November 12th, 2019
Ten protokół pokazuje, jak używać systemu elektrofizjologicznego do stymulacji w pętli zamkniętej wywołanej wzorcami aktywności neuronalnej. Dostępny jest również przykładowy kod Matlab, który można łatwo modyfikować dla różnych urządzeń stymulacyjnych.
Ten standardowy system rejestracji neurofizjologicznej może być używany do przeprowadzania stymulacji w pętli zamkniętej, co jest przydatne do badania interakcji przyczynowych w mózgu. Protokół ten pozwala neuronaukowcom z ograniczoną wiedzą w dziedzinie informatyki na szybkie wdrażanie różnorodnych eksperymentów w pętli zamkniętej przy niewielkich kosztach. Eksperymenty w pętli zamkniętej stają się coraz ważniejsze dla nauk podstawowych i badań.
Na przykład wiele badań nad padaczką wykazało, że stymulacja neuronów wyzwalająca się na początku napadu jest skutecznym podejściem do zmniejszenia nasilenia napadów. Aby ułatwić przyjęcie eksperymentów w pętli zamkniętej w badaniach neurobiologicznych, protokół ten zapewnia kod MATLAB do konwersji systemu zapisu elektrofizjologicznego w pętli otwartej na system pętli zamkniętej. Ta implementacja stymulacji w pętli zamkniętej została zademonstrowana na obudzonym szczurze.
Aby zainstalować system akwizycji danych Cheetah 6.4, otwórz stronę internetową oprogramowania, która zawiera biblioteki do interakcji z systemem akwizycji Cheetah i zainstaluj SpikeSort-3D. Zainstaluj pakiet deweloperski NetCom. Zaloguj się na konto MATLAB, aby wybrać odpowiednią licencję, wersję i system operacyjny.
Następnie pobierz bibliotekę do wyzwalania zdarzeń online, jak wskazano, i rozpakuj pliki do folderu dokumentów MATLAB. Aby uzyskać dane, otwórz oprogramowanie Cheetah i zapisz dane skokowe, aby wypełnić przebiegi szablonu. Po kilku minutach zatrzymaj pobieranie danych i wykonaj SpikeSort na zarejestrowanych danych.
Następnie otwórz SpikeSort3-D i kliknij menu plik i załaduj plik spajka, aby wybrać plik spike z folderu z zarejestrowanymi danymi. Następnie kliknij menu klastra, automatycznie klastruj za pomocą KlustaKwik i uruchom. Aby przeprowadzić eksperyment w pętli zamkniętej, wznów pobieranie danych w Cheetah i otwórz program MATLAB.
Otwórz ClosedLoop. M i kliknij uruchom. Alternatywnie wykonaj zamkniętą pętlę w oknie poleceń.
Przejdź do folderu nagrań i wybierz jeden z plików danych impulsowych, aby załadować informacje o spajkach zdefiniowane w początkowym nagraniu. Kliknij odpowiednie pola wyboru pod wykreślonymi przebiegami, aby wybrać jeden lub wiele neuronów, które wyzwolą stymulację. Zdefiniuj minimalną liczbę neuronów, które wyzwolą stymulację, wprowadzając liczbę całkowitą w polu tekstowym minimalnych dopasowań i zdefiniuj okno czasowe, w którym skoki pasujące do różnych przebiegów są uważane za współaktywne, wprowadzając liczbę w polu tekstowym okna.
Następnie kliknij przycisk Wyślij, aby rozpocząć wyzwalanie zdarzeń online na podstawie impulsowej aktywności wybranych neuronów. W tym reprezentatywnym eksperymencie szczur odpoczywał na doniczce, która była znajomym miejscem odpoczynku podczas przerw w eksperymentach behawioralnych. Można tu zaobserwować reprezentatywne jednoczesne działanie oprogramowania rejestrującego i programu MATLAB, który wyświetla przebiegi szczytowe uzyskane w czasie rzeczywistym.
Po wykryciu skoków z predefiniowanych klastrów wyzwalających, przebiegi są wyświetlane z pogrubioną linią przerywaną w oknie figury MATLAB, wyzwalając dźwięk i zapewniając system zamkniętej pętli. Na tym rysunku pokazano reprezentatywny histogram ilustrujący opóźnienia między czasem wygenerowania sztucznego impulsu a czasem wywołania wyzwalanego sygnału. Po przygotowaniu zwierzęcia i zainstalowaniu oprogramowania, eksperyment w pętli zamkniętej składa się z dwóch głównych etapów, wstępnego pozyskiwania danych i stymulacji w pętli zamkniętej, podczas której skoki wyzwalają bodźce zewnętrzne.
Protokół ten pozwala również na leczenie bodźców opartych na aktywności wielu neuronów, co jest ważne dla odpowiedzi na pytania dotyczące przetwarzania informacji w mózgu. Zaletami tego rozwiązania MATLAB są jego niski koszt i elastyczność w definiowaniu wzorców aktywności w celu wyzwalania bodźców, co może pomóc w badaniu różnych pytań neuronaukowych.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Ten protokół pokazuje zastosowanie elektrofizjologicznego systemu do stymulacji w pętli zamkniętej opartej na wzorach aktywności neuronowej. Umożliwia neuronaukowcom, nawet z ograniczonym doświadczeniem w dziedzinie informatyki, przeprowadzanie eksperymentów w pętli zamkniętej w wydajny i efektywny kosztowo sposób. Protokół zawiera przykładowy kod MATLAB do implementacji i jest zilustrowany nagraniami od czujnego szczura, pokazującymi interakcję w czasie rzeczywistym między spikami neuronów a stymulacją.
Closed-loop neurophysiological systems enable causal interrogation of brain circuits by linking neuronal activity patterns to real-time stimulation, supporting target validation and mechanistic de-risking in preclinical neuroscience. This MATLAB-based approach lowers technical barriers for implementing closed-loop designs, facilitating scalable and reproducible studies of neural information processing. The protocol supports early discovery workflows by providing a flexible, cost-effective tool for hypothesis-driven stimulation experiments in disease-relevant models.
The method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis testing through real-time stimulation triggered by neuronal spiking activity, bridging electrophysiology and intervention studies.