheid spike activiteit en hun relatie is nog steeds slecht begrepen ^1. De opheldering van deze signaal relaties zou nuttig zijn, zowel voor klinische diagnostiek (bv. stimulatie paradigma voor Deep Brain Stimulation) en voor een dieper begrip van neurale codering strategieën in normale en pathologische omstandigheden (bijv. epilepsie, de ziekte van Parkinson, chronische pijn). Om dit doel, moet men de technische kwesties in verband met stimulatie apparaten, stimulatie paradigma en computationele analyses op te lossen. Daarom werd een op maat gemaakte stimulatie apparaat ontwikkeld om stimuli goed geregeld in de ruimte en tijd die niet maken in mechanische resonantie. Vervolgensals een illustratie, een reeks betrouwbare LFP-spike relaties werd geëxtraheerd.

De werking van de inrichting werd onderzocht door extracellulaire opnames gezamenlijk pieken en LFP reacties op de toegepaste stimuli uit de rat primaire somatosensorische cortex. Vervolgens door middel van een multi-objective optimalisatie strategie, een voorspellend model spike optreden op basis LFPs geschat.

De toepassing van dit paradigma blijkt dat de inrichting voldoende is geschikt voor hoogfrequente tactiele stimulatie leveren overtrof gemeenschappelijk piëzo-elektrische actuatoren. Als bewijs voor de werkzaamheid van de inrichting zijn de volgende resultaten weergegeven: 1) de timing en betrouwbaarheid van LFP reacties goed overeenkomen met de piek reacties, 2) LFPs zijn gevoelig voor de stimulatiegeschiedenis en vangen niet alleen de gemiddelde respons maar ook proef tot proef-schommelingen in de spike activiteit en ten slotte 3) met de LFP signaal kan men schatten diverse of voorspellende modellen die verschillende aspecten van de spike-activiteit vast te leggen.

Introduction

In het kader van signaalverwerking de impulsresponsie verschaft een fundamentele karakterisatie van het gedrag van een dynamisch systeem.

Een ideale impuls stimulus praktisch niet haalbaar is, is het mogelijk een redelijke benadering van het verkrijgen via een actuator element dat hoogfrequente verplaatsingen genereert. Dit type licht tactiele-vibrerende stimulatie is bekend dat zowel diepe huid (bv. snel reageren, snel aanpassing Pacinian bloedlichaampjes) ² en oppervlakkige receptoren (bv. laagdrempelige traag aan Merkel schijfvormige structuren) ² richten.

Gelijkstroom stimulatie apparaten, voornamelijk piëzo-elektrische actuatoren, zijn belast met een aantal nadelen, niet in het minst resonanties en kleine verplaatsingen. Om deze tekortkomingen te overwinnen, is een alternatieve uitvoering van de impuls-achtige stimulatie voorgesteld met behulp van een stompe punt (een cactus afgevlakte tip in ons geval) verticaalgemonteerd op het membraan midden van een mid-range luidspreker conus. Dit verschaft het voordeel van grotere verplaatsingen en breder frequentiespectrum.

Een effectieve toepassing van een dergelijke inrichting is de studie van de relevante neurofysiologische probleem van de LFP's afhankelijkheid spikes. Vanwege de subtiele tijdelijk verband tussen deze elektrische gebeurtenissen een fijn gereguleerd apparaat nodig was voor het leveren van perifere stimuli. De stimuli was zo snel en ruimtelijk selectief mogelijk zijn om de "achtergrondruis" verminderen en scherper de signalen plaats. Hiertoe werden de stimuleringsapparaat en stimulus levering protocol gezamenlijk geoptimaliseerd voor de taak. In dit artikel beschrijven we de techniek en presenteren een aantal representatieve resultaten.

Een stimulatie protocol gebaseerd op gerandomiseerd gepaarde-pulsen is ontworpen en geoptimaliseerd om gewenning te vermijden. Dit protocol biedt het voordeel klassieke paired peulvruchten en verminderde de mogelijkheid van valse vergrendeling tussen stimuli en spontane periodieke uitbarstingen van neuronale activiteit.

Door deze gerandomiseerde gepaarde puls was het mogelijk om snel en betrouwbaar LFP en spike reacties te verkrijgen en de bijzonderheid van deze reacties in verband met de afhankelijkheid van zowel LFPs en pieken op de stimulatiegeschiedenis vangen. Inderdaad, uit de ruwe LFP reacties, een set van drie LFP voorzien (de LFP zelf, de LFP eerste afgeleide en fase van de eerste afgeleide) sterk correleert met de gemiddelde piek reactie werd geëxtraheerd.

Aantal methoden zijn voorgesteld om modellen die pieken van LFP ^3,4 voorspellen passen. In het algemeen een kritisch punt van het model aanpasproces gemeenschappelijk ook de voorspelling spike gebeurtenis uit de stimulus signaal wordt gevormd door de geschikte keuze van de doelfunctie te maximaliseren / minimaliseren. Terwijl een reeks van objectieve functies is voorstellend (bijv. correlatie en coherentie) ⁵ geen van deze gezamenlijk vangt de hele complexiteit van spike reacties. Bijgevolg wordt een nieuw kader op basis van multi-objective optimalisatie geïntroduceerd. We laten zien dat door het gebruik van de voorgestelde bedacht en deze computationele raamwerk is het mogelijk in te schatten een set van voorspellende modellen op basis van sterke LFP om relaties spike.

Protocol

Ethische verklaring

Om te onderzoeken hoe zintuiglijke prikkels worden vertegenwoordigd door neuronale activiteit is er geen alternatief voor het gebruik van dieren en het gebruik van een in vivo benadering. Alle dieren zijn behandeld aan de Italiaanse en Europese wetten op de behandeling van dieren in Wetenschappelijk Onderzoek (Italiaanse bio-ethische commissie, Wet Decreet over de behandeling van dieren in het onderzoek, 27 januari 1992, nr. 116). De National Research Council, waar de experimenten zijn uitgevoerd, houdt zich aan de Internationale Commissie voor Proefdierkunde (ICLAS) namens de Verenigde Naties voor Onderwijs, Wetenschap en Cultuur Organisaties (UNESCO), de Raad voor Internationale Organisaties van Medische Wetenschappen (CIOMS ) en de International Union of Biological Sciences (IUBS). Als zodanig werd geen protocol-specifieke goedkeuring vereist. De goedkeuring van het ministerie van Volksgezondheid is geclassificeerd als "Biella 1, 3/2011" in de dossiers van de Ethische Commissie van deUniversiteit van Milaan.

1. Bereiding van de proefdieren

1. Selecteer mannelijke ratten ongeveer 300-400 g in grootte.
2. Verdoven de ratten de experimentele opstelling.
   1. Injecteren intraperitoneaal een barbituraat oplossing (pentobarbital, 50 mg / kg voor inductie, 10 mg / kg voor onderhoud).
   2. Controleer de verdoving niveau door lage drempel en hoge drempel mechanische stimuli op een poot zorgen dat er geen terugtrekking reflex optreedt.
   3. Bereid de craniale huid door het scheren van de neurocranium nauwkeurig en maak dan een incisie aan de craniale oppervlak bloot te leggen.
   4. Canule de luchtpijp, een tracheale canule (binnendiameter van 2 mm en een buitendiameter van 2,5 mm) te bepalen door chirurgische ligatie in de luchtpijp zelf.
   5. Zijdelings aan de tracheale segment de halsader bloot en canule het inbrengen van een canule (PE10) verbonden met een injectiespuit de vaststelling van het door chirurgische ligatie rond het schip.
3. Monteer de rat op een stereotaxische apparaat.
   1. Secure rat lichaam en plaats in een liggende positie.
   2. Bevestig het hoofd op het gehoor bars en blokkeren de snuit. Plaats een of twee druppels plaatselijke verdoving (lidocaïne) in het oor van de rat voor het plaatsen van oor bars.
4. Regel de temperatuur van de stereotaxisch pad door een elektronisch geregelde verwarming pad, waarbij de temperatuur op 37,5 ° C.
5. Sluit de tracheatube aan de luchtwegen anesthesie-apparaat.
   1. Stel de luchtwegen anesthesie inrichting 1 slag / s leveren isofluraan (2,5% 0,4-0,8 L / min) en _O2 (0,15-0,2 L / min).
6. Reinig zorgvuldig de neurocranium door een povidonjood actueel antiseptische.
7. Neem een ​​steriele scalpel gesneden en lengterichting op de scheiding van de basis van de snuit naar de hoek van het occipitale bot.
   1. Aftakken de wond grenzen door een oprolmechanisme en bevestig ze door twee kleine cocker tang toegepast to de wond grenzen.
   2. Identificeer het periost door te wijzen een licht over een schedel gewelf observeren van de doorschijnend oppervlak. Kras voorzichtig het bot gewelf het verwijderen van het beenvlies en het blootstellen van het bot oppervlak.
   3. Zorg voor hemostase met een wattenstaafje of een chirurgische spons over het bot oppervlak indien focale bloedingen verschijnen over het bot.
8. Met een fijne stift, het identificeren van de stereotactische punt bregma op het kruispunt van de mediosagittal en coronale suturas.
   1. Onder chirurgische microscoop controle identificeren stereotactische gebied (S1HL) overlappen de somatosensorische cortex contralateraal van de achterste poot voor het experiment gebruikt (Bregma, AP -0,5 tot 1,2 mm, LL -2,3 tot 2,5 mm).
9. Met een fijne stift trekken het plein omtrek afbakening van het te boren gat.
   1. Boor een 9 mm ² gat aan de eerder geïdentificeerde blauwe vierkant verwijderen van het bot tegel.
   2. Reinigen en te absorberen potentiële bot bloedingen. Verwijder de dura mater zorgvuldig en dek de corticale oppervlak met een chirurgische spons gedrenkt in kunstmatige cerebrospinale vloeistof gehandhaafd op 37,5 ° C.
10. Bevestig de elektrodematrix een houder aangesloten op een elektronische micromanipulator.
    1. Sluit de kop van de matrix om de voorversterker een microconnector.
    2. Rijd handmatig de elektrode matrix (onder chirurgische microscoop controle) tot aan de corticale oppervlak (zonder aan te raken).
    3. Schakel de versterkers met auditief signaal.
    4. Rijden, door de elektronische controle, wordt de elektrode matrix om de corticale oppervlak aanraken totdat het contact bereikt, gesignaleerd door een duidelijke ruis geluid veranderen.
    5. Trek de elektrode matrix door elektronisch gestuurde stappen (2 micrometer / stap) tot een diepte van 350-400 micrometer is bereikt (corticale laag IV).
    6. Controleer de gevoeligheid van neuronen door licht raakt aan de contralaterale achterste poot.
    7. Stel de diepte van een paar verdere stappen totdat een heldere stekelige reactie wordt waargenomen.
    8. Verlammen ratten door intraveneuze thriethiodide gallamine (20 mg / kg / uur). Gebruik afgebogen doses gehele experiment curarisatie niveaus (0,2 ml / 1 uur) handhaven.

2. Signaal Behandeling

1. Stel de software bandfilter om [0.1 6000] Hz.
   1. Noteer de neuronale signalen van de micro-elektrode 8 kanalen matrix bemonsterd op 32 kHz.
2. Na de overname eindigt, exporteren de geregistreerde signalen in een binair formaat dat geschikt is voor post-processing.
   1. Voer de spike sorteren procedure door middel van de Wave_clus toolbox ^11.

3. Fabricage en configuratie van de stimulatie-apparaat

1. Monteer een cactus steel (met stompe punt) loodrecht op het oppervlak van een mid-range luidspreker lijmen van de stengel basis aan de dop.
2. Programmeer eenmicrocontroller spanningspulsen te leveren aan een besturingseenheid voor de luidspreker.
   1. Programmeren van de microcontroller tot twee gepaarde stroominpulsen per seconde leveren (zie figuur 1C).
3. Monteer de luidspreker en de microcontroller via een L293D h-brug met elementaire passieve componenten (zie figuur 1A).
4. Sluit de microcontroller om een ​​12 V accu.

4. Stimulatie Protocol

1. Lijm het dorsale aspect van de achterste poot van een solide frame, waardoor de volaire oppervlak en het vermijden van articulaire torsies.
2. Plaats het topje van de stimulatie-apparaat op de gewenste ledematen / poot positie.
3. Schakel het stimuleringsapparaat.

Offline stappen:

5. Evaluatie van Spike Responses

1. Voor elk opgenomen neuron, bereken de Shannon Mutual Information (MI) van de stimulus opgeroepen stekelige activiteit (stimulus category is ofwel 1, stimulus, of 0, geen stimulus).
   1. Schat de voorwaardelijke respons kans p (r | s) waarbij s de categorie stimulus vertegenwoordigt en r staat voor het aantal spikes uitgezonden binnen een vaste tijd venster.
   2. Corrigeer de MI schatting met behulp van het schudden procedure beschreven ^9.

6. Evaluatie van de LFP Responses

1. Filter de opgenomen signaal in het frequentiegebied [0.1 100] Hz om de LFP signaal te verkrijgen
2. Berekenen LFPSNR, een maat voor LFP responsiviteit, zoals uiteengezet in de referentie ^10.

7. Model Schatting

1. Genereer een model van het formulier
   
   waar de x argumenten vertegenwoordigen drie verschillende kenmerken LFP (x ₁ de LFP zelf, < em> x ₂ zijn derivaat en x ₃ de Hilbert fase van zijn derivaat) en F wordt als volgt uitgedrukt
   
   de g coëfficiënten gewichten een lineaire combinatie en f een operator die ofwel de absolute waarde, het vermogen of de oorspronkelijke waarde van elk _xi draait.
2. Gebruik de NSGAII algoritme opstelling van het model parameters en operators met behulp van de volgende drie objecten: i) een lokaal, trial-to-proef, passingsmaat Respectievelijk met N en N _{r sp} vertegenwoordigen de totale spikes tellen en de duur van de respons vector, ii) een globale passingsmaat basis van de gemiddelde reactietijdad/50941/50941eq4.jpg "width =" 205 "/> waarbij N _resp vertegenwoordigt de lengte van de gemiddelde respons, iii) een maat modelcomplexiteit (zie) ¹⁰ .

8. Histologische bevestiging

1. Offer de rat.
   1. Aan het einde van de experimentele opnamen, zet het dier onder diepe gasvormige anesthesie (Isoflurane 2%, 4 L / min) en injecteer intraveneus een barbituraat overdosering (> 50 mg / kg, pentobarbital).
   2. Wacht de hartstilstand.
   3. Ontkoppelt u de rat uit de stereotaxische apparaat
2. Perfusie.
   1. Plaats de rat leggen over een raster op een bekken naar het bloed en vloeistoffen uit de perfusie te verzamelen.
   2. Open de thorax met het ontleden van het borstbeen te scheiden van de rib inserties.
   3. Blokkeer de sternale xyphoid proces met een cocker pincet en kantelen cranially het borstbeen en de ribben aftakken over het hart.
   4. Identificeer de linker ventrikel en het rechter atrium, plaats een negen meter afgestompte tip naald (aangesloten op de perfusie canule) in het ventrikel en open met chirurgische fijne schaar de rechterboezem.
   5. Start de perfusie met koud (4 ° C) gehepariniseerde fysiologische oplossing (250 ml) gevolgd door perfusie van een 4% formaline-oplossing (250 ml).
3. Extraheer de hersenen uit de schedel door openen van neurocranium met een geschikte tang en plaats de hersenen in een 10% formaline-oplossing.
4. Na een week, de voorbereiding van de histologische plakjes door een microtoom (10 micrometer dikte).
5. Vlekken op de hersenen coronale en sagittale secties met cresylviolet oplossing.

Representative Results

Tip excursie functies

Om de dynamische eigenschappen van de voorgestelde stimulerende inrichting karakteriseren, werd een reeks experimenten opgezet. Een specifieke inrichting die bestaat uit een galliumarsenide infrarood diode gekoppeld met een fototransistor silicium gebruikt om de punt verplaatsing, de verplaatsing duur en de eventuele verplaatsing vertragingen beoordelen. Via deze optische onderbreker schakelaar geplaatst we de stimulator tip over de rand van de diode gat (hoogte = 1 mm) en zowel de microcontroller en de fototransistor output geregistreerd. De plaatsing procedure werd vergemakkelijkt door een microstepper apparaat met een maximale resolutie van 1 mm.

De reactie van inrichtingen zijn getoond in figuur 2A. De rode lijn geeft de fototransistor respons gevolgd door de microcontroller antwoord dat het exacte begin van de tip verplaatsing aangeeft. Met name een systematische vertraging te wijten aan pendelaarsties was aanwezig en gekwantificeerd (Figuur 2B, gemiddelde = 583 msec in 100 onderzoeken) die het resultaat zijn ruimschoots onder de gewenste tijd precisie (1 msec). Tenslotte, maten we de tip verplaatsing duur dat was 3,96 msec gemiddeld zoals getoond in figuur 2C.

Gerandomiseerde Gekoppelde Pulse Protocol op Capture LFP en Spike Betrekkingen

Om de relatie tussen LFP en pieken begrijpen we eerst naar een stimulatie inrichting die een snelle en betrouwbare reacties kunnen oproepen vanuit beide signalen genereren. De Figuur 3A toont de inter-stimulus-interval distributie, ervoor te zorgen dat het apparaat leidde tot een modulatie van de spiking activiteit. Het apparaat beschrijving en de werking wordt beschreven in de sectie Protocol.

In de figuren 3B en 3C de LFP en spike antwoorden voor een representatieve neuron worden getoond, respectievelijk. Door het meten van Mutual Informatie voor spikes en SNR voor LFP (Figuren 4A en 4B) was duidelijk dat zowel coderen voor een aanzienlijke hoeveelheid informatie over stimulus voorkomen.

Interessant LFP's en spikes verstrekt ook informatie over de stimulatie geschiedenis (figuren 4C-E). Met name werden LFP reacties aanzienlijk verminderd wanneer het werkelijke stimulus werd voorafgegaan door een vorig impuls met een voldoende kleine inter-stimulus-interval (Figuren 4C en 4D). Neuronale codering van stimulatiegeschiedenis positief gecorreleerd met MI hoewel vertoonden aanzienlijk lagere waarden (figuur 4E).

Vervolgens vroegen we welke functies van de LFP signaal beter correleren met de spike respons. Na een eerste onderzoek werden drie LFP kenmerken die sterk correleert met de gemiddelde piek respons vastgesteld: de gemiddelde LFP, zijn derivaat en de fase van de LFP derivaat (

Een multi-objective strategie voor Spike voorspelling op basis van LFP

Spike treinen hebben meestal complexe temporele structuren die significante correlaties vertonen op verschillende tijdschalen. Dus, welke aspecten van de neuronale respons worden opgevangen door LFP's?

Een goede test om het begrip van de LFP-spike relatie sonde is om te vragen hoe goed spikes zijn voorspelbaar gewoon door te kijken naar de LFP signaal. Daarom, wanneer de bovenstaande reeks LFP kenmerken (zie Figuur 4F) was het doel een voorspellend model dat op elk moment leest de waarden van deze functies en genereert een binaire voorspelling over het optreden van een piek bouwen.

Een kritiek probleem in verband met het aanbrengen van een piek predictiemodel wordt gevormd door de keuze van een geschikte doelfunctie. De meest voorkomende keuzes zijn de Pearson coëfficiënt en de samenhang functie ^5. Interesting alternatieven worden geleverd door spike metrics ^6. Terwijl de eerste twee maatregelen zijn gebaseerd op het gemiddelde neuronale reacties en derhalve de volledige structuur van de steker treinen niet vastleggen laatstgenoemde berekeningsintensieve en niet praktisch voor montage doeleinden. Een alternatieve oplossing op basis van multi-objective optimalisatie wordt voorgesteld. Het idee is om gezamenlijk te minimaliseren meer doelstellingen functies (hierna belde net doelstellingen). Deze doelstellingen computationeel efficiënt te berekenen en kunnen de verschillende aspecten van de neuronale respons vast te zijn.

Door gebruik te maken van het concept van Pareto optimaliteit kunnen we dan vinden een aantal modellen, elk geoptimaliseerd voor specifieke trade-offs tussen deze doelstellingen. Om de Pareto optimale oppervlakken schatten werd NSGAII algoritme ^12. Wij identificeerden drie doelfuncties: een wereldwijde basis van de afstand van de gemiddelde reacties, lokaal een basis van de afstand van proef tot proef-basis en een extra doelstelling die de complexiteit van het model benadeelt (zie de relatieve Protocol sectie).

Het verkregen door het aanbrengen van een vertegenwoordiger neuron Aanbevolen dataset resultaten zijn getoond in figuren 5A en 5B. Figuur 5A meldt de globale afstand (PF) en de lokale afstand (SM) tussen model en waar antwoorden. De genoemde afstanden voor elk model optimaal zijn in een Pareto zin, zodat er geen model is beter of slechter dan een ander een in beide afstanden. Hetzelfde principe geldt voor alle drie de afstanden gezamenlijk beschouwd (Figuur 5B).

Een belangrijk voordeel van de schatting van een reeks modellen optimale plaats van een enkele ligt in het feit dat verschillende modellen, gebaseerd op optimale afwegingen tussen de gestelde doelen, vangen verschillende aspecten van de werkelijke neuronale respons. Dit is weergegeven in figuur 6, waarbij het ​​oorspronkelijke raster diagrammen (figuren 6A en 6D) en de voorspelde ones (figuren 6B, 6C, 6E en 6F) worden gerapporteerd, van twee representatieve neuronen: modellen die de lokale afstand capture minimaliseren van de meest betrouwbare fase van de neuronale reacties (figuren 6B en 6E ) terwijl de modellen op basis van een redelijke afweging tussen het lokale en het globale afstand beter vastleggen van de neuron variabiliteit en spontane vuren over het hele temporele bereik (0-50 msec, figuren 6C en 6F).

Figuur 1. (A) Schematische voorstelling van stuurschakeling. De belangrijkste component is een L293D h-brug. De microcontroller opdrachten worden geleverd blz ins D1 en D2. (B) Blunted tip bewegingen voor lichte mechanische stimulatie. De grootte raster op de grafiek papier is 1 mm. Klik hier voor grotere afbeelding .

Figuur 2. Tip verplaatsing functies. (A) De uitgangen van de microcontroller (blauwe lijn) en van de fototransistor (rode lijn). De groene verticale lijn is ingesteld op 0 geeft aan het begin van de tip verplaatsing. (B) De kansverdeling van de effectieve tip verplaatsing vertragingen verkregen meer dan 100 studies. (C) De kansverdeling van de duur van de tip verplaatsing gemiddeld in 100 proeven./ Ftp_upload/50941/50941fig2highres.jpg "target =" _blank "> Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 3. (A) Inter-Stimulus-Interval distributie. (B, C) ​​"on air" stimuli geen reacties op te roepen (zie de top van beide grafieken in het bereik van 1.000 tot 1.200 proeven). Vergelijk ze met de echte prikkel proefvaart (op de y-assen) van 0 tot 1000, waar tussen 15-40 msec vertraging van de stimulus onset (tijd 0 op de x-as) duidelijke reacties kunnen worden waargenomen. Het perceel in (B) verwijst naar de LFP respons terwijl de plot in (C) verwijst naar de spike respons. In de y-as van de meest rechtse cijfer, zijn de posities ("grote teen", "II" en #34;. III ", enz.) van de stimuli op de achterste ledematen van ratten Klik hier voor grotere afbeelding .

Figuur 4. (A, B) voor wederzijdse informatie en LFP _SNR als functie van de tijd langs verschillende cijfers. (C) LFP genormaliseerde waarden na korte (<100 msec) en lange (> 300 msec) Inter-Stimulus-Interval (IStimI) . (D) gemiddeld vermogen van de LFP reacties na lange en korte IStimI. Elke stip vertegenwoordigt een duidelijke opname. (E) MI over long / short IStimI als functie van de grootste MI waarden over stimulus optreden (Imax). Elke stip vertegenwoordigt advertentieistinct neuron. (F) De PSTH van een representatieve neuron goed correleert met drie kenmerken van de LFP reactie:. De gemiddelde ruwe signaal, het gemiddelde derivaat en de fase van het derivaat Klik hier voor grotere afbeelding .

Figuur 5. (A, B) lokale en globale afstand tussen voorspelde en echte antwoorden voor een representatieve neuron. (B) Gezamenlijke evaluatie voor de drie afstanden. Pareto optimale oplossingen werden geschat met behulp van de NSGAII algoritme. Klik hier voor grotere afbeelding .

Figuur 6. Ware (A, D) en ongeveer (B, C en E, respectievelijk F) responsen op twee representatieve neuronen. X, y, z vertegenwoordigen respectievelijk het ruwe LFP signaal zijn derivaat en de fase van het derivaat. Klik hier voor vergroting afbeelding .

Discussion

Dit werk eerst presenteerde een nieuwe, eenvoudige en goedkope inrichting waarmee snel en ruimtelijk puntvormige zintuiglijke prikkels leveren. Dan is een gerandomiseerde gepaarde puls stimulatie protocol en een set van computationele analyses werden gevalideerd. Het algemene doel was om een ​​kader voor de raming van LFP-spike relaties in elektrofysiologische opnames tijdens tactiele stimulatie vestigen.

Het apparaat, het protocol en de analytische benadering hebben gezamenlijk bijgedragen aan het resultaat, namelijk de eerste demonstratie van een deterministische benadering kunnen LFP-to-spike overgangen beschrijven en te voorspellen, een neuraal proces nog steeds slecht begrepen ^1.

Een kritisch punt werd vertegenwoordigd door de juiste instelling van de programmeerbare microcontroller board, welke sterkte en lengte van de tip excursie getrokken door de stofkap regelt. Een geschikte oplossing waardoor betrouwbare hoogfrequente stimuli en relatief grote displacementen is beschreven bij de Resultaten. Vergeleken met conventionele piëzo-elektrische actuatoren de inrichting voorzien twee belangrijke voordelen: het ontsnapt aan de typisch probleem van mechanische resonantie en het stond relatief grote tip verplaatsingen.

Neuronen in S1 cortex is bekend dat grote receptieve velden en snelle reacties op tactiele stimulatie ⁸ uiten. De snelle, impuls zoals stimuli zijn optimaal geschikt voor zowel oppervlakkige als diepe huid receptoren (bv. Merkel of Pacinian bloedlichaampjes) ² werven, en juist van het veranderen van de stimulus parameters (intensiteit, duur, oprit derivaat) kon men bij voorkeur werven een van deze verschillende receptorklassen . De gerandomiseerde gepaarde puls protocol is gericht op het verminderen voorspellende meevoeren van neuronale oscillaties optreden die meestal optreedt tijdens de periodieke stimuli stimulus. Aan de andere kant de variabele interval tussen de gepaarde pulsen liet ons toe om een ​​duidelijke dependenc extraherene op stimulatiegeschiedenis. Voor de schatting van de structuur en de parameters van onze voorspellende model vertrouwden we op een bekende multi-objective optimalisatie-algoritme, de zogenaamde Non-gedomineerd Sorting Genetic Algorithm II of NSGAII ^12. Een belangrijk probleem bij het aanbrengen van een voorspellend model voor spike voorval berust in het complexe temporele structuur van echte spike treinen. Het meten van de afstand tussen de voorspelde en echte spike treinen heeft zich bewezen als een computationeel taak ⁶ zijn. Het gebruik van NSGAII, een multi-objective optimalisatie-algoritme, zorgt voor de afbraak van het probleem in meerdere, computationeel efficiënt afstanden.

Om de goedheid van een model dat we nodig hadden om de fout te kwantificeren voorspelling vertegenwoordigd door de afstand tussen de voorspelde en echte spike treinen evalueren. Twee belangrijkste criteria om modelvoorspellingen evalueren werden in aanmerking genomen. De aanpasproces terug een aantal modellen in plaats van een enkele. Interessant elk model in de set leek om verschillende aspecten van de oorspronkelijke spike treinen vast te leggen.

Concluderend kan het ontwikkelde raamwerk, gebaseerd op gezamenlijk geoptimaliseerde stimulatie-apparaat, protocol en analyses, worden gebruikt om verder inzicht in de LFP-spike relatie te krijgen en om huidige strategieën te verbeteren voor de programmering efficiënte brein-machine-interfaces en neuroprosthetics.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Microstepper	AB Transvertex (Stockholm, Sweden)		The microstepper used to pull down the electrode matrix
32-channel Cheetah System	Neuralynx (MT, USA)		The electrophysiological recording system
L293D h-bridge	RS Components (Cinisello Balsamo, Italy)		The bridge used to connect the microcontroller to the speaker
H21A3 Optical Interrupter Switch	Fairchild Semiconductor Corporation (San Jose, California)		The phototransistor used to estabilish the tip displacement
Arduino Uno	Arduino (Duemilanove, Italy)		The microcontroller used to deliver current pulse to the speaker
Microelectrode Matrices GB1	FHC
Isoflurane	Rhodia Organique Fine Ltd.		The anesthetic used to prepare animals
Stereotaxic apparatus	Narishighe (Tokyo, Japan)
Sprague-Dawley male rats	Charles River (Calco, LC, Italy)
Gallamine thriethiodide	Sigma-Aldrich		The compound used to curarize the animals
Cresyl violet	Sigma-Aldrich
Topical antiseptics (Betadine 10%)	Meda Pharma (Milanm Italy)
Heparine	Sigma-Aldrich
Formaldehyde	Carlo Erba Reagents (Pomigliano Milanese, Milan, Italy)