Name: 신경 생리학적 실험에서 신경 스파이크 활동을 사용하여 폐쇄 루프 자극을 트리거합니다. (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-11-12T11:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 19 s
Description: 학습하세요 뇌의 인과적 상호작용을 연구하는 폐쇄 루프 자극 방법을 깨어있는 쥐에서 실시간 신경 스파이크 기반으로 구현하는 기법을. MATLAB 코드를 활용해 비용 효율적으로 신경과학 실험을 수행할 수 있습니다.

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이 작품은 AL 및 AG에 NSERC 디스커버리 보조금에 의해 지원되었다.

여기에 설명된 모든 절차는 레스브리지 동물 복지 위원회가 승인한 동물 연구 프로토콜에 따라 수행되었습니다.
1. 수술
참고 : 신경 생리학적 기록을 위한 프로브를 이식하는 데 사용되는 수술 절차는 다른 간행물24,25,26에제시되었다. 폐쇄 루프 자극을 위한 수술의 정확한 세부 사항은 사용된 기록 프로브의 모형 및 표적으로 한 두뇌 지역에 달려 있습니다. 대부분의 경우, 그러나, 전형적인 수술은 다음 단계로 구성됩니다.
<ol><li>수술실에 쥐가 있는 케이지를 실리콘 프로브 또는 전극 어레이로 이식하여 신경 활동을 기록합니다.</li>
	<li>설치류를 2-2.5 %의 이소플루란으로 마취시키고 머리를 입체 적 프레임으로 고정시다. 온화한 촉각 자극(25)에대한 임의의 운동 반응을 관찰하여 수술 중에 동물이 의식이 없는지 확인하십시오.</li>
	<li>수술 중 건조를 최소화하기 위해 눈 연고를 바르십시오.</li>
	<li>수술 부위를 면도하고 2 % 클로르헨시딘 용액과 70 % 이소 프로필 알코올로 피부를 소독하십시오.</li>
	<li>전극이 이식될 뇌 영역에 두피 아래에 리도카인(5 mg/kg)을 주입하십시오.</li>
	<li>향후 임플란트 부위에 두피를 절개하고, 메스와 면봉을 사용하여 노출된두개골(25)에서골막을 지웁히 한다.</li>
	<li>임플란트(25)에대한 구조적 지지로서 앵커 나사(~0.5 mm)의 이식을 위해 두개골에 4-8개의 구멍을 뚫는다. 구멍에 나사를 삽입하여 두개골에 부착하고 제자리에 단단히 고정되어 있는지 확인하십시오.</li>
	<li>지정된 좌표에서 개두를 드릴하고 마이크로 드라이브 / 프로브 임플란트를 삽입합니다. 참고: 폐쇄 루프 자극에 대해 설명된 프로토콜은 전극이 삽입되는 모든 뇌 영역에 대해 작동합니다.</li>
	<li>치과 아크릴을 사용하여 마이크로 드라이브 / 프로브 및 필요한 전기 인터페이스 커넥터를 두개골에 고정하십시오. 치과 아크릴의 양은 임플란트를 단단히 부착하기에 충분해야하지만 주변 연조직(25)과접촉해서는 안됩니다.</li>
	<li>수술 후, 동물을 면밀히 모니터링하여 흉골 의정력을 유지하기에 충분한 의식을 회복할 때까지25. 이후 3 일 동안 피하 진통제 (예 : 메타캄, 1 mg / kg) 및 감염을 예방하기 위한 항생제 (예 : enrofloxacin, 10 mg / kg)를 투여하십시오. 참고: 동물은 일반적으로 테스트 또는 기록 하기 전에 1 주일 동안 수술에서 복구 남아.</li>
</ol>2. 소프트웨어 설치
참고 : 이것은 윈도우 10, 64 비트 버전에서 테스트되었습니다.
<ol><li>데이터 수집 및 처리 소프트웨어를 설치합니다.<ol>
<li>치타 획득 시스템과 상호 작용하는 라이브러리를 포함하는 데이터 수집 시스템 치타 6.4 (https://neuralynx.com/software/category/sw-acquisition-control)를 설치합니다.</li>
		<li>스파이크 정렬(https://neuralynx.com/software/spikesort-3d) 또는 스파이크 정렬을 위해 KlustaKwik27을 사용하는 기타 소프트웨어를 설치합니다. 온라인 탐지 소프트웨어는 KlustaKwik 엔진의 클러스터 정의를 사용합니다. 이 소프트웨어는 동일한 컴퓨터에서 실행되거나 동일한 네트워크에 있는 별도의 컴퓨터에서 실행될 수 있습니다.</li>
		<li>https://neuralynx.com/software/netcom-development-package 다운로드할 수 있는 NetComDevelopmentPackage(https://github.com/leomol/cheetah-interface/blob/master/NetComDevelopmentPackage_v3.1.0)를 설치합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Matlab 설치(https://www.mathworks.com/downloads/; 코드는 Matlab 버전 R2018a에서 테스트되었습니다). Windows 방화벽에서 Matlab을 사용하도록 설정했는지 확인합니다. 일반적으로 첫 번째 연결 중에 팝업이 나타납니다.<ol>
<li>Matlab 계정에 로그인합니다. 라이선스를 선택합니다. 버전을 선택합니다. 운영 체제를 선택합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>다음 라이브러리에서 트리거되는 온라인 이벤트: https://github.com/leomol/cheetah-interface 및 추출 파일컴퓨터의 '문서/Matlab' 폴더로 다운로드합니다. 코드 사본은 첨부된 보충 자료에제공됩니다.</li>
</ol>3. 초기 데이터 수집
<ol><li>치타 소프트웨어를 사용하여 데이터 수집을 시작합니다.</li>
	<li>몇 분 동안 데이터를 기록하여 템플릿 파형을 채웁니다.</li>
	<li>데이터 수집을 중지하고 기록된 데이터에 대한 스파이크 정렬을 수행합니다.<ol>
<li>스파이크정렬3D 열기, 파일 | 클릭 메뉴 | 스파이크 파일을 로드하고기록된 데이터가 있는 폴더에서 스파이크 파일을 선택합니다.</li>
		<li>클러스터 메뉴를 클릭한 다음 KlustaKwik를 사용하여 자동 클러스터를클릭하고 기본 설정을 남기고 실행을클릭합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 폐쇄 루프 실험
<ol><li>치타에서 데이터 수집을 재개합니다.</li>
	<li>매트랩을 엽니다.<ol>
<li>ClosedLoop.m을 열고 실행을클릭합니다. 또는 Matlab 명령 창에서 ClosedLoop()를 실행합니다. ClosedLoop.m이 Matlab 경로에 있는지 확인합니다. 사용자가 모든 트리거를 호출하는 사용자 지정 함수를 사용하려는 경우 사용자 정의 Function이 해당 함수의 핸들인 ClosedLoop('-콜백', customFunction)를 대신 실행합니다.</li>
		<li>로드를클릭하고, 기록 폴더로 검색하고, 급증하는 데이터 파일 중 하나(.ntt, .nse)를 선택하여 초기 레코딩에 정의된 스파이크 정보를 로드합니다.</li>
		<li>플롯된 파형 아래의 확인란을 클릭하여 자극을 트리거할 하나 또는 여러 개의 뉴런을 선택합니다.</li>
		<li>"최소일치" 텍스트 상자에 정수를 입력하여 자극을 트리거하는 뉴런의 최소 수를 정의합니다. 다른 파형과 일치하는 스파이크가 "창" 텍스트 상자에 숫자를 입력하여 공동 활성으로 간주되는 시간 창을 정의합니다.</li>
		<li>보내기를 클릭하여 시작합니다. 이렇게 하면 선택한 뉴런의 급증 활동에 따라 이벤트(기본값으로 톤)가 온라인으로 트리거링되기 시작합니다.</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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>

저자는이 작품과 관련된 이해 상충이 없습니다.

여기서 설명된 프로토콜은, 표준 신경생리학적 기록 시스템을 사용하여 폐쇄 루프 자극을 수행하는 방법을 보여준다. 이 프로토콜을 사용하면 컴퓨터 과학에 대한 전문 지식이 부족한 신경 과학자들이 적은 비용으로 다양한 폐쇄 루프 실험을 신속하게 구현할 수 있습니다. 이러한 실험은 종종 뇌의 인과 적 상호 작용을 연구하는 데 필요합니다.
동물을 준비하고 소프트웨어를 설치한 후(1단계 및 2단계) 폐쇄 루프 실험은 두 단계로 구성됩니다. 먼저, 초기 데이터 수집(Step 3)은 단일 뉴런의 활성에 대응하는 템플릿을 정의하기 위해 데이터를 수집한다(즉, 스파이크 정렬; 3.5단계). 둘째, 새로 기록된 스파이크가 실시간으로 미리 정의된 클러스터에 자동으로 할당되고 스파이크 형태가 지정된 뉴런이 검출될 경우 자극을 트리거하는 폐쇄 루프 자극(4단계). 제시된 Matlab 스크립트(보충 자료참조)는 단일 뉴런의 활성 및 여러 선택된 뉴런의 활성에 기초하여 상이한 ...

이 프로토콜의 목표는 신경 생리학적 실험에서 폐쇄 루프 자극을 구현하는 방법을 입증하는 것입니다. 신경 과학에 있는 폐쇄 루프 실험을 위한 일반적인 설치는 신경 활동의 온라인 판독에 근거를 둔 자극을 시작 하 관련. 이것은 차례로 뇌 활동의 수정을 일으켜 피드백 루프1,2를닫습니다. 이러한 폐쇄 루프 실험은 표준 오픈 루프 설정에 걸쳐 여러 이점을 제공, 특히 광유전학과 결합 할 때, 이는 연구원이 뉴런의 특정 하위 집합을 대상으로 할 수 있습니다. 예를 들어, Siegle과 Wilson은 폐쇄 루프 조작을 사용하여 정보 처리에서 세타 진동의 역할을연구했습니다 3. 그(것)들은 세타 진동의 떨어지는 단계에 해마 뉴런을 자극하는 것은 상승 단계에 동일 자극을 적용하는 것보다 행동에 다른 효력이 있었다는 것을 설명했습니다. 폐쇄 루프 실험은 또한 전임상 연구에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 예를 들면, 다중 간질 연구 결과는 포착 개시에 시작되는 신경 자극이 포착의 엄격을 감소시키는 효과적인 접근이다는 것을 보여주었습니다4,5,6. 더욱이, 자동 발작 검출 및치료7,8의 우발적 전달을 위한 시스템은 간질 환자9,10,11,12에서상당한 이점을 보였다. 폐쇄 루프 방법론의 급속한 발전과 또 다른 응용 영역은 피질 뇌 - 기계 인터페이스와 신경 보철물의 제어입니다. 이는 보철 장치의 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공하면 정확도및기능(13)이크게 향상되기 때문입니다.
최근 몇 년 동안, 몇몇 실험실은 폐쇄 루프 시스템14,15,16,17,18에서신경 활성 및 자극의 전달의 동시 전기 적 기록을위한 사용자 정의 시스템을 개발했다. 이러한 설정중 상당수는 인상적인 특성을 가지고 있지만 다른 랩에서 구현하는 것이 항상 쉬운 것은 아닙니다. 이는 시스템이 종종 숙련된 기술자에게 필요한 전자 장치 및 기타 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소를 조립하도록 요구하기 때문입니다.
따라서, 신경과학 연구에서 폐쇄루프 실험의 채택을 용이하게 하기 위해, 이 논문은 개방루프 전기생리학적 기록 설정19,20,21,22를 폐쇄루프 시스템2,6,23으로변환하는 프로토콜 및 Matlab 코드를 제공한다. 이 프로토콜은 디지털 살쾡이 기록 하드웨어와 함께 작동하도록 설계되었습니다, 신경 인구 기록을위한 인기있는 실험실 시스템. 일반적인 실험은 다음과 같은 것으로 구성됩니다: 1) 5-20분 의 스파이크 데이터 기록; 2) 스파이크 정렬은 뉴런 템플릿을 만들 수 있습니다; 3) 신경 활동 패턴의 온라인 탐지를 수행하기 위해 이러한 템플릿을 사용하여; 및 4) 사용자가 지정한 패턴이 감지될 때 자극 또는 실험 이벤트를 트리거링합니다.

<table><tbody><tr><td>Baytril</td><td>Bayer, Mississauga, CA</td><td>DIN 02169428</td><td>항생제; 50 mg/mL</td></tr><tr><td>Cheetah 6.4</td><td>NeuraLynx, Tucson, AZ</td><td>6.4.0.beta</td><td>데이터 수집을 위한 소프트웨어 인터페이스&nbsp;</td></tr><tr><td>Digital Lynx 4SX</td><td>NeuraLynx, Tucson, AZ</td><td>4SX</td><td>녹음 장비</td></tr><tr><td>헤드 스테이지 송신기</td><td>TBSI</td><td>B10-3163-GK</td><td>는 신경 신호를 수신기</td></tr><tr><td>Isoflurane</td><td>Fresenius Kabi, Toronto, CA</td><td>DIN 02237518</td><td>흡입 마취제</td></tr><tr><td>제트 틀니 파우더 & Liqud</td><td>Lang Dental, Wheeling, US</td><td>1230</td><td>치과용 아크릴</td></tr><tr><td>Lacri-Lube</td><td>Allergan, Markham, CA</td><td>DIN 00210889</td><td>안연</td></tr><tr><td>Lido-2</td><td>Rafter 8, Calgary</td><td>DIN 00654639</td><td>국소 마취제; 신호</td></tr><tr><td>처리 및 외부 이벤트 트리거를 위한</td>20mg/mL<td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td>R2018b</td> 소프트웨어</tr><tr><td>Metacam</td><td>Boehringer, Ingelheim, DE</td><td>DIN 02240463</td><td>진통제; 5 mg/mL</td></tr><tr><td>Netcom</td><td>NeuraLynx</td><td>v1</td><td>Cheetah 실리콘 프로브와 통신하는 응용 프로그래밍 인터페이스(API)</td></tr><tr><td></td><td>Cambridge Neurotech</td><td>ASSY-156-DBC2</td><td>이식 장치</td></tr><tr><td>SpikeSort 3D&nbsp;</td><td>NeuraLynx, Tucson, AZ</td><td>SS3D</td><td>스파이크 파형-셀 분류 도구</td></tr><tr><td>무선 라디오 수신기</td><td>TBSI</td><td>911-1062-00</td><td>은 신경 신호를 Digital Lynx로 전송합니다.</td></tr></tbody></table>

신경 생리학적 실험에서 신경 스파이크 활동을 사용하여 폐쇄 루프 자극을 트리거합니다.

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

폐쇄 루프 신경 생리학 시스템은 신경 활동의 패턴을 사용하여 자극을 유발하며, 이는 뇌 활동에 영향을 미칩니다. 이러한 폐쇄 루프 시스템은 이미 임상 응용 프로그램에서 발견되며 기본적인 뇌 연구를위한 중요한 도구입니다. 특히 흥미로운 최근 개발은 광유전학과 폐쇄 루프 접근법의 통합, 즉 신경 활동의 특정 패턴이 선택된 신경 그룹의 광학 자극을 유발할 수 있다는 것이다. 그러나 폐쇄 루프 실험을 위한 전기 생리학 시스템을 설정하는 것은 어려울 수 있습니다. 여기서, 단일 또는 다중 뉴런의 활성에 기초하여 자극을 트리거링하기 위한 즉시 적용형 Matlab 코드가 제공된다. 이 샘플 코드는 개별 요구에 따라 쉽게 수정할 수 있습니다. 예를 들어, 사운드 자극을 트리거하는 방법과 PC 직렬 포트에 연결된 외부 장치를 트리거하도록 변경하는 방법을 보여줍니다. 제시된 프로토콜은 동물 연구를 위한 인기 있는 뉴런 기록 시스템(Neuralynx)과 함께 작동하도록 설계되었습니다. 폐쇄 루프 자극의 구현은 깨어있는 쥐에서 입증된다.

현장에서 태어나고 자란 피셔 브라운 노르웨이 쥐는 실험 전 2주 동안 처리하는 것이 습관화되었다. 기록 드라이브는 이전에설명된 방법 28,29,30,31,32,33,34와유사하게 외과적으로 이식되었다. 뉴런 신호는 디지털 수집 시스템으로 32 kHz에서 기록되었다. 뉴런 신호는 먼저 통일 이득 무선 헤드 스테이지로 증폭된 다음 1000의 이득으로 증폭되고, 600~6,000Hz 사이에서 필터링된 밴드 패스. 수동으로 설정된 진폭 임계값(일반적으로 48-60 μV)을 초과하는 뉴런 스파이크가 자동으로 저장된 다음 별개의...

이 프로토콜은 신경 활동 패턴에 의해 트리거된 폐쇄 루프 자극을 위한 전기 생리학 시스템을 사용하는 방법을 보여줍니다. 상이한 자극 장치에 대해 용이하게 수정할 수 있는 샘플 Matlab 코드도 제공된다.

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

이 표준 신경 생리적 기록 시스템은 뇌의 인과 상호 작용을 연구하는 데 유용한 폐쇄 루프 자극을 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜을 통해 컴퓨터 과학에 대한 전문 지식이 부족한 신경 과학자들은 약간의 비용으로 다양한 폐쇄 루프 실험을 신속하게 구현할 수 있습니다. 폐쇄 루프 실험은 기초 과학 및 연구에 점점 더 중요해지고 있습니다.예를 들면, 다중 간질 연구 결과는 포착 개시에 신경 자극 트리거가 포착의 엄격을 감소시키기 위하여 효과적인 접근이다는 것을 보여주었습니다. 신경 과학 연구에서 폐쇄 루프 실험의 채택을 용이하게하기 위해,이 프로토콜은 폐쇄 루프 시스템으로 오픈 루프 전기 생리적 기록 시스템을 변환하는 MATLAB 코드를 제공합니다. 이러한 폐쇄 루프 자극의 구현은 깨어있는 쥐에서 입증됩니다.치타 6.4 데이터 수집 시스템을 설치하려면 치타 인수 시스템과 상호 작용하는 라이브러리가 포함된 소프트웨어의 웹 페이지를 열고 SpikeSort-3D를 설치합니다. NetCom 개발 패키지를 설치합니다. 올바른 라이센스, 버전 및 운영 체제를 선택하려면 MATLAB 계정에 로그인합니다.그런 다음 표시된 대로 온라인 이벤트 트리거링에 대한 라이브러리를 다운로드하고 문서를 MATLAB 폴더에 추출합니다. 데이터 수집의 경우 치타 소프트웨어를 열고 급증 하는 데이터를 기록하여 템플릿 파형을 채웁니다. 몇 분 후 데이터 수집을 중지하고 기록된 데이터에 대해 SpikeSort를 수행합니다.그런 다음 SpikeSort3-D를 열고 파일 메뉴를 클릭하고 스파이크 파일을 로드하면 기록된 데이터가 있는 폴더에서 스파이크 파일을 선택합니다. 그런 다음 클러스터 메뉴를 클릭하고 KlustaKwik을 사용하여 자동 클러스터를 클릭하고 실행합니다. 폐쇄 루프 실험을 수행하려면 치타의 데이터 수집을 재개하고 MATLAB을 엽니다.Open ClosedLoop. M및 클릭 실행합니다. 또는 명령 창에서 닫힌 루프를 실행합니다.레코딩 폴더를 찾아보고 스파이크 데이터 파일 중 하나를 선택하여 초기 기록에 정의된 스파이크 정보를 로드합니다. 플롯된 파형 아래에 있는 적절한 확인란을 클릭하여 자극을 유발하는 하나 또는 여러 개의 뉴런을 선택합니다. 최소 신경 개수를 정의하여 텍스트 상자와 일치하는 분에 정수를 입력하여 자극을 트리거하고 다른 파형과 일치하는 스파이크가 창 텍스트 상자에 숫자를 입력하여 공동으로 간주되는 시간 창을 정의합니다.그런 다음 선택한 뉴런의 급증 활동을 기반으로 이벤트의 온라인 트리거링을 시작하려면 보내기를 클릭합니다. 이 대표적인 실험에서 쥐는 행동 실험에서 휴식을 취하는 동안 익숙한 휴식 장소였던 화분에 놓여 있었습니다. 여기서, 실시간으로 획득한 스파이크 파형을 표시하는 레코딩 소프트웨어 및 MATLAB 프로그램의 대표적인 동시 실행을 관찰할 수 있다.미리 정의된 트리거링 클러스터의 스파이크가 감지되면 MATLAB 그림 창에 굵은 대시 선이 표시되어 톤을 트리거하고 닫힌 루프 시스템을 제공합니다. 이 그림에서 인공 스파이크를 생성하는 시간과 트리거신호를 유도하는 시간 사이의 지연을 보여주는 대표적인 히스토그램이 표시됩니다. 동물을 준비하고 소프트웨어를 설치한 후, 폐쇄 루프 실험은 스파이크가 외부 자극을 유발하는 두 가지 주요 단계, 초기 데이터 수집 및 폐쇄 루프 자극으로 구성됩니다.이 프로토콜은 또한 뇌의 정보 처리에 대한 질문을 해결하는 데 중요한 여러 뉴런의 활동에 따라 자극의 치료를 허용합니다. 이 MATLAB 솔루션의 장점은 다양한 신경 과학적 질문을 조사하는 데 도움이 될 수 있는 자극을 유발하는 활동 패턴을 정의하는 데 드는 저렴한 비용과 유연성입니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

우리의 연결을 제어 일반적인 원리를 조사하기 위해 폐루프 플라이 - 기계 인터페이스를 사용합니다.

뇌 - 기계 인터페이스의 폐쇄 루프 성능을 연구하기 위해 실험 플랫폼

ChR2을 표현 성인에서 태어난 뉴런은 후각 신경 회로의 기능들에 대한 그들의 기여를 검토하기 위해 슬라이스 electrophysiological 준비로 조작할 수 있습니다.

뉴런의 사진 자극에 저렴한 LED 배열을 사용하여

대뇌 피질의 기능이 뉴런의 인구의 수준에 발생하기 때문에 척추 중추 신경계의 기능을 이해하는 것은 많은 뉴런의 녹음이 필요합니다. 다음은 단일 셀 및 단일 스파이크 해상도로 suprathreshold 신경 활동을 기록 할 수있는 광학 방법을 설명, 랜덤 액세스 검사는 디더링. 까지의 높은 시간적 해상도 100 뉴런이 방법을 기록 체세포 형광 칼슘 신호. 최고 확률이 알고리즘은 체세포의 형광 칼슘 신호의 기본 suprathreshold 신경 활동을 deconvolves. 이 방법은 안정적으로 높은 검출 효율과 잘못된 반응의 낮은 속도로 스파이크를 감지하고 신경 인구를 공부하는 데 사용할 수...

단일 셀 및 단일 스파이크 해상도 suprathreshold 신경 활동의 광 기록

이 비디오는 신경 활동을 기록하기 위해 외과적으로 이식된 장치를 가진 쥐의 폐쇄 루프 자극 작동을 보여줍니다. 먼저 뉴런 신호를 기록하고 분석합니다. 그런 다음 템플릿 파형이 업로드되고 매개변수가 정의되어 폐쇄 루프 자극을 트리거합니다.

Neuron Spiking Activity에 의한 폐쇄 루프 자극 유발

유전학과 광학을 결합 신경 과학 도구의 최근 개발, 공간 및 시간 해상도의 전례없는 수준의 신경 회로의 활동을 제어 할 수 있습니다, "optogenetics"라고. 여기에서 우리는 전두엽 피질과 subicular 피라미드 뉴런의 유전 정의 된 부분 집합의 optogenetic 조작과 생체 녹화에 통합하기위한 프로토콜을 제공합니다.

개별 피라미드 뉴런의 고 충실도 Optogenetic 제어하는​​ 방법<em&gt; 생체 내</em

빛 기계 주변 자극에 적절한 자극을 못을 박는 다하기 위해 현지 필드 잠재력 (LFPs)에서 복잡한 변화를 해명하는 것은 건축되었다. 응용 프로그램으로, 체성 감각 피질에서 기록 된 급상승 활동은 다중 목적 최적화 전략에 의해 분석 하였다. 결과는 제안 자극이 밀리 밀리미터 정밀도와 촉각 자극을 제공 할 수있는 것을 보여 주었다.

포인트와 같은 촉각 자극을 불러 일으키는위한 간단한 자극 장치 : LFP에 대한 서치 전환 스파이크

폐쇄 루프 프로토콜은 현대 전기 생리학에서 점점 더 널리 보급되고 있습니다. 우리는 데스크톱 컴퓨터와 디지털 수집 보드를 사용하여 체외에서 피질 피라미드 뉴런에서 복잡한 전기 생리학적 프로토콜을 수행하는 간단하고 다재다능하며 저렴한 방법을 제시합니다.

실시간 전기 생리학 : 프로브 신경 역학과 저쪽​​에 폐쇄 루프 프로토콜을 사용하여

본 논문에서는 로봇 신체와의 지속적인 상호작용 중에 정보 처리(즉, 코딩 및 디코딩)와 뉴런 어셈블리의 학습을 연구하는 폐쇄 루프 실험을 수행하기 위한 실험적 프레임워크를 제시합니다.

폐쇄 루프 신경 로봇 실험은 신경 네트워크의 전산 등록을 테스트하는

이 절차는 등전점 뇌 상태의 결과, 생리 학적으로 관련된 뇌 상태 동안 지속적인 전기 활동의 완전한 폐지 후 하나의 뉴런에서 오래 지속되는 생체 세포 내 녹음을 수행한다. 동물의 생리적 상수는 조심스럽게 인공 혼수 상태로 전환하는 동안 모니터링됩니다.

등전위 뇌 상태의 유도는 신경 흥분에 내생 시냅스 활동의 영향을 조사하기<em&gt; 생체</em

깨어 있는 쥐의 기록 부위 부근에서 세포 외 신경 활동을 동시에 기록하고 여러 신경 활성 물질을 방출하는 전극 구성 방법을 제시합니다. 이 기술을 사용하면 관심 있는 뉴런에 대한 추정 국소 시냅스 입력값을 자세히 분석할 수 있습니다.

깨어 마우스의 신경 활성 물질의 Microiontophoretic 응용 프로그램과 결합하여 신경 활동의 세포 외 기록

우리는 많은 Caenorhabditis elegans 벌레의 유연한 화학적 및 다중 모드 자극과 동시 신경 활동의 기록 방법을 제시합니다. 이 방법은 미세 유체 공학, 오픈 소스 하드웨어 및 소프트웨어, 감독 자동화 데이터 분석을 사용하여 적응, 시간적 억제 및 자극 누화와 같은 신경 현상을 측정할 수 있습니다.

여러 개의 작은 유기체에서 자동화된 다중 모드 자극 및 동시 신경 기록

학습하세요 뇌의 인과적 상호작용을 연구하는 폐쇄 루프 자극 방법을 깨어있는 쥐에서 실시간 신경 스파이크 기반으로 구현하는 기법을. MATLAB 코드를 활용해 비용 효율적으로 신경과학 실험을 수행할 수 있습니다.

신경 생리학적 실험에서 신경 스파이크 활동을 사용하여 폐쇄 루프 자극을 트리거합니다.

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