이 프로토콜은 박스 아래의 센서에서 가속 데이터를 수집하여 PPI(Prepulse Inhibition)를 평가하는 마이크로 컨트롤러 기반 동작 박스를 제공합니다. 이 데이터는 사회적으로 고립된 쥐의 감각 게이팅 결핍을 평가하며, 행동 장애에 대한 신경 생리학 연구를 발전시키기 위해 데이터를 신경 활동과 동기화하는 추가 방법을 사용합니다.
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이 논문에서
요약
초록
생애 초기의 고통은 신경 발달 장애의 잠재적인 전조로 인식되고 있습니다. 동물 모델에서 이 상태를 조사하는 한 가지 방법은 젖을 뗀 후 사회적 고립입니다. 설치류의 이러한 생애 초기의 고통은 전전두엽 피질 부피 감소, 수지상 척추 밀도 감소, 복부 피개 영역의 도파민 활동 증가를 포함하여 정신 분열증 환자에서 관찰된 것과 유사한 신경 변화로 이어지는 것으로 나타났습니다. PPI(Prepulse Inhibition) 패러다임은 인간과 동물 모델 모두에서 감각 게이팅 결핍을 평가하기 위해 확립된 방법입니다. PPI는 더 약한 음향 사전 자극(예: 65dB 펄스)이 선행될 때 더 강한 음향 자극(예: 120dB 펄스)에 대한 놀람 반사의 억제를 나타냅니다. 이러한 현상은 정신 질환 환자와 정신 질환의 동물 모델에서 종종 감소한다. 이 기사에서는 PPI 연구를 위한 행동 상자를 구축하기 위한 프로토콜을 소개하여 접근 가능하고 비용 효율적인 정신 분열증 동물 모델을 사용하고 행동 상자를 모델의 신경 기록(예: 전기 생리학적 기록)과 동기화할 수 있도록 합니다. 이 맞춤형 행동 상자는 놀람 반응을 효과적으로 감지하고 젖을 뗀 후 격리된 자유롭게 행동하는 설치류에서 동시 신경 기록을 통해 PPI 평가를 용이하게 했습니다.
서론
조현병(SCZ) 진단을 받은 사람들은 종종 감각 운동 결핍을 보인다. 이러한 환자들에서는 감각 자극에 대한 반응이 감소하고 다양한 감각 입력에서 관련 정보를 식별하기 어려운 경우가 종종 보고됩니다 1,2. 건강한 사람의 경우, 더 강한 자극이 발생하기 전에 약한 자극을 전달하면 더 강한 자극에 대한 일반적인 놀람 반사가 감소합니다3. 이 현상은 사전 펄스 억제(PPI)로 알려져 있으며 SCZ 환자 및 SCZ4의 동물 모델에서 감각 게이팅 결손을 조사하는 데 사용되었습니다.
음향 PPI 작업에서, 하나의 강한 음향 펄스(예: ~120dB)에 대한 놀람 반응은 동일한 자극이 짧은 간격(30-500)에 더 약한 자극(예: ~65dB)에 의해 선행될 때의 놀람 반응과 비교됩니다3,4. 건강한 개인의 경우, 더 약한 프리펄스가 나타날 때 펄스에 대한 놀람 반응이 감소합니다(하나의 강한 펄스에만 대한 놀람 반응과 비교할 때). 이 현상은 SCZ를 가진 개인에서 방해를 받으며, 강한 펄스 1,5,6,7,8보다 약한 프리펄스가 제시될 때에도 놀람 반응의 억제가 적습니다.
SCZ 환자와 유사하게, 메솔림빅 도파민 과잉 활동을 가진 쥐도 감소된 음향 PPI9를 나타내므로 이 패러다임은 정신분열증의 동물 모델에서 행동 및 생리학적 변화를 조사하는 데 유용한 도구입니다. 일반적으로 PPI를 위한 상용 장치는 실험 매개변수(예: 인터펄스 간격 및 자극 강도)를 설정하고 설치류의 놀람 반응을 기록하고 데이터를 처리하기 위한 센서, 스피커 및 소프트웨어를 포함하는 음향 챔버로 구성됩니다. 그러나 상용 시스템은 종종 제한된 사용자 정의 옵션을 제공하고 비용이 많이 듭니다. 유연한 연구 기구를 구축하기 위한 DIY(Do-it-yourself) 접근 방식은 장비에 대한 접근성을 높이고 지식을 전달하고 있습니다10. PPI와 같은 감각 운동 게이팅 메커니즘을 연구하기 위한 DIY 솔루션은 효율성과 신뢰성을 보장하기 위해 몇 가지 핵심 요소를 고려해야 합니다. 몇 가지 필수 고려 사항에는 설계 사양, 환경 및 조명 제어, 소음 감쇠, 자극 전달 시스템, 동작 측정 센서, 데이터 수집 및 분석이 포함됩니다.
행동 상자를 위한 DIY 솔루션은 조작적 핥기 실험11, 청각 변별 과제12, 앞다리 기능13과 같은 다양한 기능을 위해 개발되었다. 비록 여러 DIY 접근법이 비디오 추적에 초점을 맞추고 있지만(14), 이러한 유형의 데이터는 분석하기 위해 많은 계산 자원을 필요로 한다. 오픈 소스 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼을 사용하여 맞춤형 실험15,16,17을 테스트하고 자유롭게 행동하는 동물의 신경 기록을 동기화할 수 있는 유연성을 갖춘 저비용 PPI 행동 상자를 구축할 수 있습니다.
이 기사에서는 SCZ와 유사한 증상의 발병에 기여하는 초기 스트레스인 젖 뗀 후 격리 쥐 모델을 조사하기 위한 저비용 플랫폼으로 PPI를 평가하기 위한 행동 상자를 개발하는 방법을 소개하며, 이는 동시 전기생리학적 뇌 기록에도 사용할 수 있습니다.
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프로토콜
동물 실험은 실험실 동물의 관리 및 사용에 대한 가이드에 따라 수행되었습니다. 이 프로젝트는 CEUA Santos Dumont Institute의 윤리 위원회(승인 번호 04/2016)의 승인을 받았습니다. PPI 검사를 위해 35마리의 Wistar 쥐(생후 3개월, 290-490g, 수컷 19마리, 암컷 16마리)를 PPI 상자에서 개별적으로 평가했습니다. 35마리의 쥐 모두는 젖을 뗀 후 격리 절차를 거쳤으며, 23°C의 온도와 70% 습도의 12/12시간 조명 주기 아래에서 음식과 물을 임시로 이용할 수 있는 통제된 시설에 개별적으로 수용되었습니다. 연구에 사용된 시약 및 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나와 있습니다.
1. PPI 상자
- 길이 25cm, 너비 20cm, 높이 25cm의 아크릴 투명 상자를 만들어 자유롭게 행동하는 쥐를 철사로 묶어 놓는다. 이 높이는 쥐가 탈출하는 것을 방지하고 헤드스테이지를 자유롭게 유지하고 뉴런 녹음을 위해 안전하게 유지하는 데 중요합니다.
- 접착식 고무 패드를 사용하여 아크릴 상자를 외부 기계적 진동(예: 다른 장비가 있는 실험실 벤치)으로부터 격리하고 다른 부품(예: 벤치 또는 와이어)과 물리적 접촉 없이 상자 아래에 가속도계를 부착한 상태로 유지합니다.
알림: 작업 요구 사항(예: 마우스, 쥐, 마모셋)에 따라 투명 아크릴 상자의 크기를 조정합니다.
- 접착식 고무 패드를 사용하여 아크릴 상자를 외부 기계적 진동(예: 다른 장비가 있는 실험실 벤치)으로부터 격리하고 다른 부품(예: 벤치 또는 와이어)과 물리적 접촉 없이 상자 아래에 가속도계를 부착한 상태로 유지합니다.
- 리본 케이블(26AWG)을 가속도계 보드의 4개 핀 구멍(VCC(전압), GND(접지), SCL(직렬 클록) 및 SDA(직렬 데이터)에 직접 납땜합니다. 아크릴 중앙과 가속도계의 평평한 면판을 청소합니다. 시아노아크릴레이트 접착제 또는 에폭시 수지를 사용하여 아크릴 상자 아래에 가속도계를 단단히 부착합니다.
- 완전히 경화될 때까지 기다립니다(그림 1). VCC에서 3.3V로, GND에서 GND, SCL에서 SCL(I2C, SCL), SDA에서 SDA(I2C SDA)와 같이 리본 케이블의 다른 쪽을 마이크로컨트롤러에 연결합니다. 가속도계를 다른 부품(예: 벤치 또는 와이어)과 물리적으로 접촉하지 않고 상자 아래에 부착한 상태로 유지하십시오.
참고: 여러 브랜드의 DYI 가속도계 및 마이크로컨트롤러가 있습니다. 마이크로컨트롤러와 가속도계의 크기와 유형은 용도와 상자 치수/사양에 따라 다릅니다. 각 테스트 세션 후에 세척 절차를 고려하고 필요한 경우 솔더 조인트 및 회로에 전자 바니시 층을 적용하여 가속도계 금속 부품에 우발적으로 튀는 것을 절연하고 보호합니다. 비교를 위해 DYI 가속도계와 상업용 가속도계가 상자 아래에 나란히 부착되었습니다.
- 완전히 경화될 때까지 기다립니다(그림 1). VCC에서 3.3V로, GND에서 GND, SCL에서 SCL(I2C, SCL), SDA에서 SDA(I2C SDA)와 같이 리본 케이블의 다른 쪽을 마이크로컨트롤러에 연결합니다. 가속도계를 다른 부품(예: 벤치 또는 와이어)과 물리적으로 접촉하지 않고 상자 아래에 부착한 상태로 유지하십시오.
- 15mm 두께의 중밀도 섬유판(MDF)을 사용하여 전면 도어와 80cm 가장자리가 있는 방음실을 만듭니다. 상자 내부에 어쿠스틱 폼을 깔아줍니다. 헤드스테이지와 케이블이 자유롭게 움직일 수 있도록 아크릴 상자 위로 20cm 높이에 스피커를 놓습니다.
- 컴퓨터 오디오 출력을 마이크로 컨트롤러 기판(아날로그 입력 및 GND)에 연결하고 스피커에서 음향 자극을 수신하고 TTL(트랜지스터-트랜지스터 논리) 이벤트 마커를 생성하여 동작 및 신경 데이터를 동기화하는 상용 오디오 감지기를 통해 스피커를 연결합니다(그림 2).
참고: 실험 요구 사항에 따라 음향 챔버를 구축합니다(예: 카메라, 추가 조명 및 스피커의 필요성 고려). 저항기 분배기(예: 10kΩ 및 10kΩ 저항기)를 사용하여 컴퓨터 오디오를 0-5V의 마이크로컨트롤러 아날로그 입력 범위로 유지합니다. 상업용 오디오 감지기 장치는 오디오 입력을 수신하고 컴퓨터에서 보낸 각 음향 자극에 대한 자극 시작 표시로 TTL(Transistor-Transistor-Logic)을 보냅니다(0-0.4V는 낮은 상태, 2.8-5V는 높은 상태로 간주됨). 일반적으로 전기생리학 시스템에는 TTL 또는 아날로그 신호(예: 청력 자극)를 수신하기 위한 암 BNC 입력 포트가 있습니다.
- 컴퓨터 오디오 출력을 마이크로 컨트롤러 기판(아날로그 입력 및 GND)에 연결하고 스피커에서 음향 자극을 수신하고 TTL(트랜지스터-트랜지스터 논리) 이벤트 마커를 생성하여 동작 및 신경 데이터를 동기화하는 상용 오디오 감지기를 통해 스피커를 연결합니다(그림 2).
- USB 케이블을 사용하여 마이크로컨트롤러 보드를 컴퓨터에 연결합니다. 마이크로컨트롤러 보드용 통합 개발 환경 소프트웨어를 엽니다.
- 해당 마이크로컨트롤러 보드, COM 포트 및 전송 속도를 선택합니다. 파일 스케치를 열고 코드를 컴파일한 다음 마이크로 컨트롤러 보드에 업로드합니다. 모니터 직렬 포트를 클릭하여 들어오는 데이터를 확인합니다. 개발 환경 소프트웨어를 닫습니다.
참고: USB를 통해 마이크로 컨트롤러 보드를 컴퓨터에 연결하면 COM 포트가 할당됩니다. Windows 제어판에서 장치 관리자를 열고 포트 (COM 및 LPT)를 클릭하여 마이크로컨트롤러에 할당된 COM 포트(COM 번호)를 확인합니다. COM 번호는 개발 소프트웨어 COM 포트 설정과 일치해야 합니다. 스케치의 예는 https://github.com/neurodeveloperISD 에서 확인할 수 있습니다.
- 해당 마이크로컨트롤러 보드, COM 포트 및 전송 속도를 선택합니다. 파일 스케치를 열고 코드를 컴파일한 다음 마이크로 컨트롤러 보드에 업로드합니다. 모니터 직렬 포트를 클릭하여 들어오는 데이터를 확인합니다. 개발 환경 소프트웨어를 닫습니다.
- 동물이 상자에 들어갈 곳과 같은 위치에 디지털 사운드 레버 미터를 놓습니다. 도어가 닫힌 상태에서 챔버의 배경 소음을 확인하십시오. 음향 자극을 재생하고 사운드 레벨 미터의 감지 범위(30-80dB 또는 80-130dB)를 조정하여 컴퓨터에서 보낸 음향 자극 수준을 보정합니다.
참고: 실험 프로토콜에 따라 선호하는 오픈 소스 언어(예: Python)를 사용하여 다양한 자극 시퀀스를 생성할 수 있습니다. 이 연구를 위해 68dB 백색 잡음이 무작위 사전 펄스 및 펄스 조합으로 7분 동안 제시되었습니다. 파일을 웨이브 파일로 내보내고 오프라인 분석을 위해 프리펄스/펄스 조합의 테이블 시퀀스를 내보냅니다. - 선호하는 오픈 소스 소프트웨어 프로그램을 열어 직렬 포트 데이터를 획득하고 저장합니다. COM 포트, 마이크로 컨트롤러 보드 및 전송 속도를 구성합니다. 연결을 클릭하여 원시 데이터 또는 차트를 읽습니다. 저장을 클릭하여 실험 데이터 기록을 시작합니다.
참고: 직렬 포트(예: CoolTerm, Python) 및 상업적으로 사용 가능한 포트(예: Matlab)를 기록하는 오픈 소스 소프트웨어가 있습니다. - 동물을 배치하기 전에 각 구성 요소(자극 전달, 반응 감지)가 제대로 작동하는지 확인하십시오. 자극의 타이밍과 순서를 확인합니다(선택한 PPI 프로토콜에 따라). 가속도계 응답의 정확한 감지 및 기록을 확인합니다.
- 반응 데이터를 수집 및 분석하여 PPI 효과를 평가합니다(5단계). 통계 도구를 사용하여 결과를 해석하고 감각 운동 게이팅 결함을 평가합니다.
그림 1: 동작 상자 아래에 단단히 부착된 가속도계. 이 그림은 데이터 비교를 위한 저가형 가속도계 보드(왼쪽)와 고급 상용 가속도계(오른쪽)를 보여줍니다. 가속도계는 아크릴 상자에 단단히 부착되어야 하며, 아크릴 플레이트에는 청소 절차 및 동물의 변화로 인해 파손되지 않도록 플랫 케이블을 연결해야 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 통합 마이크로 컨트롤러 기반 동작 상자. 뇌 전기생리학 기록 시스템에 연결된 유선 헤드스테이지가 있는 아크릴 상자 안의 쥐를 보여주는 개략도. 마이크로 컨트롤러에 연결된 상자 아래의 가속도계는 3축 가속도계 데이터를 컴퓨터로 전송하고 오프라인 데이터 처리를 위한 자극 트리거 마크를 가져옵니다. 스피커는 노이즈 배경과 사운드 펄스를 재생하여 가속도계 데이터에 대한 마커를 트리거합니다. 마이크는 전기생리학적 데이터와 동기화하기 위해 음향 자극을 획득합니다(예: 작업 중 발성 행동 획득). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 쥐의 젖을 뗀 후 격리 절차
- 쥐의 새끼를 젖을 뗀 직후(생후 17일 에서 21일) 개별 우리에 격리하고 출생 후 최소 90일 동안 격리합니다.
- 확립된 프로토콜을 사용하여 출생 후 90일 후에 신경외과 미세전극 어레이 임플란트를 수행합니다18,19.
- 수술 후 7-10일 후에 PPI 작업을 수행합니다(4단계 참조).
3. 전극 배열 뇌 이식을 위한 외과 절차
- 미세 전극 어레이는 사전에 멸균되어야 합니다(이 연구는 직경 50μm의 텅스텐 와이어 32개를 사용함, 그림 3A). 동물을 이소플루란 마취(기관에서 승인된 프로토콜에 따라 0.5L/min O2에서 5%)와 함께 격리된 상자에 넣습니다.
- 상자에서 동물을 꺼내 마취 노즈 콘(0.5L/min O2에서 1%)으로 이소플루란 마취 상태로 유지합니다. 아트로핀을 0.05mg/kg의 근육 주사로 투여합니다. 소독액을 사용하여 얇은 판으로 동물의 머리를 면도하십시오. 5분 후, 케타민을 복강내 70mg/kg으로, 자일라진을 3mg/kg으로 근육 주사로 투여합니다.
- 흡입 가능한 이소플루란(0.5 L/min O2에서 1%-5%)의 다축 입체 장치에서 37 ± 0.2 °C의 가열 패드에 동물을 놓습니다. 발열 패드를 제어하는 직장 센서를 PO2 포화도 및 심박수를 모니터링하기 위한 직장 센서와 함께 삽입합니다. 산소 포화도가 95% 이상이고 심박수가 200-300bpm 사이인지 확인하십시오.
참고: 수술 과정 전반에 걸쳐 이러한 매개변수를 관찰하고 필요한 경우 이소플루란 농도를 조정하십시오. - 멸균 안과 윤활제를 동물의 눈에 바르고 멸균 수술용 드레이프로 동물을 덮습니다.
알림: 무균 상태에서 다음 모든 수술 절차를 수행하십시오. - 동물의 머리 부위의 수술 영역을 열고 봉합사를 사용하여 피부로 고정합니다 (4-0). 리도카인 20%를 동물의 두개골에 피하로 바르고 머리 피부를 세로(~1.5cm) 절개한 다음 갈골 골막을 제거합니다. 과산화수소로 뼈 표면을 청소하십시오.
- 특히 여러 뇌 영역에서 기록하는 경우 개두술의 정확도를 높이기 위해 브레그마와 람다를 동일한 수평면에 정렬합니다(이 연구는 Ventral Tegmental Area, Amygdala, Nucleus Accumbens, Hippocampus 및 Prefrontal Cortex에서 기록됨, 그림 3B).
- 로봇 드릴로 버 구멍 위치를 표시하고 경막에 천공을 하지 않고 개두술의 먼 두개골 위치에 분산된 위치에 3-4개의 나사를 삽입합니다(그림 3C, D).
- 수동 두개골 절제술을시행하고, 뇌 표적에 대해 최대 속도로 치과용 드릴을 사용하여 개두술 주변을 드릴링합니다(그림 3E).
- 뼈를 제거하고, 경막을 멸균 식염수로 보관하고, 경막을 제거합니다.
참고: 깊이 정확도를 위태롭게 할 수 있는 뇌 손상을 방지하기 위해 경막을 추출하는 전체 과정에 주의하십시오. - 어레이의 전극을 두개골 절제술 위치에 놓고 가장 깊은 위치 전극이 뇌 조직에 가볍게 닿을 때까지 전극 어레이를 아래로 이동합니다. 4개의 나사 주위에 배치된 두개골 표면에 배치된 전극의 전기 접지를 위해 와이어를 사용합니다(그림 3F).
참고: 대체 주제를 사용하여 동물 모델19 의 신경외과 임플란트 교육을 참조하십시오. - 목표 위치까지 100μm 간격으로 전극을 삽입하고 치과 시멘트로 고정하여 커넥터를 두개골에 단단히 고정하고 피부에서 나오지 않도록 합니다.
알림: 치과 시멘트를 뇌 조직이나 커넥터 핀 구멍에 떨어뜨리지 않도록 주의하십시오.
그림 3: 미세전극 어레이 임플란트. (A) Prelimbic 및 Infralimbic PFC, VTA, AMY, NAcc 및 hipc를 위한 50um의 32개의 텅스텐 와이어가 있는 미세전극 어레이. (B) 뇌 표적, 브레그마, 람다를 보여주는 쥐의 두개골. (C) 두개골 절제술 및 나사를 위한 드릴링 위치. (D) 미세 전극 어레이 임플란트 및 두개골 절제술 드로잉을 지지하는 나사. (E) 경막이 없는 두개골 개구부. (F) 뇌를 관통하는 미세전극. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
4. PPI 및 신경 세포 기록
- 헤드스테이지를 쥐 두개골의 커넥터 임플란트에 매우 조심스럽게 연결하십시오.
참고: 이 단계는 헤드스테이지 수 커넥터의 마이크로 핀이 부러지거나 두개골의 치과용 아크릴이 손상되는 것을 방지하는 데 중요합니다. 동물은 이소플루란 마취(0.5L/min O2에서 5%)가 있는 상자에 넣어 필요한 경우 연결을 도울 수 있습니다. 마취를 사용하여 헤드스테이지를 연결할 때는 이소플루란이 씻겨 나갈 때까지 기다렸다가 PPI 행동과 뇌 활동에 영향을 미치지 않도록 합니다. - 뉴런 데이터 수집 시스템을 켜고 마이크로 컨트롤러 또는 오디오 감지기 또는 마이크에 연결된 TTL 발생기를 통해 음향 자극에서 데이터를 수신하는지 확인합니다. 1.6단계에서 이전에 확인한 직렬 포트 오픈 소스 레코더를 켭니다.
참고: 실험실 시설에 따라 이러한 동기화 절차가 다를 수 있습니다. - 전기생리학 수집 소프트웨어로 전기생리학적(스파이크 및 국소장전위) 및 가속도계 데이터 수집을 시작하십시오.
참고: 들어오는 데이터를 확인하고 게인 설정을 조정하여 신호가 잘리거나 스파이크 파형 및 스파이크 감지 임계값을 감지하지 못하지 않도록 합니다. 레코딩 시스템과 기록된 데이터에 따라 온라인 모드에서만 게인과 임계값을 조정할 수 있습니다. 일반적으로 0.5Hz에서 100Hz까지의 저주파 신호(LFP), 일반적으로 300Hz에서 5000Hz의 고주파(스파이크) 및 일반적으로 50/60Hz의 저주파 노이즈에 대한 필터 설정이 오프라인 분석을 허용하도록 올바르게 지정되었는지 확인합니다. - 동물을 백색 배경 소음(~68dB)에 7분 동안 노출시키고 각 유형마다 10회씩 모든 유형의 펄스를 무작위로 표시합니다(그림 4). 그림 4 는 이 프로토콜에 사용되는 5가지 유형의 펄스, 즉 펄스 1(75dB 프리 펄스, 30ms 간격 및 120dB 펄스), 펄스 2(85dB 프리 펄스, 30ms 간격 및 120dB 펄스), 펄스 3(75dB 프리 펄스, 100ms 간격 및 120dB 펄스), 펄스 4(85dB 프리 펄스, 100ms 간격 및 120dB 펄스), 및 펄스 5(120dB 단일 펄스).
- 녹음 세션이 끝나면 획득 소프트웨어를 끄고 헤드스테이지 커넥터를 분리합니다.
그림 4: 청각 자극의 유형. 5가지 유형의 프리펄스 + 펄스 조합을 사용한 7분의 백색 잡음에 대한 그림 세션이 무작위로 제시되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
5. 전기생리학 및 행동 분석
- 뇌 데이터, 가속도 및 음향 자극을 포함하는 원시 데이터를 신호 처리 플랫폼에서 가져올 수 있습니다. 각 음향 자극을 중심으로 한 epoch를 추출합니다.
- 그에 따라 평균을 정규화하여 동물 간의 값을 비교합니다. 단일 펄스(이 프로토콜의 펄스 5)를 최대 응답으로 사용하고 다른 펄스에 대한 반사를 이 값으로 정규화합니다.
- 펄스 5에 대한 놀람 진폭을 100%로 간주하고 다른 펄스를 펄스 5의 함수로 간주합니다.
참고: 진폭은 세 가속도계 축(그림 5A)의 제곱 평균 제곱근(RMS)을 사용하여 추출되어 n개의 값 집합에서 놀람의 크기(그림 5B)를 표현합니다. RMS는 수학 공식20이며, 여기서:
ax = 가속도계 x축, ay = 가속도계 y축, az = 가속도계 z축
t = 음향 자극의 시작 및 200ms
n = 컬렉션 값
펄스 5와 관련된 펄스 1 - 4의 RMS 깜짝 놀람 백분율을 계산하려면:
RMS펄스 = 펄스 1, 2, 3, 4에 대한 RMSstartle
RMSpulse5 = 펄스 5에 대한 RMSstartle - 뉴런 데이터 수집 시스템으로 전송된 TTL을 사용하여 음향 자극과 그에 따른 반사 반응을 둘러싼 뇌 데이터를 분석합니다.
그림 5: 3축 가속도계 데이터 및 RMS. (A) 예시적인 삼축 가속도계(x, y, z축(g)) 데이터는 기준선 6분 및 무작위 백색 잡음 80 PPI 자극 동안 기록되었습니다. (B) 세 개의 가속도계 축(x, y, z, 강조 표시된 회색 열, B에서 확장됨)에서 RMS 계산을 깜짝 놀라게 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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결과
프리펄스 억제는 펄스 5(120dB만 해당)와 비교하여 펄스 1 및 3에 대한 차이를 보이지 않았지만 펄스 2 및 4(p < 0.05)에 대해서는 통계적 차이를 보였습니다(그림 6).
그림 6: 5가지 유형의 펄스에서 청각 자극에 대한 평균 응답 진폭. 펄스 1 및 3의 PPI%는 펄스 5와 다르지 않습니다. 펄스 2 및 4(*)의 PPI%는 펄스 5와 다릅니다. 오차 막대는 표준 오류를 나타냅니다.
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토론
이 프로토콜은 뇌 데이터(이 예에서는 국소 필드 전위 및 스파이크 활동)를 기록하면서 자유롭게 행동하는 Wistar 쥐의 사전 펄스 억제 작업을 연구하기 위한 DIY 행동 상자를 제시했습니다. 이 상자는 신경 과학 실험실에서 흔히 볼 수 있는 구성 요소로 제작 및 맞춤화할 수 있으므로 접근하기 쉽고 저렴합니다. 또한 이러한 DIY 솔루션을 사용하면 실험을 설계하고 개인화할 수 있는 유연성을 높일 수 있습니다.
DIY 시스템을 사용하면 저렴한 비용과 사용 편의성을 포함하여 많은 이점을 얻을 수 있습니다. 오픈 소스 소프트웨어 및 하드웨어를 사용하면 새로운 프로토콜을 구축하고 테스트할 수 있으므로 다양한 애플리케이션에서 쉽게 활용할 수 있습니다. 반면에, 더 발전된 마이크로 컨트롤러 또는 단일 보드 컴퓨터에 비해 처리 능력이 적은 것과 같은 단점 및 제한 사항으로 인해 여러 입력 센서(예: 높은 샘플링 속도의 센서)가 있는...
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공개 사항
저자는 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다.
감사의 글
Edith Granados, Cinvestav Guadalajara, PPI 스크립트 및 데이터 동기화로 이 프로젝트를 친절하게 지원해 주셔서 감사합니다. 이 작업은 Santos Dumont Institute, Ministry of Education, CNPq, CAPES 및 FINEP의 지원을 받았습니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 아크릴 상자 | 맞춤 제작 | 5mm 두께의 아크릴 시트, 20 cm x 25 cm x 25 cm | |
| 접착 고무 범퍼 패드 | 고릴라 그릿 | MPU6050 | 직경 0.8인치, 높이 0.38인치. 아크릴 상자를 안정화하고 외부 진동으로부터 차단하는 고무 패드. 상자 아래에 MPU6050이 있기 때문에 높이는 5mm 이상이어야 합니다. |
| 아두이노 우노 | 아두이노 | ATmega328P | 14개의 디지털 입력/출력 핀, 6개의 아날로그 입력 및 16MHz의 클럭 속도를 갖춘 ATmega328P를 기반으로 하는 Arduino 마이크로컨트롤러 보드입니다. |
| Cedrus stim 추적기(오디오 감지기) | 세드루스 | https://cedrus.com/stimtracker/index.htm | Cedrus stim tracker는 음향 자극을 감지하고 TTL 마커를 가속도계 데이터로 보냅니다. |
| 시네플렉스 리서치 시스템 | 플렉슨 | https://plexon.com/plexon-systems/cineplex-behavioral-research-system/ | 전기생리학적 데이터와 동기화된 동물의 비디오 녹화. |
| 시아노아크릴레이트 접착제 | MPU6050 | 상자 아래에 MPU6050를 단단히 부착하기 위한 강력 접착제. | |
| 디지털 사운드 레버 미터 | 데시벨 미터는 실험 전에 설정된 자극을 보정합니다. | ||
| IBM SPSS | SPSS(미국 사회과학 통계 패키지) | IBM SPSS Statistics 소프트웨어 플랫폼. | |
| 매트랩 | 매스웍스 | https://www.mathworks.com/products/matlab.html | 데이터 분석, 알고리즘 개발 및 모델 생성을 위한 MATLAB 플랫폼입니다. |
| 마이크로 스테인레스 스틸 나사 | 직경 1.2mm, 길이 4mm의 안경 나사. | ||
| 마이크로엘레트로드 어레이 | 사내 맞춤 제작 | 그것은 옴네틱스 커넥터와 캘리포니아 파인 와이어의 파릴렌으로 코팅된 텅스텐 50미크론 와이어를 사용합니다. | |
| 마이크 | 전기생리학적 데이터와 동기화된 음향 자극을 획득하는 마이크. | ||
| MPU-6050 시리즈 | 인벤센스 | https://invensense.tdk.com/products/motion-tracking/6-axis/mpu-6050/ | MPU-6050은 3축 자이로스코프와 3축 가속도계입니다. |
| 다중 채널 수집 프로세서 | 플렉슨 | 스파이크/LFP | MAP Plexon은 신경 전기물리학적 데이터 SPIKE/LFP 및 보조 채널(마이크, TTL 마커, 가속도계)을 획득합니다. |
| 뉴로익스플로러 | 넥스 | https://www.neuroexplorer.com/ | 지속적으로 기록된 신호 및 타임스탬프(스파이크 트레인, 행동 이벤트)의 NeuroExplorer 데이터 분석 프로그램 |
| 뉴로익스플로러 | 넥스 테크놀기 | https://www.neuroexplorer.com/ | SPIKE 및 LFP 신경생리학적 데이터 분석을 위한 소프트웨어. |
| 오프라인 분류기 | 플렉슨 | https://plexon.com/products/offline-sorter/#38957t34842 | 오프라인 스파이크 분류를 위한 소프트웨어. |
| 오프라인 정렬기 | 오프라인 분류기 | https://plexon.com/products/offline-sorter/ | Offline Sorter는 오프라인 스파이크 정렬 소프트웨어입니다. |
| 직장 수의학 SpO2 센서 | KTMED (주) | FS-03 | 소동물용 SpO2 센서 |
| 리본 케이블 | MPU6050를 Arduino에 연결하기 위한 얇은 리본 케이블. | ||
| 로보티 드릴 | 뉴로스타 | https://robot-stereotaxic.com/drill-injection-robot/ | Neurostar 정위 고정 수술과 함께 사용되는 로봇 드릴. 수동 드릴로 교체할 수 있습니다. |
| 연설자 | 스피커의 범위는 100-40kHz이고 강도는 최대 150dB입니다. | ||
| 정위 장치 | 뉴로스타 | 설치류의 신경외과에 사용되는 정위 고정 |
참고문헌
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