Open-source real-time closed-loop elektrische drempeltracking voor translationeel pijnonderzoek

Deze tool kan worden gebruikt om verschillende mechanismen van nociceptorsensibilisatie te onderzoeken, en het is deze sensibilisatie die sommige vormen van chronische pijn kan veroorzaken. Geautomatiseerde elektrische drempeltracking biedt een betrouwbare, online, real-time meting van de prikkelbaarheid van nociceptor. Als zodanig biedt deze maatregel een belangrijke translationele brug, waardoor metingen kunnen worden gedaan bij zowel mensen als dieren.

Op dezelfde manier, waardoor effectieve pathologie en behandelingen kunnen worden beoordeeld. In de toekomst kan AP Track worden gebruikt bij chronische pijnpatiënten om te bevestigen of een therapeutisch middel de prikkelbaarheid van hun gesensibiliseerde nociceptoren normaliseert. Dit zou een cruciale biomarker van werkzaamheid zijn.

We verwachten dat onze open-source toolkit, AP Track, nuttig zal zijn voor elektrofysiologen die tijdlusstimuli van verschillende groottes bestuderen. We denken bijvoorbeeld ook dat het nuttig zal zijn voor het bestuderen van optogenetica. Het tegelijkertijd beheren van een experiment en software is in het begin een uitdaging, dus ik raad gebruikers aan vooraf opgenomen gegevens in AP Track te laden om vertrouwd te raken met het gebruik ervan voordat ze een experiment proberen.

We hebben demogegevens verstrekt. Sluit om te beginnen het acquisitiebord aan op de computer met behulp van de door de fabrikant meegeleverde kabel en schakel ze in. Sluit vervolgens het IO-bord aan op de analoge import op het acquisitiebord en sluit een Intan RHD Recording Headstage aan op het acquisitiebord met behulp van een seriële randapparatuurinterfacekabel.

Sluit vervolgens de Pulse Pal aan op de computer. Splits het signaal van het Pulse Pal-uitgangskanaal één met behulp van een BNC T Splitter en sluit het vervolgens aan op de ingang van de constante stroomstimulator en het IO-bord, zodat het analoge spanningscommando kan worden opgenomen. Sluit het Pulse Pal-uitgangskanaal twee aan op het IO-bord om de TTL-gebeurtenismarkeringen voor stimulatie op te nemen.

Voor montage met een draaiknopgestuurde constante stroomstimulator, schakelt u een constante stroomstimulator in en sluit u de besturingskaart van de stappenmotor aan op de stappenmotor met behulp van de door de fabrikant geleverde kabel en magnetische houder. Sluit de besturingskaart rechtstreeks aan op de computer met behulp van een standaard USB-A-naar-USB-micro B-kabel. Sluit de besturingskaart en de stappenmotor aan op een aangepaste montagebeugel en stel de stimulatieamplitudeknop op de constante stroomstimulator in op nul milliamperes.

Sluit vervolgens een aangepaste loopadapter aan op het loopvat van de stappenmotor. Bevestig de stappenmotor en het aangepaste montageapparaat aan de stimulatieamplitudeknop op de constante stroomstimulator met behulp van de loopadapter en schakel deze in. Open de AP Track GUI en breng een stabiele elektrofysiologische opname van perifere zenuwen tot stand.

Identificeer het receptieve veld op de huid en plaats de stimulerende elektrode daar. Selecteer in het menu Opties de optie Triggerkanaal en kies het ADC-kanaal met de TTL-markering voor elektrische stimulatie van Pulse Pal-uitgangskanaal twee. Selecteer vervolgens het gegevenskanaal en kies het kanaal met de elektrofysiologische gegevens.

Klik op Connect (Verbinden) om AP Track aan te sluiten op het Pulse Pal- en stappenmotorapparaat. Dit kan even duren. Eenmaal aangesloten, zal de besturingskaart van de stappenmotor zichzelf op positie nul zetten.

Definieer in het bedieningspaneel voor stimulatie de initiële minimale en maximale stimulatieamplitudes met behulp van de schuifregelaar. Zorg ervoor dat de huidige stimulatie boven nul is ingesteld, zodat TTL-markers worden gegenereerd. Klik op F om een bestand met de stimulatie-instructies te laden en klik vervolgens op de pijl-rechts om het geladen stimulatieparadigma te starten.

De temporele rasterplot begint te updaten met de reactie op elektrische stimulatie, waarbij elke nieuwe stimulatierespons wordt weergegeven als een nieuwe kolom aan de rechterkant. Als u de actiepotentialen van één neuron met succes wilt detecteren, gaat u naar het deelvenster temporele rasterplot en past u de waarden laag, detectie en hoge afbeeldingsdrempelwaarden aan. Als geschikte afbeeldingsdrempels zijn ingesteld, worden de drempelovergangen die door de algoritmen worden gedetecteerd, groen gecodeerd.

Beweeg systematisch de stimulerende elektrode rond het huidgebied dat door de zenuw wordt geïnnerveerd. Controleer de temporele rasterplot op drie drempelovergangsgebeurtenissen die achter elkaar verschijnen met dezelfde latentie terwijl de elektrode zich in dezelfde stimulatiepositie bevindt. Dit duidt op de identificatie van een constante latentie perifeer neuron actiepotentiaal.

Nadat u de actiepotentiaal van één neuron op de temporele rasterplot hebt geïdentificeerd, verplaatst u de grijze lineaire schuifregelaar aan de rechterkant van de plot om de positie van het zoekvak aan te passen. Pas vervolgens het zoekvak met de draaischuifregelaar aan op een geschikte breedte. Maak de breedte van het zoekvak smal.

Om te beginnen met het volgen van het beoogde actiepotentieel, klikt u op het plusteken onder de trackingtabel met meerdere eenheden. Er wordt een nieuwe rij aan de tabel toegevoegd met de details van de doelactiepotentiaal, inclusief de latentielocatie, het percentage dat over twee tot 10 stimuli wordt afgevuurd en de gedetecteerde piekamplitude. Het algoritme voor het bijhouden van latentie wordt er automatisch op uitgevoerd bij elke volgende elektrische stimulatie.

Vink het vakje aan voor de spike van de track in de tabel om het zoekvak naar de juiste positie voor die specifieke actiepotentiaal te verplaatsen. Bereken de geleidingssnelheid van het perifere neuron door de afstand tussen de stimulatie- en opnameplaatsen te delen door de latentie die in de tabel wordt weergegeven. Om de elektrische drempeltracking uit te voeren, past u de toename- en afnamesnelheden in het stimulatiebedieningspaneel aan op de gewenste snelheid.

Houd deze waarden gelijk. Zorg ervoor dat de stimulatiefrequentie is ingesteld op een geschikte snelheid, meestal 0,25 tot 0,5 Hertz. Pas de stimulatieamplitude handmatig ongeveer aan de elektrische drempel van het neuron aan.

Vink vervolgens het vakje spoordrempel aan in de trackingtabel met meerdere eenheden, waarmee het algoritme voor het volgen van elektrische drempels wordt gestart. Controleer in de trackingtabel met meerdere eenheden de vuursnelheid. Een stooksnelheid van 50% geeft aan dat de geschatte elektrische drempel is bepaald en dat de drempelwaarde zal worden bijgewerkt.

Pas ten slotte een experimentele manipulatie toe op het receptieve veld en ga door met het volgen van de elektrische drempel. Dit zal veranderingen in de prikkelbaarheid van het perifere neuron kwantificeren. De sequentiële sporen van een menselijke C-vezel van de oppervlakkige meerjarige zenuw tijdens een microneurografie-experiment en de sequentiële sporen van een muis A-deltavezel van de nervus saphena tijdens huid-zenuwpreparatie geplaagde vezelelektrofysiologie worden in deze figuur weergegeven.

De sporen waren rood gekleurd wanneer een actiepotentiaal werd geïdentificeerd, wat resulteerde in een afname van de stimulusamplitude. Het softwarealgoritme vindt effectief de stimulusamplitude die nodig is voor een kans van 50% om te vuren. De elektrische drempel die wordt gevolgd bij een stimulatiefrequentie van 0,25 Hertz tijdens de thermische stimulatie van een menselijke C-vezelnociceptor wordt in deze figuur weergegeven.

De y-as codeert vanaf het begin van het paradigma voor het stimulatiegetal. De spanningssporen gedurende 4.000 milliseconden na de elektrische stimulatie met de drempelovergangsgebeurtenissen zijn rood gemarkeerd. Het spanningsspoor dat is ingezoomd rond de bijgehouden actiepotentiaal wordt hier weergegeven.

De verticale blauwe lijn is de basislijnlatentie van de bijgehouden eenheid. De stimulatiestroom die door AP Track wordt aangestuurd, wordt in deze afbeelding weergegeven. De verticale blauwe lijn is de elektrische drempel van de basislijn.

De temperatuur van de receptieve veld TCS-II thermische stimulerende sonde wordt hier gepresenteerd. Naarmate het receptieve veld van deze warmtegevoelige C-vezel wordt opgewarmd door de thermische stimulator, neemt de elektrische drempel af. Het kiezen van de juiste waarden voor de breedte van het zoekvak en de detectiedrempel is belangrijk, omdat deze de prestaties van AP Track aanzienlijk verbeteren door de impact van elektrische ruis te verminderen.

Het kwantificeren van de impact van therapeutische middelen op hyperexcitabiliteit bij nociceptoren kan ons helpen de mechanismen die ten grondslag liggen aan chronische pijn beter te begrijpen. We hopen dat andere onderzoekers deze vrij beschikbare tool zullen gebruiken om de nociceptieve biologie en de veranderingen die zich hebben voorgedaan tijdens nociceptorsensibilisatie beter te begrijpen.