Proste urządzenie stymulujące do wywoływania punktowych bodźców dotykowych: szperacz do przejść LFP do skoków
25 marca 2014
Aby wyjaśnić skomplikowane przejście od lokalnych potencjałów pola (LFP) do skoków, zbudowano odpowiedni stymulator dla lekkich mechanicznych bodźców peryferyjnych. Jako zastosowanie, czynności związane z impulsami zarejestrowanymi przez korę somatosensoryczną zostały przeanalizowane za pomocą wielocelowej strategii optymalizacji. Wyniki pokazały, że proponowany stymulator był w stanie dostarczać bodźce dotykowe z dokładnością do milisekund i milimetrów.
Ogólnym celem niniejszej procedury jest zaproponowanie skutecznego, niskokosztowego, wykonanego na zamówienie urządzenia do stymulacji sensorycznej, przeznaczonego do szybkich stymulacji punktowych. Realizuje się to najpierw poprzez konfigurację urządzenia stymulującego. Drugim krokiem jest przygotowanie zwierzęcia do rejestracji elektrofizjologicznych poprzez wykonanie okna kostnego nad pierwotnym obszarem somatosensorycznym, aby umożliwić pozycjonowanie macierzy wieloelektrodowej.
Trzecim krokiem procedury jest umieszczenie urządzenia stymulującego na wcześniej zidentyfikowanych obszarach łapy wykazujących reakcję. Ostatnim krokiem jest znalezienie najlepszych spontanicznie generowanych oraz stymulowanych odpowiedzi LFP i impulsowych. Ostatecznie odpowiedzi impulsowe i LFP zostaną ocenione za pomocą algorytmów ad hoc.
Główną zaletą naszej techniki w porównaniu do istniejących rozwiązań, takich jak stymulatory bioelektryczne, jest zdolność naszego urządzenia do generowania bardzo szybkich i punktowych stymulacji w obszarach zainteresowania. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu neurofizjologii, takie jak fundamentalna kwestia przejścia z lokalnych potencjałów płetwy w kolce i odwrotnie. Przygotowanie zwierzęcia do stymulacji bieguna zaprezentuje saini, doktorant w moim laboratorium, natomiast budowę techniczną urządzenia omówi dr Antonio Zippo wraz z moim asystentem.
W tym programie procedury zaprogramuj mikrokontroler tak, aby co sekundę emitował dwie pary impulsów prądu, a następnie rozmieść mikrokontroler, płytkę stykową, głośnik średniotonowy, sterownik oraz klej na stole. Następnie zamocuj tępy grot, trzpień kaktusa, prostopadle do powierzchni głośnika średniotonowego. Połącz głośnik i mikrokontroler za pomocą mostka L 293 DH z podstawowymi komponentami pasywnymi.
Następnie podłącz mikrokontroler do akumulatora 12 V na potrzeby zabiegu stereotaktycznego. Po znieczuleniu szczura poprzez wstrzyknięcie dootrzewnowe roztworu barbituranów i umieszczeniu zwierzęcia w aparacie stereotaktycznym, unieruchom jego głowę za pomocą prętów usznych oraz knebla. Następnie utrzymuj temperaturę podkładki stereotaktycznej na poziomie 37.5 °C za pomocą elektronicznie sterowanej mata grzewczej.
Następnie należy starannie oczyścić sklepienie czaszki roztworem powidonu jodowego. Po zastosowaniu antyseptyki miejscowej wykonaj cięcie wzdłuż linii środkowej od nasady pyska do kości potylicznej, a skórę odsun i utrwal za pomocą retraktora oraz dwóch małych kleszczyków typu cocker. Następnie zidentyfikuj okostną i zdrap ją ze sklepienia kostnego za pomocą narzędzia z cienkim końcem.
Zaznacz markerem punkt lambda (bgma) na przecięciu szwów strzałkowych i wieńcowych. Następnie pod mikroskopem chirurgicznym zidentyfikuj domenę somatosensoryczną kończyny tylnej, znajdującą się w obrębie kory somatosensorycznej po stronie przeciwległej do tylnej łapy wykorzystywanej w eksperymencie. Za pomocą cienkopisu narysuj kwadrat, aby wyznaczyć obszar do wywiercenia otworu.
Następnie wywierć otwór o wymiarach 9 mm² w wcześniej zaznaczonym kwadracie. Usuń fragment kostny i ostrożnie odsłoń oponę twardą. Przykryj powierzchnię kory gąbką chirurgiczną nasączoną sztucznym płynem mózgowo-rdzeniowym o temperaturze 37,5 °C.
Następnie przymocuj macierz elektrod do uchwytu połączonego z elektronicznym mikromanipulatorem. Podłącz głowicę macierzy do przedwzmacniacza za pomocą mikrołącznika. Korzystając z mikroskopu chirurgicznego, ręcznie opuść macierz elektrod do powierzchni kory mózgowej, uważając, aby jej nie dotknąć.
Następnie należy włączyć wzmacniacze audio i kontynuować opuszczanie matrycy elektrod, aż dotknie ona powierzchni kory, co zostanie zasygnalizowane wyraźnym szumem. Następnie należy opuszczać matrycę elektrod w krokach sterowanych elektronicznie o wielkości 2 µm na krok, aż do osiągnięcia czwartej warstwy kory na głębokości od 350 do 400 µm. Następnie należy sprawdzić reaktywność neuronów poprzez lekkie dotykanie przeciwległej tylnej łapy.
Dostosuj głębokość o kilka kolejnych kroków, aż do zaobserwowania wyraźnej odpowiedzi w postaci impulsów (spikes). Ustaw filtr pasmowo-przepustowy w oprogramowaniu na zakres od 1,0 do 6 000 hertz, a częstotliwość próbkowania na 32 kilohertz i rozpocznij rejestrację sygnału neuronalnego. Po pięciu minutach rejestracji zakończ eksperyment i wyeksportuj zapisane dane w formacie binarnym do dalszej analizy.
Przeprowadź procedurę sortowania impulsów (spike sorting) za pomocą narzędzia wave_plus. W tej procedurze przyklej grzbietową stronę tylnej łapy do sztywnej ramy, eksponując powierzchnię LAR i unikając skręceń stawowych. Następnie umieść końcówkę urządzenia stymulującego w wybranej pozycji łapy P i włącz urządzenie stymulujące.
Po zastosowaniu tej procedury badacze mogą analizować przetwarzanie informacji w przypadku zarówno wolnych, jak i szybkich bodźców somatycznych. Po opracowaniu tego urządzenia badacze i klinicyści będą mogli analizować i zrozumieć różnice w obliczeniach neuronalnych oraz w opracowywaniu sygnałów przy bodźcach lekkiego dotyku, zarówno u zdrowych ochotników, jak i w.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia wykonane na zamówienie urządzenie do stymulacji sensorycznej, zaprojektowane do precyzyjnych punktowych stymulacji mechanicznych. Skuteczność urządzenia oceniono za pomocą rejestracji elektrofizjologicznej w pierwotnej korze somatosensorycznej, koncentrując się na przejściu z lokalnych potencjałów polowych (LFPs) do aktywności kolczastej.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Elektrofizjologia
- Przetwarzanie somatosensoryczne
Wstęp
- Zrozumienie przejścia z LFP na potencjały kolczyste jest kluczowe w neuronauce.
- Bodźce mechaniczne mogą wywoływać znaczące odpowiedzi neuronalne.
- Dedykowane urządzenia mogą zwiększyć precyzję stymulacji sensorycznej.
- Strategie optymalizacji wielokryterialnej pozwalają na efektywną analizę aktywności kolczystej.
Cel badania
- Opracowanie niskokosztowego urządzenia do stymulacji sensorycznej.
- Osiągnięcie szybkich i precyzyjnych stymulacji mechanicznych.
- Analiza odpowiedzi impulsowych oraz LFP w korze somatosensorycznej.
Zastosowane metody
- Budowa niestandardowego urządzenia do stymulacji sensorycznej.
- Przygotowanie zwierzęcia do rejestracji elektrofizjologicznej.
- Umieszczenie urządzenia stymulacyjnego na obszarach łapy wykazujących reakcję.
- Ocena odpowiedzi LFP i aktywności impulsowej przy użyciu algorytmów ad hoc.
Główne wyniki
- Urządzenie dostarczało bodźców dotykowych z milisekundową precyzją.
- Aktywność impulsowa została pomyślnie zarejestrowana z kory somatosensorycznej.
- Strategie optymalizacji wielokryterialnej pozwoliły na uzyskanie wglądu w odpowiedzi neuronalne.
- Wyniki wykazały skuteczność wykonanego na zamówienie urządzenia.
Wnioski
- Niestandardowe urządzenie do stymulacji sensorycznej jest skuteczne w przeprowadzaniu precyzyjnych stymulacji.
- Ułatwia ono badanie odpowiedzi neuronalnych w korze somatosensorycznej.
- Przyszłe zastosowania mogą poszerzyć naszą wiedzę na temat przetwarzania sensorycznego.
Najczęściej zadawane pytania
Zastosowanie w przemyśle
Zrozumienie przejścia z lokalnych potencjałów polowych (LFP) do aktywności impulsowej jest kluczowe dla minimalizacji ryzyka podczas walidacji celu w procesie odkrywania leków w neuronaukach. To specjalistyczne urządzenie stymulujące umożliwia precyzyjną, wysokoczęstotliwościową stymulację dotykową w celu badania dynamiki obwodów neuronalnych, co wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka w odniesieniu do celów zaangażowanych w zaburzenia przetwarzania sensorycznego. Podejście to zapewnia pewność prognostyczną w zakresie oddziaływania na cel poprzez powiązanie zewnątrzkomórkowych sygnatur LFP z neuronalnymi odpowiedziami na poziomie impulsów.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez izolację związku przyczynowo-skutkowego między dynamiką LFP a generowaniem impulsów w obwodach korowych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalną platformę do walidacji celów funkcjonalnych z wykorzystaniem bodźców punktowych w celu mapowania odpowiedzi neuronalnej z milisekundową precyzją.
- Wartość prognostyczna: Wspiera selekcję projektów w portfolio poprzez identyfikację celów, których modulacja wiarygodnie zmienia wzorce przejścia z LFP do impulsów w systemach istotnych dla danej jednostki chorobowej.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Dostarcza mierzalnych, zsynchronizowanych czasowo odpowiedzi neuronalnych, które służą jako wiarygodne biomarkery do przesiewania związków w szlakach somatosensorycznych.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje parametry stymulacji we wszystkich analizach, redukując zmienność odczytów LFP i potencjałów działania (spike) w celu uzyskania rzetelnego profilowania zależności dawka-odpowiedź.
- Skalowalność: Niskokosztowa, modułowa konstrukcja umożliwia ponowne wykorzystanie w wielu zestawach do elektrofizjologii, wspierając wysokoprzepustową walidację celów mechanosensorycznych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie translacyjne: Rejestruje fluktuacje aktywności impulsowej między próbami za pomocą sygnałów LFP, co umożliwia dopasowanie biomarkerów do klinicznej elektrofizjologii w modelach epilepsji i choroby Parkinsona.
- Ciągłość przedkliniczna: Łączy wyniki in vitro z funkcją nienaruszonych obwodów poprzez zachowanie naturalnej dynamiki reakcji na bodziec in vivo.
- Postęp z uwzględnieniem ryzyka: Ułatwia podejmowanie decyzji go/no-go poprzez ilościowe określenie w czasie rzeczywistym, w jaki sposób związki kandydujące zmieniają prawdopodobieństwo wystąpienia impulsów przewidywane na podstawie LFP.
Integracja rurociągu i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z wczesnymi etapami procesów odkrywczych, zapewniając kontrolowane wejście do badania funkcji obwodów neuronalnych, co bezpośrednio wspiera identyfikację związków wiodących poprzez obiektywny pomiar odpowiedzi wywołanych bodźcem.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez poprzez dostarczanie precyzyjnych bodźców mechanicznych w celu izolacji obliczeń neuronalnych w drogach sensorycznych.
- Przesiewanie: Umożliwia przygotowanie testów dzięki stabilnej stymulacji pozbawionej rezonansu, która zapewnia spójne wyniki LFP i potencjałów czynnościowych (spike) w kolejnych próbach.
- Analityka: Generuje ilościowe zmienne zależne (amplituda LFP, czas wystąpienia potencjałów czynnościowych, zmienność prób), które stanowią podstawę statystycznych modeli predykcji neuronalnej.
- Badania translacyjne: Wspiera walidację przedkliniczną poprzez rejestrowanie relacji LFP-spike istotnych dla ludzkich sygnatur elektrofizjologicznych w zaburzeniach neurologicznych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Funkcjonuje jako moduł stymulacji możliwy do ponownego wykorzystania w różnych laboratoriach i projektach, co redukuje koszty ponownego opracowywania metod walidacji celów mechanosensorycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w walidacji celu, dostarczając bezpośrednich dowodów na dynamikę przejścia z LFP do impulsu (spike).
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność dzięki precyzyjnej spatiotemporalnej kontroli stymulacji, minimalizując zmienne zakłócające w badaniach elektrofizjologicznych.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową, umożliwiając wczesną redukcję ryzyka związanego z celami dzięki predykcyjnym modelom aktywności impulsowej opartym na LFP.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko poprzez identyfikację celów z silnym sprzężeniem LFP-spike, co wskazuje na większą pewność w zakresie modulacji funkcjonalnej.
Kwestie wdrożeniowe
- Wymaga wiedzy z zakresu elektrofizjologii, mikrofabrykacji i przetwarzania sygnałów neuronalnych w celu implementacji i interpretacji odpowiedzi wywołanych stymulacją.
- Zależy od instrumentarium, w tym mikrokontrolerów, wzmacniaczy i macierzy elektrod służących do podawania bodźców dotykowych oraz rejestracji aktywności neuronalnej.
- Wymaga standaryzacji protokołów stymulacji i potoków przetwarzania sygnałów pomiędzy zespołami w celu zapewnienia powtarzalności wyników w różnych ośrodkach.
- Wiąże się z koniecznością uwzględnienia adaptacji przy przenoszeniu urządzenia do różnych systemów modelowych lub miejsc stymulacji poza korą somatosensoryczną.
- Ograniczone koniecznością przygotowania chirurgicznego i filtrowania sygnałów w celu wyizolowania odpowiedzi wywołanych z tła aktywności neuronalnej, zgodnie z opisem w schemacie procedury.
