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.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Een eenvoudige Stimulerende Inrichting voor Roepen Point-achtige Tactile Stimuli: Een Zoeklicht voor LFP te Transitions Spike
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
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.
Inleiding
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.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
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
- Selecteer mannelijke ratten ongeveer 300-400 g in grootte.
- Verdoven de ratten de experimentele opstelling.
- Injecteren intraperitoneaal een barbituraat oplossing (pentobarbital, 50 mg / kg voor inductie, 10 mg / kg voor onderhoud).
- Controleer de verdoving niveau door lage drempel en hoge drempel mechanische stimuli op een poot zorgen dat er geen terugtrekking reflex optreedt.
- Bereid de craniale huid door het scheren van de neurocranium nauwkeurig en maak dan een incisie aan de craniale oppervlak bloot te leggen.
- 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.
- 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.
- Monteer de rat op een stereotaxische apparaat.
- Secure rat lichaam en plaats in een liggende positie.
- 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.
- Regel de temperatuur van de stereotaxisch pad door een elektronisch geregelde verwarming pad, waarbij de temperatuur op 37,5 ° C.
- Sluit de tracheatube aan de luchtwegen anesthesie-apparaat.
- 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).
- Reinig zorgvuldig de neurocranium door een povidonjood actueel antiseptische.
- Neem een steriele scalpel gesneden en lengterichting op de scheiding van de basis van de snuit naar de hoek van het occipitale bot.
- Aftakken de wond grenzen door een oprolmechanisme en bevestig ze door twee kleine cocker tang toegepast to de wond grenzen.
- 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.
- Zorg voor hemostase met een wattenstaafje of een chirurgische spons over het bot oppervlak indien focale bloedingen verschijnen over het bot.
- Met een fijne stift, het identificeren van de stereotactische punt bregma op het kruispunt van de mediosagittal en coronale suturas.
- 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).
- Met een fijne stift trekken het plein omtrek afbakening van het te boren gat.
- Boor een 9 mm 2 gat aan de eerder geïdentificeerde blauwe vierkant verwijderen van het bot tegel.
- 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.
- Bevestig de elektrodematrix een houder aangesloten op een elektronische micromanipulator.
- Sluit de kop van de matrix om de voorversterker een microconnector.
- Rijd handmatig de elektrode matrix (onder chirurgische microscoop controle) tot aan de corticale oppervlak (zonder aan te raken).
- Schakel de versterkers met auditief signaal.
- 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.
- Trek de elektrode matrix door elektronisch gestuurde stappen (2 micrometer / stap) tot een diepte van 350-400 micrometer is bereikt (corticale laag IV).
- Controleer de gevoeligheid van neuronen door licht raakt aan de contralaterale achterste poot.
- Stel de diepte van een paar verdere stappen totdat een heldere stekelige reactie wordt waargenomen.
- 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
- Stel de software bandfilter om [0.1 6000] Hz.
- Noteer de neuronale signalen van de micro-elektrode 8 kanalen matrix bemonsterd op 32 kHz.
- Na de overname eindigt, exporteren de geregistreerde signalen in een binair formaat dat geschikt is voor post-processing.
- Voer de spike sorteren procedure door middel van de Wave_clus toolbox 11.
3. Fabricage en configuratie van de stimulatie-apparaat
- Monteer een cactus steel (met stompe punt) loodrecht op het oppervlak van een mid-range luidspreker lijmen van de stengel basis aan de dop.
- Programmeer eenmicrocontroller spanningspulsen te leveren aan een besturingseenheid voor de luidspreker.
- Programmeren van de microcontroller tot twee gepaarde stroominpulsen per seconde leveren (zie figuur 1C).
- Monteer de luidspreker en de microcontroller via een L293D h-brug met elementaire passieve componenten (zie figuur 1A).
- Sluit de microcontroller om een 12 V accu.
4. Stimulatie Protocol
- Lijm het dorsale aspect van de achterste poot van een solide frame, waardoor de volaire oppervlak en het vermijden van articulaire torsies.
- Plaats het topje van de stimulatie-apparaat op de gewenste ledematen / poot positie.
- Schakel het stimuleringsapparaat.
Offline stappen:
5. Evaluatie van Spike Responses
- 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).
- 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.
- Corrigeer de MI schatting met behulp van het schudden procedure beschreven 9.
6. Evaluatie van de LFP Responses
- Filter de opgenomen signaal in het frequentiegebied [0.1 100] Hz om de LFP signaal te verkrijgen
- Berekenen LFPSNR, een maat voor LFP responsiviteit, zoals uiteengezet in de referentie 10.
7. Model Schatting
- 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. - 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
- Offer de rat.
- 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).
- Wacht de hartstilstand.
- Ontkoppelt u de rat uit de stereotaxische apparaat
- Perfusie.
- Plaats de rat leggen over een raster op een bekken naar het bloed en vloeistoffen uit de perfusie te verzamelen.
- Open de thorax met het ontleden van het borstbeen te scheiden van de rib inserties.
- Blokkeer de sternale xyphoid proces met een cocker pincet en kantelen cranially het borstbeen en de ribben aftakken over het hart.
- 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.
- Start de perfusie met koud (4 ° C) gehepariniseerde fysiologische oplossing (250 ml) gevolgd door perfusie van een 4% formaline-oplossing (250 ml).
- Extraheer de hersenen uit de schedel door openen van neurocranium met een geschikte tang en plaats de hersenen in een 10% formaline-oplossing.
- Na een week, de voorbereiding van de histologische plakjes door een microtoom (10 micrometer dikte).
- Vlekken op de hersenen coronale en sagittale secties met cresylviolet oplossing.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
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...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
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 ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren geen concurrerende financiële belangen.
Dankbetuigingen
SN en AGZ werden gesteund door de PON 01-01297 VIRTUALAB fondsen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Microstepper | AB Transvertex (Stockholm, Zweden) | De microstepper gebruikt om de elektrodenmatrix naar beneden te trekken | |
| 32-kanaals Cheetah Systeem | Neuralynx (MT, VS) | Het elektrofysiologische opnamesysteem | |
| L293D h-bridge | RS Components (Cinisello Balsamo, Italië) | De brug gebruikt om de microcontroller met de luidspreker te verbinden | |
| H21A3 Optische Onderbreker Schakelaar | Fairchild Semiconductor Corporation (San Jose, Californië) | De fototransistor gebruikt om de tip verplaatsing vast te stellen | |
| Arduino Uno | Arduino (Duemilanove, Italië) | De microcontroller gebruikt om een stroompuls aan de luidspreker te leveren | |
| Microelektrode Matrices GB1 | FHC | ||
| Isofluraan | Rhodia Organique Fine Ltd. | Het anestheticum gebruikt om dieren voor te bereiden | |
| Stereotaxisch apparaat | Narishighe (Tokio, Japan) | ||
| Sprague-Dawley mannelijke ratten | Charles River (Calco, LC, Italië) | ||
| Gallamine thriethiodide | Sigma-Aldrich | De verbinding gebruikt om de dieren te curariseren | |
| Cresyl violet | Sigma-Aldrich | ||
| Topische antiseptica (Betadine 10%) | Meda Pharma (Milaan, Italië) | ||
| Heparine | Sigma-Aldrich | ||
| Formaldehyde | Carlo Erba Reagents (Pomigliano Milanese, Milaan, Italië) |
Referenties
- Pesaran, B. Uncovering the Mysterious Origins of Local Field Potentials. Neuron. 61 (1-2), (2009).
- Delmas, P., Hao, J., Rodat-Despoix, L. Molecular Mechanisms of Mechanotrasduction in Mammalian Sensory Neurons. Nat. Rev. Neurosci. 12, 139-153 (2011).
- Rasch, M. J., Gretton, A., Murayama, Y., Maass, W., Logothetis, N. K. Inferring spike trains from local field potentials. J. Neurophys. 99 (3), 1461-1476 (2008).
- Galindo-Leon, E. E., Liu, R. C. Predicting stimulus-locked single unit spiking from cortical local field potentials. J. Comput. Neurosci. 29 (3), 581-597 (2010).
- Theunissen, F. E., David, S. V., Singh, N. C., Hsu, A., Vinje, W. E., Gallant, J. L. Estimating spatio-temporal receptive fields of auditory and visual neurons from their responses to natural stimuli. Network. 12 (3), 289 (2001).
- Victor, J. D., Purpura, K. Metric-space analysis of spike trains: theory, algorithms, and application. Network. 8, 127-164 (1997).
- Foffani, G., Chapin, J. K., Moxon, K. A. Computational Role of Large Receptive Fields in the Primary Somatosensory Cortex. J. Neurophysiol. 100 (1), 268-280 (2008).
- Microcontroller website. , Duemilanove, Italy. Available: http://arduino.cc (2014).
- Panzeri, S., Senatore, R., Montemurro, M. A., Petersen, R. S. Correcting for the sampling bias problem in spike train information measures. J. Neurophysiol. 98, 1064-1072 (2007).
- Storchi, R., Zippo, A. G., Caramenti, G. C., Valente, M., Biella, G. E. M. Predicting Spike Occurrence and Neuronal Responsiveness from LFPs in Primary Somatosensory Cortex. PLoS ONE. 7 (5), (2012).
- Quiroga, R. Q., Nadasdy, Z., Ben-Shaul, Y. Unsupervised Spike Detection and Sorting with Wavelets and Superparamagnetic Clustering. Neural Comput. 16, 1661-1687 (2004).
- Deb, K., Agrawal, A., Pratab, A., Meyarivan, T. A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-II IEEE. Trans. Evol. Comput. 6 (2), 181-197 (2000).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
