Methodenartikel

Gelijktijdige Oogtracering en single-neuron opnames bij humane epilepsiepatiënten

DOI:

10.3791/59117

⸱

17 juni 2019

 ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

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

We beschrijven een methode voor het uitvoeren van single-neuron opnames met gelijktijdige oogtracering bij de mens. We demonstreren het nut van deze methode en illustreren hoe we deze aanpak gebruikt voor het verkrijgen van neuronen in de menselijke mediale temporele kwal die doelen van een visuele zoekopdracht coderen.

Samenvatting

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

Intracraniële opnames van patiënten met hardnekkige epilepsie bieden een unieke kans om de activiteit van individuele menselijke neuronen te bestuderen tijdens actief gedrag. Een belangrijk instrument voor het kwantificeren van gedrag is oogtracering, wat een onmisbaar hulpmiddel is voor het bestuderen van visuele aandacht. Oogtracering is echter een uitdaging om gelijktijdig met invasieve elektrofysiologie te gebruiken en deze aanpak is daarom weinig gebruikt. Hier presenteren we een beproefd experimenteel protocol voor het uitvoeren van single-neuron opnames met gelijktijdige oogtracering bij de mens. We beschrijven hoe de systemen zijn aangesloten en de optimale instellingen om neuronen en oogbewegingen op te nemen. Om het nut van deze methode te illustreren, vatten we de resultaten samen die mogelijk zijn gemaakt door deze instelling. Deze gegevens laten zien hoe het gebruik van Eye tracking in een geheugen geleide visuele zoekopdracht ons toeliet om een nieuwe klasse van neuronen genaamd doel neuronen te beschrijven, waarvan de respons een afspiegeling was van de top-down aandacht voor het huidige Zoek doel. Tot slot bespreken we de betekenis en oplossingen voor mogelijke problemen van deze opstelling. Samen, ons protocol en de resultaten suggereren dat single-neuron opnames met gelijktijdige eye tracking bij de mens zijn een effectieve methode voor het bestuderen van de menselijke hersenfunctie. Het biedt een belangrijke ontbrekende schakel tussen dierlijke neurofysiologie en menselijke cognitieve neurowetenschappen.

Inleiding

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

Menselijke single-neuron opnames zijn een unieke en krachtige tool om de functie van het menselijk brein te verkennen met buitengewone ruimtelijke en temporele resolutie1. Onlangs, single-neuron opnames hebben breed gebruik opgedaan op het gebied van cognitieve neurowetenschappen omdat ze het directe onderzoek van cognitieve processen centraal in de menselijke cognitie toestaan. Deze opnames worden mogelijk gemaakt door de klinische noodzaak om de positie van epileptische Foci te bepalen, waarvoor diepte elektroden tijdelijk worden geïmplanteerd in de hersenen van patiënten met vermoedelijke focale epilepsie. Met deze installatie kunnen single-neuron opnames worden verkregen met behulp van micro draden uitsteekt van de punt van de hybride diepte-elektrode (een gedetailleerde beschrijving van de chirurgische methodologie die betrokken is bij het inbrengen van hybride diepte-elektroden is aanwezig in de vorige protocol2). Onder andere, deze methode is gebruikt voor het bestuderen van menselijkgeheugen 3,4, emotie5,6, en aandacht7,8.

Oogtracering meet de positie en oogbewegingen (fixaties en saccades) tijdens cognitieve taken. Video-based oogtrackers gebruiken meestal de hooral reflectie en het midden van de leerling als functies om te volgen in de tijd9. Oogtracering is een belangrijke methode om visuele aandacht te bestuderen, omdat de kijk locatie de focus van aandacht geeft tijdens de meeste natuurlijke gedragingen10,11,12. Eye tracking is uitgebreid gebruikt om visuele aandacht te bestuderen bij gezonde individuen13 en neurologische populaties14,15,16.

Terwijl zowel single-neuron opnames en Eye tracking individueel worden gebruikt op grote schaal bij de mens, weinig studies hebben beide gelijktijdig gebruikt. Als gevolg daarvan, het blijft nog grotendeels onbekend hoe neuronen in het menselijk brein reageren op oogbewegingen en/of ze zijn gevoelig voor de momenteel gefixeerde stimulus. Dit is in tegenstelling tot studies met macaques, waarbij oogtracering met gelijktijdige single-neuron opnames een standaard instrument is geworden. Om de neuronale reactie op oogbewegingen direct te onderzoeken, combineerden we menselijke single-neuron opnames en oogtracering. Hier beschrijven we het protocol om dergelijke experimenten uit te voeren en illustreren de resultaten door een concreet voorbeeld.

Ondanks de gevestigde rol van de menselijke mediaal temporale LOB (mtl) in beide object representatie17,18 en Memory3,19, het blijft grotendeels onbekend of mtl neuronen worden gemoduleerd als een functie van Top-down aandacht voor behavioraal relevante doelen. Het bestuderen van dergelijke neuronen is belangrijk om te beginnen te begrijpen hoe doel-relevante informatie beïnvloedt bottom-up visuele processen. Hier demonstreren we het nut van oogtracering tijdens het opnemen van neuronen met behulp van geleide visuele zoekopdrachten, een bekend paradigma om doelgericht gedrag te bestuderen20,21,22,23, 24 , 25. met behulp van deze methode, we onlangs beschreven een klasse van neuronen genoemd doel neuronen, die aangeeft of de momenteel bijgewoond stimulus is het doel van een lopende zoekopdracht8. In het onderstaande presenteren we het studie protocol dat nodig is om deze eerdere wetenschappelijke studie te reproduceren. Merk op dat in dit voorbeeld het protocol gemakkelijk kan worden aangepast om een willekeurige visuele attentie taak te bestuderen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. deelnemers

  1. Rekruteer neurochirurgische patiënten met hardnekkige epilepsie die een positie van intracraniële elektroden ondergaan om hun epileptische aanvallen te lokaliseren.
  2. Voeg diepte-elektroden met ingesloten micro draden in alle klinisch aangegeven doellocaties, die meestal een subset van amygdala, Hippocampus, anterieure cingulate cortex en pre-supplementaire motor gebied bevatten. Zie Details voor implantatie in ons vorige protocol2.
  3. Zodra de patiënt terugkeert naar de epilepsie bewakings unit, sluit u het opnameapparaat aan voor zowel macro-als micro-opnames. Dit omvat het zorgvuldig voorbereiden van een Zandana met hoofd stadia (zie onze vorige beschrijving voor Details2). Vervolgens, wacht tot de patiënt te herstellen van de operatie en het uitvoeren van testen wanneer de patiënt volledig wakker (meestal ten minste 36 aan 48 h na de operatie).

2. experimentele opstelling

  1. Verbind de stimulus computer met het elektrofysiologie systeem en de oogtracker volgens het schema in Figuur 1.
  2. Gebruik het externe niet-invasieve infrarood oogtracerings systeem (Zie tabel met materialen). Plaats het oogvolgsysteem op een robuuste mobiele kar (afbeelding 1a, B). Aan dezelfde kar, bevestig een flexibele arm die een LCD-scherm bevat. Gebruik de Remote-modus om het hoofd en de ogen van patiënten bij te houden.
  3. Plaats een volledig opgeladen ononderbroken voeding (UPS) op de eye tracking Cart en verbind alle apparaten met betrekking tot oogsturing (d.w.z. LCD voor de patiënt, oogtracker camera en lichtbron, en oogtracker hostcomputer) aan de UPS in plaats van aan een externe stroom Bron.
  4. Pas de afstand tussen de patiënt en het LCD-scherm aan tot 60-70 cm en pas de hoek van het LCD-scherm aan zodat het oppervlak van het scherm ongeveer parallel is aan het gezicht van de patiënt. Stel de hoogte van het scherm in ten opzichte van het hoofd van de patiënt, zodat de camera van de oogtracker ongeveer op het hoogtepunt van de neus van de patiënt ligt.
  5. Geef de patiënt de knop doos of het toetsenbord. Controleer of triggers (Ttl's) en druk op de knop correct zijn vastgelegd voordat het experiment wordt gestart.

3. single-neuron opname

  1. Start de acquisitie software. Controleer eerst de breedband (0,1 Hz-8 kHz) lokale veld potentialen en zorg ervoor dat ze niet verontreinigd zijn door lijnruis. Volg anders standaardprocedures om ruis te verwijderen (Zie discussie).
  2. Voor het identificeren van enkele neuronen, band-pass filter het signaal (300 Hz-8 KHz). Selecteer een van de acht micro draden als referentie voor elke verwarmings bundel. Test verschillende referenties en pas de referentie aan zodat (1) de andere 7 kanalen duidelijke neuronen vertonen, en (2) de referentie geen neuronen bevat. Stel het ingangsbereik in op ± 2.000 μV.
  3. Inschakelen van het opslaan van de gegevens als een NRD-bestand (dat wil zeggen, de breedband RAW-gegevensbestand dat wordt gebruikt voor de volgende off-line Spike sorteren) voordat u gegevens opneemt. Stel de bemonsteringsfrequentie in op 32 kHz.

4. oog tracking

  1. Start de eye tracking software. Omdat het een hoofd-fixatie vrij systeem is, plaatst u de sticker op het voorhoofd van de patiënt zodat de oogtracker kan worden aangepast voorhoofd bewegingen.
  2. Stel de afstand en de hoek tussen de oogtracker en de patiënt zodanig in dat de doel markering, de hoofd afstand, de pupil en de hooral reflectie (CR) zijn gemarkeerd als gereed (zoals weergegeven in groen in de oogtracerings software; Afbeelding 2 toont een goed voorbeeld van het camera-instelscherm). Klik op het oog om te worden opgenomen en stel de bemonsteringsfrequentie in op 500 Hz.
  3. Gebruik de automatische aanpassing van de pupil-en CR-drempel. Voor patiënten die een bril dragen, past u de positie en/of hoek van de verlichter en camera aan, zodat reflecties van het glas niet interfereren met de verwerving van leerlingen.
  4. Kalibreer de oogtracker met de ingebouwde 9-punts grid-methode aan het begin van elk blok. Bevestig dat de oogposities (weergegeven als "+") mooi registreren als een 9-punts rooster. Anders wordt de kalibratie opnieuw.
  5. Accepteer de kalibratie en validatie. Accepteer de validatie als de maximale validatiefout < 2 ° is en de gemiddelde validatiefout < 1 ° is. Anders wordt de validatie opnieuw.
  6. Doe drift correctie en ga door naar het eigenlijke experiment.

5. taak

  1. Gebruik in deze visuele zoekopdracht de stimuli uit onze vorige studie14 en volg de taak procedure zoals beschreven vóór8.
  2. Geef deelnemers taak instructies. Instrueer de deelnemers om het doelitem in de zoek array te vinden en reageer zo snel mogelijk. Instrueer de deelnemers om op de linker knop van een Response box te drukken (Zie tabel met materialen) als ze het doelwit en de rechterknop vinden als ze denken dat het doelwit afwezig is. De deelnemers expliciet instrueren dat er doelgerichte en doelafwezige proeven zullen zijn.
  3. Start stimulus presentatie software (Zie tabel van de materialen) en voer de taak uit: presenteer een doel Cue voor 1 s en presenteer de zoek array met behulp van de stimulus presentatie software. Neem een knop op en geef de deelnemers proef-voor-proef feedback (correct, onjuist of time-out).

6. gegevensanalyse

  1. Omdat de acquisitie-en Eye tracking-systemen op verschillende klokken worden uitgevoerd, gebruikt u het gedragslog bestand om de uitlijnings tijdstempel te vinden voor het opnemen van elektrofysiologie en oogtracering. Overeenkomen met de triggers van elektrofysiologie opname en Eye tracking voordat u doorgaat naar verdere analyse. Extraheer segmenten van gegevens op basis van tijdstempels en analyse Vensters afzonderlijk voor de opname van elektrofysiologie en oogtracering.
  2. Gebruik de semi-automatische sjabloon matching-algoritme osort26 en volg de stappen beschreven vóór2,26 om vermoedelijke enkelvoudige neuronen te identificeren. Evalueer de kwaliteit van de sortering voordat u doorgaat naar verdere analyse2.
  3. Om gegevens over de oogbeweging te analyseren, converteert u eerst de EOF-gegevens van de oogtracker naar de ASCII-indeling. Ook, uittreksel fixaties en saccades. Importeer vervolgens het ASCII-bestand en sla de volgende informatie op in een MAT-bestand: (1) tijdstempels, (2) oog coördinaten (x, y), (3) pupilgrootte, en (4) tijdstempels voor evenementen. De doorlopende opname in elke proefversie parseren.
  4. Volg eerder beschreven procedures voor het analyseren van de correlatie tussen pieken en gedrag8.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Om het gebruik van de bovengenoemde methode te illustreren, beschrijven we vervolgens kort een gebruiks casus die we onlangs hebben gepubliceerd8. We registreerden 228 enkelvoudige neuronen van de humane mediale temporele kwbe (MTL; amygdala en Hippocampus) terwijl de patiënten een visuele zoekopdracht uitvoeren (Figuur 3a, B). Tijdens deze taak onderzochten we of de activiteit van neuronen gedifferentieerd tussen fixa...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

In dit protocol hebben we beschreven hoe u single-neuron opnames met gelijktijdige eye tracking gebruikt en beschreven hoe we deze methode gebruikten om doel neuronen in de humane MTL te identificeren.

De installatie omvat drie computers: één uitvoeren van de taak (stimulus computer), één met de Eye Tracker, en één met het acquisitie systeem. Om te synchroniseren tussen de drie systemen, wordt de parallelle poort gebruikt voor het verzenden van TTL-triggers van de stimulus-computer naar het el...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs verklaren geen belangenconflict.

Dankbetuigingen

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

We danken alle patiënten voor hun deelname. Dit onderzoek werd ondersteund door het Rockefeller Neuroscience Institute, de autisme Science Foundation en de Dana Foundation (to S.W.), een NSF CAREER Award (1554105 tot U.R.), en de NIH (R01MH110831 en U01NS098961 tot U.R.). De financiers hadden geen rol in studie ontwerp, gegevensverzameling en-analyse, besluit om te publiceren of voorbereiding van het manuscript. We bedanken James Lee, Erika Quan, en het personeel van het Cedars-Sinai Simulation Center voor hun hulp bij het produceren van de demonstratie video.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Cedrus Response BoxCedrus (https://cedrus.com/)RB-844Button box
Dell LaptopDell (https://dell.com)Precision 7520Stimulus Computer
EyeLink Eye TrackerSR Research (https://www.sr-research.com)1000 Plus Remote met laptop host computer en LCD arm mountEye tracking
MATLABMathWorks IncR2016a (RRID: SCR_001622)Data-analyse
Neuralynx Neurophysiology SystemNeuralynx (https://neuralynx.com)ATLAS 128Elektrofysiologie
OsortOpen sourcev4.1 (RRID: SCR_015869)Spike sorting algoritme
Psychophysics ToolbxOpen sourcePTB3 ( RRID: SCR_002881)Matlab toolbox voor het implementeren van psychofysische experimenten

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Fried, I., Rutishauser, U., Cerf, M., Kreiman, G. Single Neuron Studies of the Human Brain: Probing Cognition. , MIT Press. Boston. (2014).
  2. Minxha, J., Mamelak, A. N., Rutishauser, U. Surgical and Electrophysiological Techniques for Single-Neuron Recordings in Human Epilepsy Patients. Extracellular Recording Approaches. Sillitoe, R. V. , Springer New York. New York, NY. 267-293 (2018).
  3. Rutishauser, U., Mamelak, A. N., Schuman, E. M. Single-Trial Learning of Novel Stimuli by Individual Neurons of the Human Hippocampus-Amygdala Complex. Neuron. 49, 805-813 (2006).
  4. Rutishauser, U., Ross, I. B., Mamelak, A. N., Schuman, E. M. Human memory strength is predicted by theta-frequency phase-locking of single neurons. Nature. 464, 903-907 (2010).
  5. Wang, S., et al. Neurons in the human amygdala selective for perceived emotion. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111, E3110-E3119 (2014).
  6. Wang, S., et al. The human amygdala parametrically encodes the intensity of specific facial emotions and their categorical ambiguity. Nature Communications. 8, 14821(2017).
  7. Minxha, J., et al. Fixations Gate Species-Specific Responses to Free Viewing of Faces in the Human and Macaque Amygdala. Cell Reports. 18, 878-891 (2017).
  8. Wang, S., Mamelak, A. N., Adolphs, R., Rutishauser, U. Encoding of Target Detection during Visual Search by Single Neurons in the Human Brain. Current Biology. 28, 2058-2069 (2018).
  9. Holmqvist, K., et al. Eye tracking: A comprehensive guide to methods and measures. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2011).
  10. Liversedge, S. P., Findlay, J. M. Saccadic eye movements and cognition. Trends in Cognitive Sciences. 4, 6-14 (2000).
  11. Rehder, B., Hoffman, A. B. Eyetracking and selective attention in category learning. Cognitive Psychology. 51, 1-41 (2005).
  12. Blair, M. R., Watson, M. R., Walshe, R. C., Maj, F. Extremely selective attention: Eye-tracking studies of the dynamic allocation of attention to stimulus features in categorization. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition. 35, 1196(2009).
  13. Rutishauser, U., Koch, C. Probabilistic modeling of eye movement data during conjunction search via feature-based attention. Journal of Vision. 7, (2007).
  14. Wang, S., et al. Autism spectrum disorder, but not amygdala lesions, impairs social attention in visual search. Neuropsychologia. 63, 259-274 (2014).
  15. Wang, S., et al. Atypical Visual Saliency in Autism Spectrum Disorder Quantified through Model-Based Eye Tracking. Neuron. 88, 604-616 (2015).
  16. Wang, S., Tsuchiya, N., New, J., Hurlemann, R., Adolphs, R. Preferential attention to animals and people is independent of the amygdala. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 10, 371-380 (2015).
  17. Fried, I., MacDonald, K. A., Wilson, C. L. Single Neuron Activity in Human Hippocampus and Amygdala during Recognition of Faces and Objects. Neuron. 18, 753-765 (1997).
  18. Kreiman, G., Koch, C., Fried, I. Category-specific visual responses of single neurons in the human medial temporal lobe. Nature Neuroscience. 3, 946-953 (2000).
  19. Squire, L. R., Stark, C. E. L., Clark, R. E. The Medial Temporal Lobe. Annual Review of Neuroscience. 27, 279-306 (2004).
  20. Chelazzi, L., Miller, E. K., Duncan, J., Desimone, R. A neural basis for visual search in inferior temporal cortex. Nature. 363, 345-347 (1993).
  21. Schall, J. D., Hanes, D. P. Neural basis of saccade target selection in frontal eye field during visual search. Nature. 366, 467-469 (1993).
  22. Wolfe, J. M. What Can 1 Million Trials Tell Us About Visual Search? Psychological Science. 9, 33-39 (1998).
  23. Wolfe, J. M., Horowitz, T. S. What attributes guide the deployment of visual attention and how do they do it? Nature Review Neuroscience. 5, 495-501 (2004).
  24. Sheinberg, D. L., Logothetis, N. K. Noticing Familiar Objects in Real World Scenes: The Role of Temporal Cortical Neurons in Natural Vision. The Journal of Neuroscience. 21, 1340-1350 (2001).
  25. Bichot, N. P., Rossi, A. F., Desimone, R. Parallel and Serial Neural Mechanisms for Visual Search in Macaque Area V4. Science. 308, 529-534 (2005).
  26. Rutishauser, U., Schuman, E. M., Mamelak, A. N. Online detection and sorting of extracellularly recorded action potentials in human medial temporal lobe recordings, in vivo. Journal of Neuroscience Methods. 154, 204-224 (2006).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Mediale temporale kwabvisuele zoektaakdoelneuronenintracraniale registratieselektro encefalografiepupilgroottebewakingstimuluspresentatiesoftware

Gerelateerde artikelen