Gelijktijdige Oogtracering en single-neuron opnames bij humane epilepsiepatiënten
17 juni 2019
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.
Een principieel voordeel van onze techniek is dat het de gelijktijdige registratie van de positie van de koffer, pupilgrootte en enkele neuronen mogelijk maakt bij patiënten die zijn geïmplanteerd met diepteelektroden aan het bed. Dit stelt ons in staat om te bepalen of er neuronen in de menselijke hersenen waarvan de activiteit is gevoelig voor oogbewegingen en de identiteit van de momenteel gefixeerde stimulus. Hoewel deze techniek niet is ontworpen om een bepaalde ziekte te bestuderen, is het zeer geschikt om neurologische ziekten te bestuderen die leiden tot abnormale oogbewegingen of andere oculaire motorische afwijkingen.
Het aantonen van de procedure zal Nand Chandravadia en James Lee, onderzoeksmedewerkers van mijn laboratorium. En Erika Quan, een neurodiagnostische technicus bij Cedars-Sinai. Om te beginnen sluit u de elektroden aan op het opnamesysteem en plaatst u de patiënt rechtop zitten.
Sluit vervolgens de stimuluscomputer aan op het elektrofysiologiesysteem en eyetracker. Plaats het externe niet-invasieve infrarood eye tracking systeem op een robuuste mobiele kar. Bevestig vervolgens een flexibele arm die een LCD-scherm aan de winkelwagen houdt.
Plaats een volledig opgeladen ononderbroken voeding op de eye tracking cart en sluit alle apparaten met betrekking tot eye tracking aan de voeding in plaats van op een externe energiebron. Zorg ervoor dat het MET de patiënt aangesloten INT-apparaat op de batterij werkt en niet op de muur is aangesloten. Start de eye tracking software.
Pas de afstand tussen de patiënt en het LCD-scherm aan op 60 tot 70 centimeter. Pas ook de hoek van het LCD-scherm aan, zodat het oppervlak van het scherm ongeveer parallel is aan het gezicht van de patiënt. Plaats een sticker op het voorhoofd van de patiënt, zodat de eye tracker kan aanpassen voor hoofdbewegingen.
Stel nu de hoogte van het scherm aan ten opzichte van het hoofd van de patiënt, zodat de camera van de oogtracker ongeveer op de hoogte van de neus van de patiënt is. Geef de patiënt een knopendoos of toetsenbord. Controleer of triggers en druk op de knop correct zijn opgenomen voordat u met het experiment begint.
Start de acquisitiesoftware. Eerst visueel inspecteren van de breedband lokale veld mogelijkheden en zorg ervoor dat ze niet besmet zijn door lijn lawaai. Volg anders standaardprocedures om ruis te verwijderen.
Om single-neuronen te identificeren, band pass filter het signaal van 300 hertz tot acht kilohertz. Selecteer een van de acht microdraden als referentie voor elke microwire bundel. Schakel het opslaan van de gegevens in als een nrd-bestand voordat u wordt opgenomen.
Pas de afstand en hoek tussen de oogtracker en de patiënt aan, zodat de doelmarkering, hoofdafstand, pupil en hoornvliesreflectie als klaar zijn gemarkeerd. Dit wordt weergegeven in het groen in de eye tracking software. Klik op het te registreren oog en stel de bemonsteringsfrequentie in op 500 hertz.
Gebruik de automatische aanpassing van de drempel voor reflectie van het hoornvlies. Kalibreer de eye tracker met de ingebouwde rastermethode aan het begin van elk blok. Bevestig de ooghoudingen registreren mooi als een raster.
Anders moet u de kalibratie opnieuw kalibreren. Accepteer de kalibratie en doe de validatie. Accepteer de validatie als de maximale validatiefout minder dan twee graden is en de gemiddelde validatiefout minder dan één graad is.
Anders moet u de validatie opnieuw uitvoeren. Voer vervolgens driftcorrectie uit en ga naar het eigenlijke experiment. Gebruik in deze visuele zoektaak de stimuli uit een eerdere studie die door deze groep is uitgevoerd en volg de taakprocedure zoals eerder beschreven.
Geef taakinstructies aan de deelnemers. Instrueer de deelnemers om een doelitem in de zoekarray te vinden en zo snel mogelijk te reageren. Instrueer de deelnemers om op de linkerknop van een antwoordvak te drukken als ze het doel vinden en druk op de rechterknop als ze denken dat het doel afwezig is.
Informeer de deelnemers expliciet dat er doel-aanwezige en doel-afwezige proeven zullen zijn. Start stimulus presentatie software en voer de taak. Presenteer een doel cue voor een seconde en presenteren de zoekarray met behulp van de stimulus presentatie software.
Neem de druk op de knop op en geef proef via proeffeedback aan de deelnemers. Om het gebruik van deze methode te illustreren, werden 228 enkele neuronen opgenomen uit de menselijke mediale temporale kwab terwijl patiënten een visuele zoektaak uitvoerden, zoals hier getoond. Tijdens deze taak werd onderzocht of de activiteit van neuronen onderscheidde tussen fixaties op doelen en afleiders.
Wanneer de reacties werden uitgelijnd bij de druk op de knop, neuronen werden gevonden die differentiële activiteit tussen doel-aanwezige proeven en doel-afwezige proeven toonden. Zwarte lijnen vertegenwoordigen het begin en de verschuiving van de zoekwachtrij. Dit neuron verhoogde zijn vuursnelheid voor doel-huidige proeven, maar niet voor doel-afwezige proeven.
Omgekeerd, dit neuron verminderde zijn vuursnelheid voor doel-huidige proeven, maar niet voor doel-afwezige proeven. Een subset van mediale temporale kwab neuronen toonde aanzienlijk verschillende activiteiten tussen fixaties op doelen versus distractors. Bovendien, een type van een dergelijk doel neuron had een grotere respons op doelen ten opzichte van afleiders, terwijl de andere had een grotere reactie op afleiders ten opzichte van doelen.
Samen, dit resultaat toont aan dat een subset van mediale temporale kwab neuronen coderen of de huidige fixatie landde op een doel of niet. Het is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat de eye tracker geen ruis in de opname introduceert. Alle ruis moet worden verwijderd voordat de experimenten worden uitgevoerd.
Als het geluid aanhoudt, zorgt u ervoor dat het scherm dat wordt gebruikt om de stimulus aan het onderwerp weer te geven, een externe voeding heeft. Wissel voedingen in voor meer hoogwaardige voedingen die doorgaans worden gebruikt voor high-end audiotoepassingen. Na deze procedure worden analyses van pieken en oogbewegingen uitgevoerd om informatie uit de gegevens te extraheren waarmee onderzoekers de neuronale reacties op oogbewegingen kunnen onderzoeken.
Deze methode effent de weg om veel onbeantwoorde vragen te verkennen die analyse van fixaties vereisen, zoals hoe neuronen gezamenlijk fixaties naar interessante objecten in een scène aansturen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft een methode voor het uitvoeren van opnames van enkele neuronen terwijl tegelijkertijd oogbewegingen bij mensen worden gevolgd. De techniek stelt onderzoekers in staat om neuronale activiteit te onderzoeken die verband houdt met visuele zoekdoelen in de menselijke mediale temporale kwab.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Elektrofysiologie
- Visuele Cognitie
Achtergrond
- Opnames van enkele neuronen geven inzicht in de hersenfunctie.
- Oogtracking kan onthullen hoe visuele aandacht wordt toegewezen.
- Begrip van neuronale reacties op visuele stimuli is cruciaal voor de neurowetenschappen.
- Deze methode kan worden toegepast in klinische omgevingen met patiënten met diepte-elektroden.
Doel van het onderzoek
- Om een techniek voor gelijktijdige oogtracking en opnames van enkele neuronen te demonstreren.
- Om neuronen te identificeren die gevoelig zijn voor oogbewegingen en visuele stimuli.
- Om onderzoek naar neurologische aandoeningen die oogbewegingen beïnvloeden, te faciliteren.
Gebruikte methoden
- Sluit elektrodes aan op een opnamesysteem.
- Positioneer de patiënt rechtop voor optimale opname.
- Neem neuronale activiteit op terwijl oogbewegingen worden gevolgd.
- Analyseer de relatie tussen neuronale activering en visuele doelen.
Belangrijkste resultaten
- Demonstreerde de haalbaarheid van de methode in een klinische omgeving.
- Identificeerde neuronen in de mediale temporale kwab die reageren op visuele zoekopdrachten.
- Toonde aan hoe oogbewegingen neuronale activiteit beïnvloeden.
- Biedt een basis voor het onderzoek van oculaire motorische afwijkingen.
Conclusies
- De techniek is effectief voor het bestuderen van visuele verwerking bij mensen.
- Het opent mogelijkheden voor onderzoek naar neurologische aandoeningen.
- Toekomstige studies kunnen deze methode gebruiken voor diepere inzichten in de hersenfunctie.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This method bridges animal neurophysiology and human cognitive neuroscience by enabling simultaneous single-neuron recordings and eye tracking in behaving humans. It provides a direct readout of neuronal correlates of visual attention and target selection, supporting mechanistic de-risking in target validation for neuropsychiatric and neurodegenerative disorders. The approach enhances predictive confidence in preclinical models by validating human-relevant neural mechanisms underlying sensory processing and decision-making.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by linking single-neuron activity to visual target identification in human medial temporal lobe.
- Operational Value: Supports biological de-risking through direct observation of neuronal responses to task-relevant stimuli in a clinically relevant system.
- Predictive Value: Identifies target neurons whose firing reflects top-down attention, offering a biomarker for attentional network function in disease models.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated neuronal-eye movement readouts for downstream compound screening in visual processing assays.
- Operational Value: Ensures assay standardization via synchronized electrophysiology and eye tracking outputs, reducing variability in neuronal response measurements.
- Scalability: Enables platform reuse across cognitive tasks by maintaining stable signal acquisition from depth electrodes and eye tracking systems.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery-phase neuronal targeting mechanisms to preclinical validation through conserved attentional pathways.
- Disease-Relevant System: Applicable to modeling neurological conditions with ocular motor abnormalities, such as Parkinson’s or schizophrenia, where attentional deficits are prevalent.
- Mechanistic De-risking: Clarifies whether candidate compounds modulate specific neuronal populations involved in target vs. distractor discrimination.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from hypothesis testing in early discovery to lead identification via functional validation of neuronal targets involved in visual attention and decision-making.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by isolating neuronal populations that differentially encode target vs. distractor fixations during visual search.
- Screening: Delivers quantitative, spike-sorted neuronal data time-locked to eye movement events, enabling reliable compound effect assessment.
- Analytics: Provides single-unit firing rates and eye movement metrics (position, pupil size) as co-registered readouts for correlational and causal analysis.
- Translational Research: Aligns with biomarker development by identifying neuronal signatures of attentional load and target engagement.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable neurophysiological platform for studying visual cognition across therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by validating human neuronal mechanisms of attention, reducing reliance on inferential models.
- Operational Value: Standardizes multi-modal data acquisition (electrophysiology + eye tracking) for reproducible cross-laboratory use.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early evidence of target engagement in human-relevant neural circuits.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on effects on attentional processing networks.
Implementation Considerations
- Requires expertise in intracranial electrophysiology, eye tracking systems, and behavioral task design.
- Depends on synchronized recording hardware, stimulus presentation software, and noise-minimizing power infrastructure (e.g., UPS, isolated supplies).
- Necessitates cross-team standardization between neurology, neurophysiology, and vision science teams for consistent electrode placement and calibration.
- Involves adaptation considerations for varying electrode locations beyond medial temporal lobe to assess regional specificity of attentional encoding.
- Limited by patient availability and invasiveness; best suited for hypothesis-driven studies rather than high-throughput screening.
