Jednoczesne śledzenie ruchu gałek ocznych i zapisy pojedynczych neuronów u pacjentów z padaczką u ludzi
17 czerwca 2019
Opisujemy metodę przeprowadzania nagrań pojedynczych neuronów z jednoczesnym śledzeniem ruchu gałek ocznych u ludzi. Pokazujemy użyteczność tej metody i ilustrujemy, w jaki sposób wykorzystaliśmy to podejście do uzyskania neuronów w ludzkim przyśrodkowym płacie skroniowym, które kodują cele wyszukiwania wzrokowego.
Główną zaletą naszej techniki jest to, że umożliwia ona jednoczesne rejestrowanie pozycji przypadku, wielkości źrenicy i pojedynczych neuronów u pacjentów, którym wszczepiono elektrody głębinowe przy łóżku pacjenta. Pozwala nam to określić, czy w ludzkim mózgu znajdują się neurony, których aktywność jest wrażliwa na ruchy gałek ocznych i na tożsamość aktualnie utrwalonego bodźca. Chociaż technika ta nie jest przeznaczona do badania konkretnej choroby, dobrze nadaje się do badania chorób neurologicznych, które skutkują nieprawidłowymi ruchami gałek ocznych lub innymi nieprawidłowościami motorycznymi gałki ocznej.
Procedurę zademonstrują Nand Chandravadia i James Lee, współpracownicy naukowi z mojego laboratorium. I Erika Quan, technik neurodiagnostyki w Cedars-Sinai. Aby rozpocząć, podłącz elektrody do systemu rejestracji i ustaw pacjenta w pozycji pionowej.
Następnie podłącz komputer bodźca do systemu elektrofizjologii i eye trackera. Umieść zdalny nieinwazyjny system śledzenia ruchu gałek ocznych w podczerwieni na solidnym wózku mobilnym. Następnie przymocuj do wózka elastyczne ramię, na którym znajduje się wyświetlacz LCD.
Umieść w pełni naładowany, nieprzerwany zasilacz na wózku śledzenia ruchu gałek ocznych i podłącz wszystkie urządzenia związane ze śledzeniem ruchu gałek ocznych do źródła zasilania, a nie do zewnętrznego źródła zasilania. Upewnij się, że urządzenie dożylne podłączone do pacjenta jest zasilane bateryjnie i nie jest podłączone do ściany. Uruchom oprogramowanie do śledzenia ruchu gałek ocznych.
Dostosuj odległość między pacjentem a ekranem LCD w zakresie od 60 do 70 centymetrów. Dostosuj również kąt ekranu LCD tak, aby powierzchnia ekranu była w przybliżeniu równoległa do twarzy pacjenta. Umieść naklejkę na czole pacjenta, aby urządzenie śledzące ruch gałek ocznych mogło dostosować się do ruchów głowy.
Teraz dostosuj wysokość ekranu względem głowy pacjenta tak, aby kamera urządzenia śledzącego ruch gałek ocznych znajdowała się w przybliżeniu na wysokości nosa pacjenta. Zaopatrz pacjenta w skrzynkę z przyciskami lub klawiaturę. Przed rozpoczęciem eksperymentu sprawdź, czy wyzwalacze i naciśnięcia przycisków są prawidłowo rejestrowane.
Uruchom oprogramowanie do akwizycji. Najpierw należy dokonać wizualnej kontroli potencjałów szerokopasmowego pola lokalnego i upewnić się, że nie są one zanieczyszczone hałasem sieciowym. W przeciwnym razie postępuj zgodnie ze standardowymi procedurami, aby usunąć szum.
Aby zidentyfikować pojedyncze neurony, filtruj sygnał pasmowo-przepustowy od 300 Hz do 8 kiloherców. Wybierz jeden z ośmiu mikroprzewodów jako odniesienie dla każdej wiązki mikroprzewodów. Włącz zapisywanie danych jako pliku nrd przed nagraniem.
Dostosuj odległość i kąt między urządzeniem śledzącym ruch gałek ocznych a pacjentem tak, aby znacznik celu, odległość głowy, źrenica i odbicie rogówki były oznaczone jako gotowe. Jest to pokazane na zielono w oprogramowaniu do śledzenia ruchu gałek ocznych. Kliknij oko, które chcesz nagrać i ustaw częstotliwość próbkowania na 500 Hz.
Użyj automatycznej regulacji progu odbicia źrenicy i rogówki. Skalibruj urządzenie śledzące ruch gałek ocznych za pomocą wbudowanej metody siatki na początku każdego bloku. Upewnij się, że pozycje oczu są ładnie rejestrowane jako siatka.
W przeciwnym razie powtórz kalibrację. Zaakceptuj kalibrację i przeprowadź walidację. Zaakceptuj walidację, jeśli maksymalny błąd walidacji jest mniejszy niż dwa stopnie, a średni błąd walidacji jest mniejszy niż jeden stopień.
W przeciwnym razie powtórz walidację. Następnie wykonaj korekcję dryfu i przejdź do właściwego eksperymentu. W tym zadaniu wyszukiwania wizualnego wykorzystaj bodźce z poprzedniego badania przeprowadzonego przez tę grupę i postępuj zgodnie z procedurą zadania, jak opisano wcześniej.
Przekaż uczestnikom instrukcje dotyczące zadań. Poinstruuj uczestników, aby znaleźli element docelowy w tablicy wyszukiwania i odpowiedzieli tak szybko, jak to możliwe. Poinstruuj uczestników, aby nacisnęli lewy przycisk w polu odpowiedzi, jeśli znajdą cel i nacisnęli prawy przycisk, jeśli uważają, że cel jest nieobecny.
Wyraźnie poinstruuj uczestników, że będą prowadzone badania kliniczne z udziałem i bez celu. Uruchom oprogramowanie do prezentacji bodźców i uruchom zadanie. Przedstaw wskazówkę docelową na jedną sekundę i zaprezentuj tablicę wyszukiwania za pomocą oprogramowania do prezentacji bodźców.
Nagrywaj naciśnięcia przycisków i przekazuj uczestnikom informacje zwrotne próba po próbie. Aby zilustrować zastosowanie tej metody, zarejestrowano 228 pojedynczych neuronów z ludzkiego przyśrodkowego płata skroniowego, podczas gdy pacjenci wykonywali zadanie wyszukiwania wzrokowego, jak pokazano tutaj. W ramach tego zadania zbadano, czy aktywność neuronów różnicuje fiksacje na celach i dystraktory.
Kiedy odpowiedzi zostały wyrównane po naciśnięciu przycisku, znaleziono neurony, które wykazywały zróżnicowaną aktywność między próbami z obecnym celem a próbami bez celu. Czarne linie reprezentują początek i przesunięcie kolejki wyszukiwania. Ten neuron zwiększył swoją szybkość wystrzeliwania w próbach z obecnym celem, ale nie w próbach bez celu.
I odwrotnie, neuron ten zmniejszył swoją szybkość wystrzeliwania w próbach z obecnym celem, ale nie w próbach bez celu. Podzbiór neuronów przyśrodkowego płata skroniowego wykazywał znacząco różną aktywność między fiksacjami na celach a dystraktorami. Co więcej, jeden typ takiego neuronu docelowego miał większą reakcję na cele w stosunku do dystraktorów, podczas gdy drugi miał większą odpowiedź na dystraktory w stosunku do celów.
Łącznie wynik ten pokazuje, że podzbiór neuronów przyśrodkowego płata skroniowego koduje, czy obecna fiksacja wylądowała na celu, czy nie. Bardzo ważne jest, aby upewnić się, że eyetracker nie wprowadza szumów do nagrania. Wszelki hałas musi zostać usunięty przed przeprowadzeniem eksperymentów.
Jeśli szum będzie się powtarzał, upewnij się, że ekran używany do wyświetlania bodźca do obiektu ma zewnętrzne źródło zasilania. Wymień zasilacze na bardziej wysokiej jakości zasilacze, zwykle używane do zaawansowanych aplikacji audio. Po tej procedurze przeprowadzana jest analiza skoków i ruchów gałek ocznych w celu wydobycia informacji z danych, które pozwolą badaczowi zbadać reakcje neuronów na ruchy gałek ocznych.
Ta metoda toruje drogę do zbadania wielu pytań bez odpowiedzi, które wymagają analizy fiksacji, takich jak to, w jaki sposób neurony kolektywnie napędzają fiksacje na interesujących obiektach w scenie.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten artykuł opisuje metodę przeprowadzania rejestracji pojedynczych neuronów jednocześnie śledząc ruchy oczu u ludzi. Technika ta pozwala badaczom badać aktywność neuronalną związaną z celami poszukiwania wzrokowego w ludzkim przyśrodkowym płacie skroniowym.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Elektrofizjologia
- Kognitywistyka wzrokowa
Tło
- Rejestracji pojedynczych neuronów dostarcza wglądu w funkcjonowanie mózgu.
- Śledzenie ruchów oczu może ujawniać, jak przydzielana jest uwaga wzrokowa.
- Zrozumienie reakcji neuronów na bodźce wzrokowe jest kluczowe dla neuronauki.
- Ta metoda może być zastosowana w warunkach klinicznych u pacjentów z elektrodami głębokimi.
Cel badania
- Aby zademonstrować technikę jednoczesnego śledzenia ruchów oczu i rejestracji pojedynczych neuronów.
- Aby zidentyfikować neurony wrażliwe na ruchy oczu i bodźce wzrokowe.
- Aby ułatwić badania nad chorobami neurologicznymi wpływającymi na ruchy oczu.
Zastosowane metody
- Podłączenie elektrod do systemu rejestrującego.
- Umieszczenie pacjenta w pozycji pionowej dla optymalnej rejestracji.
- Rejestrowanie aktywności neuronalnej podczas śledzenia ruchów oczu.
- Analiza związku między wyładowaniam neuronów a celami wzrokowymi.
Główne wyniki
- Demonstracja wykonalności metody w warunkach klinicznych.
- Identyfikacja neuronów w przyśrodkowym płacie skroniowym reagujących na poszukiwanie wzrokowe.
- Pokazanie, jak ruchy oczu wpływają na aktywność neuronalną.
- Zastąpienie podstawy do badania zaburzeń motoryki oczu.
Wnioski
- Technika jest skuteczna w badaniu przetwarzania wzrokowego u ludzi.
- Otwierają drogi do badań nad stanami neurologicznymi.
- Przyszłe badania mogą wykorzystać tę metodę do głębszego poznania funkcji mózgu.
Często zadawane pytania
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.
