방법 논문

인간 간질 환자에서 동시 눈 추적 및 단일 뉴런 기록

DOI:

10.3791/59117

⸱

2019년 6월 17일

 ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

우리는 인간에 있는 동시 눈 추적을 가진 단 하나 신경 기록을 수행하는 방법을 기술합니다. 우리는 이 방법의 유용성을 설명하고 시각적 검색의 표적을 인코딩하는 인간 내측 측두엽에서 뉴런을 얻기 위해 이 접근법을 어떻게 사용했는지 설명합니다.

초록

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난치성 간질 환자에서 두개 내 기록은 활성 행동 동안 개별 인간의 뉴런의 활동을 연구 할 수있는 독특한 기회를 제공합니다. 행동을 정량화하는 중요한 도구는 눈 추적이며, 이는 시각적 주의를 연구하는 데 없어서는 안 될 도구입니다. 그러나 아이트래킹은 침습적 전기생리학과 동시에 사용하기가 어렵고, 이 접근법은 결과적으로 거의 사용되지 않았습니다. 여기에서, 우리는 인간에 있는 동시 눈 추적을 가진 단 하나 신경 기록을 수행하기 위하여 입증된 실험 프로토콜을 제시합니다. 우리는 시스템이 연결되는 방법과 뉴런과 눈의 움직임을 기록하는 최적의 설정을 설명합니다. 이 메서드의 유용성을 설명하기 위해 이 설정으로 인해 가능한 결과를 요약합니다. 이 데이터는 메모리 유도 시각적 검색 작업에서 아이 트래킹을 사용하여 현재 검색 대상에 대한 하향식 주의를 반영하는 대상 뉴런이라는 새로운 뉴런 클래스를 설명할 수 있는 방법을 보여줍니다. 마지막으로, 이 설정의 잠재적인 문제에 대한 중요성과 해결 방법을 논의합니다. 함께, 우리의 프로토콜 및 결과 제안 인간에서 동시 눈 추적 단일 뉴런 기록 인간의 뇌 기능을 연구 하는 효과적인 방법. 그것은 동물 신경 생리학과 인간의 인지 신경 과학 사이 주요 누락 된 링크를 제공 합니다.

서론

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인간의 단일 뉴런 기록은 특별한 공간 및 시간 적 해상도 1인간의 뇌의기능을 탐구하는 독특하고 강력한 도구입니다. 최근, 단일 뉴런 기록 인지 신경 과학 분야에서 광범위 한 사용을 얻고 있다 때문에 그들은 인간의 인식에 중앙 인지 프로세스의 직접 조사를 허용 하기 때문에. 이 기록은 심층 전극이 의심되는 국소 간질을 가진 환자의 두뇌로 일시적으로 이식되는 간질 초점의 위치를 결정하는 임상 필요에 의해 가능하게 됩니다. 이 설정을 통해 하이브리드 깊이 전극의 끝에서 돌출된 마이크로와이어를 사용하여 단일 뉴런 기록을 얻을 수 있습니다(하이브리드 깊이 전극의 삽입에 관여하는 수술 방법론에 대한 상세한 설명은 이전에 제공되었습니다. 프로토콜2). 그 중에서도, 이 방법은 인간의기억 3,4,감정5,6,주의7,8을연구하는 데 사용되었습니다.

아이트래킹은 인지 작업 중 시선 위치와 눈의 움직임(고정 및 사카데스)을 측정합니다. 비디오 기반 아이 트래커는 일반적으로 각막 반사와 동공의 중심을시간이 지남에 따라 추적하는 기능으로 사용합니다 9. 아이트래킹은 시선 위치가 대부분의 자연행동 중 주의의 초점을 나타내기 때문에 시각적인 주의를 연구하는 중요한 방법이다10,11,12. 아이트래킹은건강한 개인13명 및 신경학상 인구14,15,16에서시각적 인 주의를 연구하기 위해 광범위하게 사용되어 왔다.

단일 뉴런 기록과 아이 트래킹은 인간에서 개별적으로 광범위하게 사용되지만, 동시에 사용되는 연구는 거의 없습니다. 결과적으로, 그것은 여전히 크게 알 수 없는 인간의 두뇌에 있는 신경 눈 의 움직임에 응답 하는 방법 또는 그들은 현재 고정 된 자극에 민감한 여부. 이것은 동시 단일 뉴런 기록으로 눈 추적이 표준 도구가된 원숭이 연구와는 대조적입니다. 눈 의 움직임에 대한 신경 반응을 직접 조사하기 위해, 우리는 인간의 단일 뉴런 기록과 아이 트래킹을 결합했습니다. 여기서 우리는 그러한 실험을 수행하는 프로토콜을 설명하고 구체적인 예를 통해 결과를 설명한다.

개체 표현17,18 및 메모리3,19모두에서 인간 내측 측두엽(MTL)의 확립된 역할에도 불구하고, MTL 뉴런이 의 기능으로 변조되는지 여부는 크게 알려지지 않은 상태로 남아 있다. 행동 관련 목표에 대한 하향식 주의를 기울여야 합니다. 이러한 뉴런을 연구하는 것은 목표 관련 정보가 상향식 시각 과정에 미치는 영향을 이해하는 데 중요합니다. 여기서, 우리는 가이드 비주얼 검색을 사용하여 뉴런을 기록하는 동안 아이 트래킹의 유용성을 보여, 목표 지향 행동을 연구하는 잘 알려진 패러다임20,21,22,23, 24세 , 25. 이 방법을 사용하여, 우리는 최근에 현재 참석한 자극이 진행중인 검색의 목표인지 여부를 신호하는표적 뉴런이라는 뉴런의 클래스를 설명했다 8. 아래에서, 우리는 이 이전 과학적인 연구 결과를 재현하기 위하여 필요한 연구 프로토콜을 제시합니다. 이 예제에서 프로토콜을 쉽게 조정하여 임의의 시각적 주의 작업을 연구할 수 있습니다.

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프로토콜

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1. 참가자

  1. 간질 발작을 국소화하기 위해 두개내 전극의 배치를 겪고있는 난치성 간질을 가진 신경 외과 환자를 모집하십시오.
  2. 일반적으로 편도체, 해마, 전방 cingulate 피질 및 사전 보충 모터 영역의 하위 집합을 포함하는 모든 임상적으로 표시된 대상 위치에 내장 된 마이크로 와이어와 깊이 전극을 삽입합니다. 이전 프로토콜 2에서 이식에대한 세부 정보를 참조하십시오.
  3. 환자가 간질 모니터링 장치로 돌아오면 매크로 및 마이크로 레코딩 모두에 대한 기록 장비를 연결합니다. 여기에는 헤드 스테이지가 포함된 헤드 랩을 신중하게 준비하는 것이 포함됩니다(자세한 내용은 이전 설명참조2). 그런 다음 환자가 수술에서 회복될 때까지 기다렸다가 환자가 완전히 깨어있을 때 테스트를 수행합니다 (일반적으로 수술 후 적어도 36 내지 48 시간).

2. 실험 설정

  1. 그림1의 다이어그램 다음에 자극 컴퓨터를 전기 생리학 시스템과 아이 트래커에 연결합니다.
  2. 원격 비침습적외선 아이트래킹 시스템을 사용합니다(재료 표참조). 아이트래킹 시스템을 견고한 모바일 카트에 놓습니다(그림1A,B). 동일한 카트에 LCD 디스플레이를 수납할 수 있는 유연한 암을 부착합니다. 원격 모드를 사용하여 환자의 머리와 눈을 추적할 수 있습니다.
  3. 아이트래킹 카트에 완전히 충전된 무정전 전원 공급 장치(UPS)를 놓고 아이트래킹과 관련된 모든 장치(예: 환자 앞의 LCD, 아이 트래커 카메라 및 광원, 아이 트래커 호스트 컴퓨터)를 외부 전원이 아닌 UPS에 연결합니다. 소스.
  4. 환자와 LCD 화면 사이의 거리를 60-70cm로 조정하고 LCD 화면의 각도를 조정하여 화면 표면이 환자의 얼굴과 거의 평행하도록 합니다. 아이 트래커의 카메라가 환자의 코 높이에 약되도록 환자의 머리를 기준으로 화면의 높이를 조정합니다.
  5. 환자에게 단추 상자 또는 키보드를 제공합니다. 실험을 시작하기 전에 트리거(TTL) 및 버튼 누음이 제대로 기록되었는지 확인합니다.

3. 단일 뉴런 기록

  1. 수집 소프트웨어를 시작합니다. 먼저 광대역(0.1Hz ~ 8kHz) 로컬 필드 전위를 시각적으로 검사하고 라인 노이즈에 의해 오염되지 않았는지 확인합니다. 그렇지 않으면 표준 절차를 수행하여 노이즈를 제거합니다(토론 참조).
  2. 단일 뉴런을 식별하기 위해 밴드 패스는 신호를 필터링합니다(300Hz - 8KHz). 각 마이크로와이어 번들에 대한 참조로 8개의 마이크로와이어 중 하나를 선택합니다. 다른 참조를 테스트하고 (1) 다른 7 채널이 명확한 뉴런을 표시하고 , (2) 참조가 뉴런을 포함하지 않도록 참조를 조정합니다. 입력 범위를 ± 2,000 μV로 설정합니다.
  3. 데이터를 기록하기 전에 데이터를 NRD 파일(즉, 후속 오프라인 스파이크 정렬에 사용할 광대역 원시 데이터 파일)으로 저장하도록 설정합니다. 샘플링 속도를 32kHz로 설정합니다.

4. 아이 트래킹

  1. 아이트래킹 소프트웨어를 시작합니다. 헤드 고정 이외 시스템이므로, 아이 트래커가 머리 움직임에 맞게 조정할 수 있도록 환자의 이마에 스티커를 놓습니다.
  2. 아이트래커와 환자 사이의 거리와 각도를 조절하여 표적 마커, 헤드 거리, 동공 및 각막 반사(CR)가 준비된 것으로 표시되도록(아이트래킹 소프트웨어에서 녹색으로 표시됨) 도 2는 좋은 예카메라 설정 화면을 나타낸다). 기록할 눈을 클릭하고 샘플링 속도를 500Hz로 설정합니다.
  3. 동공 및 CR 임계값의 자동 조정을 사용합니다. 안경을 착용한 환자의 경우 조명과 카메라의 위치 및/또는 각도를 조정하여 유리의 반사가 동공 획득을 방해하지 않도록 합니다.
  4. 각 블록의 시작 부분에 내장된 9포인트 그리드 방법으로 아이 트래커를 보정합니다. 눈 위치("+"로 표시)가 9포인트 그리드로 잘 등록되어 있는지 확인합니다. 그렇지 않으면 보정을 다시 재생합니다.
  5. 교정을 수락하고 유효성 검사를 수행합니다. 최대 유효성 검사 오류가 < 2°이고 평균 유효성 검사 오류가 < 1°인 경우 유효성 검사를 수락합니다. 그렇지 않으면 유효성 검사를 다시 수행합니다.
  6. 드리프트 보정을 하고 실제 실험을 진행합니다.

5. 작업

  1. 이 시각적 검색 작업에서, 우리의 이전 연구에서 자극을 사용14 그리고8앞에 설명 된 대로 작업 절차를 따르십시오.
  2. 참가자에게 작업 지침을 제공합니다. 참가자에게 검색 배열에서 대상 항목을 찾고 가능한 한 빨리 응답하도록 지시합니다. 대상을 찾은 경우 응답 상자의 왼쪽 단추(재료 표참조)를 누르라고 참가자에게 지시하고 대상이 없다고 생각되는 경우 오른쪽 단추를 찾습니다. 참가자들에게 대상 출석 및 대상 결석 시험이 있을 것임을 명시적으로 지시합니다.
  3. 자극 프리젠 테이션 소프트웨어를 시작하고 (재료의 표참조) 작업을 실행 : 1 초에 대한 대상 큐를 제시하고 자극 프리젠 테이션 소프트웨어를 사용하여 검색 배열을 제시한다. 버튼을 누르고 평가판별 피드백(정정, 잘못된 또는 시간 시간 제외)을 참가자에게 제공합니다.

6. 데이터 분석

  1. 수집 및 아이트래킹 시스템은 서로 다른 시계에서 실행되므로 행동 로그 파일을 사용하여 전기 생리학 기록 및 아이 트래킹을 위한 정렬 타임스탬프를 찾습니다. 추가 분석을 진행하기 전에 전기 생리학 기록 및 아이 트래킹의 트리거를 일치시면 됩니다. 전기 생리학 기록 및 아이 트래킹을 위해 타임스탬프 및 분석 창에 따라 데이터 세그먼트를 별도로 추출합니다.
  2. 반자동 템플릿 매칭 알고리즘 Osort26을 사용하고2,26 앞에 설명된 단계를 수행하여 단일 뉴런을 식별합니다. 추가 분석 2로 이동하기 전에정렬 품질을 평가합니다.
  3. 눈 의 움직임 데이터를 분석하려면 먼저 아이 트래커의 EDF 데이터를 ASCII 형식으로 변환합니다. 또한, 고정 및 saccades추출. 그런 다음 ASCII 파일을 가져오고 (1) 타임 스탬프, (2) 눈 좌표 (x, y), (3) 동공 크기 및 (4) 이벤트 타임 스탬프와 같은 정보를 MAT 파일에 저장합니다. 연속 레코딩을 각 평가판에 구문 분석합니다.
  4. 앞에서 설명한 절차를 따라 스파이크와 동작간의 상관 관계를 분석합니다 8.

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결과

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위에서 언급 한 방법의 사용을 설명하기 위해, 우리는 간단히 우리가 최근에 게시 한 사용 사례를 설명8. 우리는 환자가 시각적 검색 작업을 수행하는 동안 인간 내측 측두엽 (MTL; 편도체 및 해마)에서 228 개의 단일 뉴런을 기록했습니다 (그림3A,B). 이 작업 도중, 우리는 뉴런의 활동이 표적과 산만에 고정 사이에서 분화되는지 여부를 조사했습니다.

첫째, 버튼을 누르면 반응을 정렬할 때, 뉴런은 표적-현재 시험과 표적 결석 시험 사이의 차등 활성을 보였다는 것을 발견하였다(도3C,D). 중요한 것은, 동시 아이 트래킹을 통해 고정 기반 분석을 수행했...

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토론

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이 프로토콜에서는 동시 아이 트래킹을 사용한 단일 뉴런 기록을 사용하는 방법을 설명하고 이 방법을 사용하여 인간 MTL의 표적 뉴런을 식별하는 방법을 설명했습니다.

설치에는 작업 실행(자극 컴퓨터), 아이 트래커를 실행하는 컴퓨터, 수집 시스템을 실행하는 컴퓨터 1대 등 세 대의 컴퓨터가 포함됩니다. 세 시스템 간의 동기화를 위해 병렬 포트는 자극 컴퓨터에서 전기 생리학 시스템으로 TTL 트리거를 전송하는 데 사용됩니다(그림1C). 동시에 자극 컴퓨터는 이더넷 케이블을 사용하여 동일한 TTL을 아이 트래커로 보냅니다. 자극 컴퓨터는 도시된 예에서 도킹 스테이션상에 병렬 포트를 가져야 하며(도1D)또는 대안적으로, PCI Express 병렬 포트 카드 또는 이와 유사한 디바이스를 가져야 한다.

자극 컴퓨터용 모바일 카트와 유연...

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공개 사항

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저자는 이해 상충을 선언하지 않습니다.

감사의 글

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우리는 그들의 참여에 대한 모든 환자에게 감사드립니다. 이 연구는 록펠러 신경 과학 연구소, 자폐증 과학 재단 및 다나 재단 (S.W.), NSF 커리어 상 (1554105 ~ U.R.), NIH (R01MH1110831 및 U01NS098961 U.R.R.)에 의해 지원되었습니다. 기금 모금자는 연구 설계, 데이터 수집 및 분석, 출판 결정 또는 원고 준비에 아무런 역할을 하지 않았습니다. 제임스 리, 에리카 콴, 시더스-시나이 시뮬레이션 센터 직원들이 데모 비디오 제작에 도움을 주신 것에 대해 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
Cedrus Response BoxCedrus (https://cedrus.com/)RB-844버튼 박스
Dell 노트북Dell (https://dell.com)Precision 7520Stimulus Computer
EyeLink Eye TrackerSR Research (https://www.sr-research.com)1000 Plus Remote with laptop host computer and LCD arm mountEye tracking
MATLABMathWorks IncR2016a (RRID: SCR_ 001622)데이터 분석
Neuralynx Neurophysiology SystemNeuralynx (https://neuralynx.com)ATLAS 128Electrophysiology
Osort오픈 소스v4.1 (RRID: SCR_015869)스파이크 정렬 알고리즘
Psychophysics Toolbx오픈 소스PTB3 ( RRID: SCR_002881)실험을 구현하기 위한 Matlab 도구 상자
정신물리학적

참고문헌

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