Method Article

Met behulp van neuron spiking activiteit trigger gesloten-lus stimuli in neurofysiologische experimenten

DOI:

10.3791/59812

⸱

November 12th, 2019

 ,  ,  , 
1Canadian Center for Behavioural Neuroscience, Department of Neuroscience, University of Lethbridge, 2Clinical Neurosciences, Cumming School of Medicine, University of Calgary

In This Article

Summary

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

Dit protocol demonstreert hoe u een elektrofysiologisch systeem gebruikt voor stimulatie met een gesloten kringloop, geactiveerd door neuronale activiteitspatronen. Er is ook een voorbeeld van MATLAB-code beschikbaar die gemakkelijk kan worden aangepast voor verschillende stimulatie apparaten.

Abstract

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

Closed-loop neurofysiologische systemen gebruiken patronen van neuronale activiteit om prikkels te triggeren, wat op zijn beurt de hersenactiviteit beïnvloedt. Dergelijke closed-loop systemen zijn al gevonden in klinische toepassingen, en zijn belangrijke hulpmiddelen voor fundamenteel hersenonderzoek. Een bijzonder interessante recente ontwikkeling is de integratie van closed-loop benaderingen met optogenetica, zodanig dat specifieke patronen van neuronale activiteit optische stimulatie van geselecteerde neuronale groepen kunnen veroorzaken. Het opzetten van een elektrofysiologisch systeem voor closed-loop experimenten kan echter moeilijk zijn. Hier wordt een kant-en-klare MATLAB-code verstrekt voor het triggeren van stimuli op basis van de activiteit van enkelvoudige of meervoudige neuronen. Deze voorbeeldcode kan eenvoudig worden aangepast op basis van individuele behoeften. Het laat bijvoorbeeld zien hoe u geluids prikkels activeert en hoe u deze wijzigt om een extern apparaat te activeren dat is aangesloten op een seriële PC-poort. Het gepresenteerde protocol is ontworpen om te werken met een populair neuronale registratiesysteem voor dierproeven (Neuralynx). De implementatie van de stimulatie van de gesloten kringloop wordt aangetoond bij een wakker rat.

Introduction

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

Het doel van dit protocol is om te demonstreren hoe de stimulatie van de gesloten lus in neurofysiologische experimenten te implementeren. De typische setup voor gesloten-lus experimenten in neurowetenschappen omvat triggering stimuli op basis van de Online uitlezen van neuronale activiteit. Dit veroorzaakt op zijn beurt wijzigingen in de hersenactiviteit, waardoor de terugkoppelings lus1,2wordtgesloten. Dergelijke closed-loop experimenten bieden meerdere voordelen ten opzichte van standaard open-loop opstellingen, vooral in combinatie met optogenetics, waarmee onderzoekers een specifieke subset van neuronen kunnen targeten. Zo gebruikten Siegle en Wilson closed-loop manipulaties om de rol van theta-oscillaties in informatieverwerking3te bestuderen. Ze toonden aan dat het stimuleren van hippocampal neuronen op de dalende fase van theta-oscillaties verschillende effecten had op het gedrag dan het toepassen van dezelfde stimulatie op de stijgende fase. Ook in preklinische studies worden closed-loop experimenten steeds belangrijker. Bijvoorbeeld, meerdere epilepsie studies hebben aangetoond dat neuronale stimulatie geactiveerd op het begin van een aanval een effectieve benadering is om de ernst van de aanvallen4,5,6te verminderen. Bovendienvertoonden systemen voor automatische epileptische detectie en de voorwaardelijke afgifte van therapie0,7significante voordelen bij epilepsiepatiënten9,10,11,12. Een ander toepassingsgebied met snelle vooruitgang van gesloten-lus methodologieën is de controle van neuro protheses met corticale hersenen – machine-interfaces. Dit is omdat het verstrekken van onmiddellijke feedback aan gebruikers van prothetische apparaten de nauwkeurigheid en capaciteit13aanzienlijk verbetert.

In de afgelopen jaren, verschillende laboratoria hebben aangepaste systemen ontwikkeld voor de gelijktijdige elektrische registratie van neuronale activiteit en levering van stimuli in een gesloten-lus systeem14,15,16,17,18. Hoewel veel van deze opstellingen indrukwekkende kenmerken hebben, is het niet altijd gemakkelijk om ze in andere laboratoria te implementeren. Dit komt doordat de systemen vaak ervaren technici vragen om de vereiste elektronica en andere noodzakelijke hardware-en softwarecomponenten in elkaar te zetten.

Daarom, om de aanneming van closed-loop experimenten in neurowetenschappelijk onderzoek te vergemakkelijken, biedt dit papier een protocol en MATLAB-code om een open-loop elektrofysiologische opname-instelling19,20,21,22 om te zetten in een gesloten-loop systeem2,6,23. Dit protocol is ontworpen om te werken met de digitale lynx Recording Hardware, een populaire laboratoriumsysteem voor neuronale bevolkings opnames. Een typisch experiment bestaat uit de volgende: 1) het opnemen van 5-20 minuten van het stekelige van gegevens; 2) Spike sortering om neuronale templates te maken; 3) met behulp van deze templates om online detectie van neurale activiteit patronen uit te voeren; en 4) triggering stimulatie of experimentele gebeurtenissen wanneer door de gebruiker opgegeven patronen worden gedetecteerd.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

Alle hier beschreven procedures werden uitgevoerd onder een dierlijk onderzoeksprotocol goedgekeurd door het dierenwelzijns Comité van de Universiteit van Lethbridge.

1. chirurgie

Opmerking: de chirurgische ingrepen die worden gebruikt voor implantaatsondes voor neurofysiologische opnames zijn gepresenteerd in andere publicaties24,25,26. De precieze details van de operatie voor gesloten stimulatie zijn afhankelijk van het type van de gebruikte opname sondes en de beoogde hersengebieden. In de meeste gevallen, echter, een typische operatie zal bestaan uit de volgende stappen.

  1. Breng naar de operatiekamer een kooi met een rat om te worden geïmplanteerd met een siliconen sonde of elektrode array om neuronale activiteit op te nemen.
  2. Anesthetiseer de knaagdier met 2-2.5% Isofluraan en bevestig het hoofd in een stereotaxic frame. Zorg ervoor dat het dier bewusteloos is tijdens een operatie door een motorische reactie te observeren op milde tactiele stimuli25.
  3. Breng een oogzalf aan om droogheid tijdens de operatie te minimaliseren.
  4. Scheer het chirurgische gebied en Desinfecteer de huid met 2% chloorhexidine-oplossing en 70% isopropylalcohol.
  5. Injecteer lidocaïne (5 mg/kg) onder de hoofdhuid over het hersengebied waar de elektroden zullen worden geïmplanteerd.
  6. Maak een incisie van de hoofdhuid over het gebied van toekomstig implantaat, en gebruik een scalpel en wattenstaafje om het periosteum van de blootgestelde schedel25te wissen.
  7. Boor 4-8 gaten in de schedel voor implantatie van anker schroeven (~ 0,5 mm) als structurele ondersteuning voor het implantaat25. Bevestig de schroeven aan de schedel door ze in de gaten te plaatsen en ervoor te zorgen dat ze stevig op hun plaats worden gehouden.
  8. Boor de craniotomie op de gespecificeerde coördinaten, en inzet de Microdrive/sonde implantaat.
    Opmerking: het beschreven protocol voor stimulatie met gesloten lus zal werken voor elke hersenregio waarin de elektroden worden ingebracht.
  9. Bevestig de Microdrive/probe en elke vereiste elektrische interface aansluiting op de schedel met behulp van tandheelkundige acryl. De hoeveelheid tandheelkundige acrylaat moet voldoende zijn om het implantaat stevig te bevestigen, maar het mag niet in contact komen met het omringende zachte weefsel25.
  10. Na de operatie, nauwlettend toezicht op het dier totdat het voldoende bewustzijn om te handhaven borstbeen ligpositie25heeft herwonnen. Voor de daaropvolgende 3 dagen dien je subcutaan een pijnstiller (bijv. metacam, 1 mg/kg) en een antibioticum toe om infectie te voorkomen (bv. enrofloxacine, 10 mg/kg).
    Opmerking: dieren worden meestal overgelaten om een week vóór het testen of opnemen te herstellen van een operatie.

2. software-installatie

Opmerking: dit is getest op Windows 10, 64 bits versie.

  1. Software voor het verzamelen en verwerken van gegevens installeren.
    1. Installeer het systeem voor gegevensverzameling Cheetah 6,4 (https://neuralynx.com/software/category/sw-acquisition-control), dat bibliotheken bevat om te communiceren met het Cheetah-acquisitie systeem.
    2. Installeer SpikeSort3D (https://neuralynx.com/software/spikesort-3d) of een andere software die KlustaKwik27 gebruikt voor het sorteren van Spike. De online detectie software maakt gebruik van de cluster definities van de KlustaKwik-engine. Deze software kan op dezelfde computer worden uitgevoerd of kan worden uitgevoerd op afzonderlijke computers die zich op hetzelfde netwerk bevinden.
    3. Installeer het NetComDevelopmentPackage (https://github.com/leomol/cheetah-interface/blob/master/NetComDevelopmentPackage_v3.1.0), dat ook kan worden gedownload van https://neuralynx.com/software/netcom-development-package.
  2. Installeer MATLAB (https://www.mathworks.com/downloads/; code is getest op MATLAB versie R2018a). Zorg ervoor dat MATLAB is ingeschakeld in de Windows Firewall. Normaalgesproken komt er tijdens de eerste verbinding een pop-up tevoorschijn.
    1. Meld u aan bij een MATLAB-account. Kies de licentie. Kies de versie. Kies het besturingssysteem.
  3. Download de volgende bibliotheek voor online gebeurtenisactivering van: https://github.com/leomol/cheetah-interface en Extraheer bestanden naar de map ' Documents/MATLAB ' van de computer. Een kopie van de code wordt verstrekt in de begeleidende aanvullende materialen.

3. initiële gegevensverwerving

  1. Start het verzamelen van gegevens met Cheetah software.
  2. Neem een paar minuten stekelige gegevens op om sjabloon golfvormen te vullen.
  3. Stop de gegevensverzameling en voer Spike-sortering uit op de vastgelegde gegevens.
    1. Open SpikeSort3D, klik op bestand | Menu | Laad het Spike-bestanden selecteer een Spike-bestand uit de map met opgenomen gegevens.
    2. Klik op het menu cluster en vervolgens auto cluster met behulp van klustakwik, het verlaten van de standaardinstellingen en klik op uitvoeren.

4. experiment met gesloten kringloop

  1. Hervat het verzamelen van gegevens in cheetah.
  2. Open MATLAB.
    1. Open Closedloop. m en klik op uitvoeren. U ook in het opdrachtvenster van MATLAB ClosedLoop () uitvoeren. Zorg ervoor dat ClosedLoop. m zich op het MATLAB-pad bevindt. Als de gebruiker een aangepaste functie wil gebruiken om op elke trigger te bellen, voert u ClosedLoop ('-callback ', customFunction) uit in plaats daarvan, waarbij customFunction een handle is voor die functie.
    2. Laad de Spike-informatie die is gedefinieerd op de eerste opname door te klikken op laden, bladeren naar de map opnemen en een van de stekelige-gegevensbestanden (. NTT,. NSE) te selecteren.
    3. Selecteer een of meerdere neuronen die stimulatie zullen activeren door op het selectievakje onder de getekende golfvormen te klikken.
    4. Definieer het minimum aantal neuronen dat stimulatie zal activeren door een geheel getal te typen in het tekstvak "min Matches" ; en definieer het tijdvenster waarin pieken die overeenkomen met verschillende golfvormen als co-actief worden beschouwd door een getal in het tekstvak "venster" te typen.
    5. Klik op verzenden om te starten. Dit zal beginnen online triggering van gebeurtenissen (tonen als standaard) op basis van stekelige activiteit van geselecteerde neuronen.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Fisher-Brown Noorwegen ratten geboren en getogen op het terrein werden gewend aan het hanteren van twee weken voorafgaand aan het experiment. Een opname station werd operatief geïmplanteerd, vergelijkbaar met de eerder beschreven methoden28,29,30,31,32,33,34. De neuronale signalen werden opg...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Het protocol dat hier wordt beschreven, laat zien hoe u een standaard neurofysiologisch opnamesysteem gebruikt om een gesloten-loop stimulatie uit te voeren. Dit protocol stelt neurowetenschappers met beperkte expertise in computerwetenschappen in staat om snel een verscheidenheid aan closed-loop experimenten te implementeren met weinig kosten. Dergelijke experimenten zijn vaak nodig om causale interacties in de hersenen te bestuderen.

Na het voorbereiden van een dier en het installeren van de...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Auteurs hebben geen belangenconflict met betrekking tot dit werk.

Acknowledgements

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

Dit werk werd gesteund door NSERC Discovery Grants aan AL en AG.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

```html

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
BaytrilBayer, Mississauga, CADIN 02169428antibioticum; 50 mg/mL
Cheetah 6.4NeuraLynx, Tucson, AZ6.4.0.betaSoftware interfaces voor data acquisitie 
Digital Lynx 4SXNeuraLynx, Tucson, AZ4SXopnameapparatuur
Headstage transmitterTBSIB10-3163-GKdraagt het neurale signaal over naar de ontvanger
IsofluraanFresenius Kabi, Toronto, CADIN 02237518inhalatieanestheticum
Jet Denture Powder & LiquidLang Dental, Wheeling, US1230tandheelkundig acryl
Lacri-LubeAllergan, Markham, CADIN 00210889oogzalf
Lido-2Rafter 8, CalgaryDIN 00654639lokaal verdovingsmiddel; 20 mg/mL
MatlabMathworksR2018bsoftware voor signaalverwerking en het activeren van externe gebeurtenissen
MetacamBoehringer, Ingelheim, DEDIN 02240463pijnstiller; 5 mg/mL
NetcomNeuraLynxv1Application Programming Interface (API) die communiceert met Cheetah
Silicone probeCambridge NeurotechASSY-156-DBC2geïmplanteerd apparaat
SpikeSort 3D NeuraLynx, Tucson, AZSS3Dspike-golfvorm-naar-cel classificatie tools
Wireless Radio ReceiverTBSI911-1062-00draagt het neurale signaal over naar de Digital Lynx
```

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Grosenick, L., Marshel, J. H., Deisseroth, K. Closed-loop and activity-guided optogenetic control. Neuron. 86 (1), 106-139 (2015).
  2. Armstrong, C., Krook-Magnuson, E., Oijala, M., Soltesz, I. Closed-loop optogenetic intervention in mice. Nature Protocols. 8 (8), 1475-1493 (2013).
  3. Siegle, J. H., Wilson, M. A. Enhancement of encoding and retrieval functions through theta phase-specific manipulation of hippocampus. Elife. 3, 03061(2014).
  4. Paz, J. T., et al. Closed-loop optogenetic control of thalamus as a tool for interrupting seizures after cortical injury. Nature neuroscience. 16 (1), 64-70 (2013).
  5. Krook-Magnuson, E., Armstrong, C., Oijala, M., Soltesz, I. On-demand optogenetic control of spontaneous seizures in temporal lobe epilepsy. Nature Communications. 4, 1376(2013).
  6. Berényi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzsáki, G. Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation. Science. 337 (6095), 735-737 (2012).
  7. Peters, T. E., Bhavaraju, N. C., Frei, M. G., Osorio, I. Network system for automated seizure detection and contingent delivery of therapy. Journal of Clinical Neurophysiology. 18 (6), 545-549 (2001).
  8. Fountas, K. N., Smith, J. Operative Neuromodulation. , Springer. 357-362 (2007).
  9. Heck, C. N., et al. Two-year seizure reduction in adults with medically intractable partial onset epilepsy treated with responsive neurostimulation: final results of the RNS System Pivotal trial. Epilepsia. 55 (3), 432-441 (2014).
  10. Osorio, I., et al. Automated seizure abatement in humans using electrical stimulation. Annals of Neurology. 57 (2), 258-268 (2005).
  11. Sun, F. T., Morrell, M. J., Wharen, R. E. Responsive cortical stimulation for the treatment of epilepsy. Neurotherapeutics. 5 (1), 68-74 (2008).
  12. Fountas, K. N., et al. Implantation of a closed-loop stimulation in the management of medically refractory focal epilepsy. Stereotactic and Functional Neurosurgery. 83 (4), 153-158 (2005).
  13. Abbott, A. Neuroprosthetics: In search of the sixth sense. Nature. 442, (2006).
  14. Venkatraman, S., Elkabany, K., Long, J. D., Yao, Y., Carmena, J. M. A system for neural recording and closed-loop intracortical microstimulation in awake rodents. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (1), 15-22 (2009).
  15. Nguyen, T. K. T., et al. Closed-loop optical neural stimulation based on a 32-channel low-noise recording system with online spike sorting. Journal of Neural Engineering. 11 (4), 046005(2014).
  16. Laxpati, N. G., et al. Real-time in vivo optogenetic neuromodulation and multielectrode electrophysiologic recording with NeuroRighter. Frontiers in Neuroengineering. 7, 40(2014).
  17. Su, Y., et al. A wireless 32-channel implantable bidirectional brain machine interface. Sensors. 16 (10), 1582(2016).
  18. Ciliberti, D., Kloosterman, F. Falcon: a highly flexible open-source software for closed-loop neuroscience. Journal of Neural Engineering. 14 (4), 045004(2017).
  19. Luczak, A., Bartho, P., Harris, K. D. Gating of sensory input by spontaneous cortical activity. The Journal of Neuroscience. 33 (4), 1684-1695 (2013).
  20. Luczak, A., Barthó, P., Harris, K. D. Spontaneous events outline the realm of possible sensory responses in neocortical populations. Neuron. 62 (3), 413-425 (2009).
  21. Schjetnan, A. G., Luczak, A. Recording Large-scale Neuronal Ensembles with Silicon Probes in the Anesthetized Rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
  22. Bermudez Contreras, E. J., et al. Formation and reverberation of sequential neural activity patterns evoked by sensory stimulation are enhanced during cortical desynchronization. Neuron. 79 (3), 555-566 (2013).
  23. Girardeau, G., Benchenane, K., Wiener, S. I., Buzsáki, G., Zugaro, M. B. Selective suppression of hippocampal ripples impairs spatial memory. Nature Neuroscience. 12 (10), 1222-1223 (2009).
  24. Schjetnan, A. G. P., Luczak, A. Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
  25. Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. Journal of Visualized Experiments. (61), e3568(2012).
  26. Sariev, A., et al. Implantation of Chronic Silicon Probes and Recording of Hippocampal Place Cells in an Enriched Treadmill Apparatus. Journal of Visualized Experiments. (128), e56438(2017).
  27. Harris, K. D., Henze, D. A., Csicsvari, J., Hirase, H., Buzsáki, G. Accuracy of tetrode spike separation as determined by simultaneous intracellular and extracellular measurements. Journal of Neurophysiology. 84 (1), 401-414 (2000).
  28. Jiang, Z., et al. TaiNi: Maximizing research output whilst improving animals' welfare in neurophysiology experiments. Scientific Reports. 7 (1), 8086(2017).
  29. Gao, Z., et al. A cortico-cerebellar loop for motor planning. Nature. 563 (7729), 113(2018).
  30. Neumann, A. R., et al. Involvement of fast-spiking cells in ictal sequences during spontaneous seizures in rats with chronic temporal lobe epilepsy. Brain. 140 (9), 2355-2369 (2017).
  31. Gothard, K. M., Skaggs, W. E., Moore, K. M., McNaughton, B. L. Binding of hippocampal CA1 neural activity to multiple reference frames in a landmark-based navigation task. Journal of Neuroscience. 16 (2), 823-835 (1996).
  32. McNaughton, B. L. Google Patents. , (1999).
  33. Wilber, A. A., et al. Cortical connectivity maps reveal anatomically distinct areas in the parietal cortex of the rat. Frontiers in Neural Circuits. 8, 146(2015).
  34. Mashhoori, A., Hashemnia, S., McNaughton, B. L., Euston, D. R., Gruber, A. J. Rat anterior cingulate cortex recalls features of remote reward locations after disfavoured reinforcements. Elife. 7, 29793(2018).
  35. Luczak, A., McNaughton, B. L., Harris, K. D. Packet-based communication in the cortex. Nature Reviews Neuroscience. , (2015).
  36. Luczak, A. Analysis and Modeling of Coordinated Multi-neuronal Activity. , Springer. 163-182 (2015).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Closed Loop StimulationNeuron Spiking ActivityMATLAB CodeElectrophysiological RecordingSpikeSort 3DCheetah SoftwareOnline Event TriggeringAwake Rat ExperimentOptogenetics IntegrationExternal Device Triggering

Related Articles