Śledzenie progów elektrycznych w czasie rzeczywistym do translacyjnych badań nad bólem

To narzędzie może być używane do badania różnych mechanizmów uwrażliwienia na nocyceptory i to właśnie to uczulenie może napędzać niektóre formy przewlekłego bólu. Zautomatyzowane śledzenie progów elektrycznych zapewnia wiarygodny pomiar pobudliwości nocyceptorów w czasie rzeczywistym w czasie rzeczywistym. W związku z tym pomiar ten stanowi ważny pomost translacyjny, umożliwiając dokonywanie pomiarów zarówno u ludzi, jak i u zwierząt.

W ten sam sposób, umożliwiając ocenę skutecznej patologii i leczenia. W przyszłości AP Track może być stosowany u pacjentów z przewlekłym bólem w celu potwierdzenia, czy środek terapeutyczny normalizuje pobudliwość ich uczulonych nocyceptorów. Stanowiłoby to kluczowy biomarker skuteczności.

Przewidujemy, że nasz zestaw narzędzi o otwartym kodzie źródłowym, AP Track, będzie przydatny dla elektrofizjologów badających bodźce pętli czasowej o różnej sile. Na przykład uważamy, że będzie to przydatne do studiowania optogenetyki. Jednoczesne zarządzanie eksperymentem i oprogramowaniem jest na początku trudne, dlatego zalecam użytkownikom załadowanie wstępnie nagranych danych do AP Track, aby zapoznać się z ich użyciem przed przystąpieniem do eksperymentu.

Dostarczyliśmy dane demonstracyjne. Aby rozpocząć, podłącz płytkę akwizycyjną do komputera za pomocą dostarczonego przez producenta i włącz je. Następnie podłącz płytę IO do importu analogowego na płytce akwizycyjnej i podłącz stację czołową Intan RHD Recording do płyty akwizycyjnej za pomocą Serial Peripheral Interface.

Następnie podłącz Pulse Pal do komputera. Podziel sygnał pierwszego kanału wyjściowego Pulse Pal za pomocą rozdzielacza BNC T, a następnie podłącz go do wejścia stymulatora prądu stałego i płytki IO, aby można było nagrać analogowe polecenie napięcia. Podłącz drugi kanał wyjściowy Pulse Pal do płyty IO, aby zarejestrować znaczniki zdarzeń stymulacji TTL.

W celu montażu ze stymulatorem prądu stałego sterowanym pokrętłem, włącz stymulator prądu stałego i podłącz płytkę sterującą silnikiem krokowym do silnika krokowego za pomocą dostarczonego przez producenta i uchwytu magnetycznego. Podłącz płytę sterującą bezpośrednio do komputera za pomocą dowolnego standardowego USB-A do USB micro B. Podłącz płytę sterującą i silnik krokowy do niestandardowego wspornika montażowego i ustaw pokrętło amplitudy stymulacji na stymulatorze prądu stałego na zero miliamperów.

Następnie podłącz niestandardowy adapter lufy do lufy silnika krokowego. Podłącz silnik krokowy i niestandardowe urządzenie montażowe do pokrętła amplitudy stymulacji na stymulatorze prądu stałego za pomocą adaptera lufy i włącz go. Otwórz graficzny interfejs użytkownika AP Track i ustal stabilny zapis elektrofizjologiczny nerwu obwodowego.

Zidentyfikuj pole recepcyjne na skórze i umieść tam elektrodę stymulującą. W menu Options (Opcje) wybierz Trigger Channel (Kanał wyzwalający) i wybierz kanał ADC zawierający znacznik TTL stymulacji elektrycznej z drugiego kanału wyjściowego Pulse Pal. Następnie wybierz kanał danych i wybierz kanał zawierający dane elektrofizjologiczne.

Kliknij Połącz, aby podłączyć ścieżkę AP do Pulse Pal i aparatu silnika krokowego. Może to chwilę potrwać. Po podłączeniu płyta sterująca silnikiem krokowym ustawi się w pozycji zero.

W panelu sterowania stymulacją zdefiniuj początkową minimalną i maksymalną amplitudę stymulacji za pomocą suwaka. Upewnij się, że bieżąca stymulacja jest ustawiona powyżej zera, aby wygenerowane zostały znaczniki TTL. Kliknij F, aby załadować plik zawierający instrukcje stymulacji, a następnie kliknij strzałkę w prawo, aby rozpocząć załadowany paradygmat stymulacji.

Czasowy wykres rastrowy zacznie być aktualizowany wraz z reakcją na stymulację elektryczną, przy czym każda nowa odpowiedź na stymulację będzie wyświetlana jako nowa kolumna po prawej stronie. Aby pomyślnie wykryć potencjały czynnościowe pojedynczego neuronu, przejdź do panelu czasowego wykresu rastrowego i dostosuj wartości dolnego, wykrywania i wysokiego progu obrazu. Po ustawieniu odpowiednich progów obrazu, zdarzenia przekroczenia progu wykryte przez algorytmy będą zakodowane w kolorze zielonym.

Systematycznie przesuwaj elektrodę stymulającą wokół obszaru skóry unerwionego przez nerw. Monitoruj czasowy wykres rastrowy pod kątem trzech zdarzeń przekroczenia progu, które pojawiają się z rzędu z tym samym opóźnieniem, gdy elektroda znajduje się w tej samej pozycji stymulacji. Wskazuje to na identyfikację stałego potencjału czynnościowego neuronów obwodowych o stałym opóźnieniu.

Po zidentyfikowaniu potencjału czynnościowego pojedynczego neuronu na czasowym wykresie rastrowym przesuń szary suwak liniowy po prawej stronie wykresu, aby dostosować położenie pola wyszukiwania. Następnie dostosuj pole wyszukiwania za pomocą suwaka obrotowego do odpowiedniej szerokości. Zwężanie szerokości pola wyszukiwania.

Aby rozpocząć śledzenie docelowego potencjału funkcjonalnego, kliknij znak plus pod tabelą śledzenia wielu jednostek. Do tabeli zostanie dodany nowy wiersz zawierający szczegółowe informacje na temat docelowego potencjału czynnościowego, w tym lokalizację opóźnienia, procent wystrzeliwania od dwóch do 10 bodźców oraz wykrytą amplitudę szczytu. Algorytm śledzenia opóźnień będzie na nim automatycznie wykonywany przy każdej kolejnej stymulacji elektrycznej.

Zaznacz pole kolca ścieżki w tabeli, aby przesunąć pole wyszukiwania do odpowiedniej pozycji dla tego konkretnego potencjału czynnościowego. Oblicz prędkość przewodzenia neuronu obwodowego, dzieląc odległość między miejscami stymulacji i rejestracji przez opóźnienie wyświetlane w tabeli. Aby wykonać śledzenie progu elektrycznego, dostosuj szybkość przyrostu i zmniejszania w panelu sterowania stymulacji do żądanej szybkości.

Utrzymuj te wartości na tym samym poziomie. Upewnij się, że częstotliwość stymulacji jest ustawiona na odpowiednią częstotliwość, zwykle od 0.25 do 0.5 Hz. Ręcznie dostosuj amplitudę stymulacji w przybliżeniu do progu elektrycznego neuronu.

Następnie zaznacz pole progu ścieżki w tabeli śledzenia wielu jednostek, co zainicjuje algorytm śledzenia progu elektrycznego. W tabeli śledzenia wielu jednostek monitoruj szybkość wypalania. Szybkość wypalania 50% wskazuje, że przybliżony próg elektryczny został określony, a wartość progowa zostanie zaktualizowana.

Na koniec zastosuj eksperymentalną manipulację do pola recepcyjnego i kontynuuj śledzenie progu elektrycznego. Pozwoli to określić ilościowo zmiany w pobudliwości neuronów obwodowych. Na tym rysunku pokazano sekwencyjne ślady ludzkiego włókna C powierzchownego nerwu wieloletniego podczas eksperymentu mikroneurograficznego oraz sekwencyjne ślady mysiego włókna A-delta nerwu odpiszczelowego podczas elektrofizjologii włókien drażnionych skórno-nerwowych.

Ślady były pokolorowane na czerwono, gdy zidentyfikowano potencjał czynnościowy, co skutkowało spadkiem amplitudy bodźca. Algorytm oprogramowania skutecznie znajduje amplitudę bodźca wymaganą do 50% prawdopodobieństwa odpalenia. Śledzenie progu elektrycznego przy częstotliwości stymulacji 0,25 Hz podczas stymulacji termicznej ludzkiego nocyceptora z włókna C przedstawiono na tym rysunku.

Oś y koduje liczbę stymulacji od początku paradygmatu. Ślady napięcia przez 4 000 milisekund po stymulacji elektrycznej ze zdarzeniami przekroczenia progu są oznaczone kolorem czerwonym. Ścieżka napięcia powiększona wokół śledzonego potencjału czynnościowego jest pokazana tutaj.

Pionowa niebieska linia to opóźnienie linii bazowej śledzonej jednostki. Prąd stymulacji sterowany przez AP Track pokazano na tym rysunku. Pionowa niebieska linia to podstawowy próg elektryczny.

Przedstawiono tutaj temperaturę sondy termostymulującej pole TCS-II. Gdy pole recepcyjne tego wrażliwego na ciepło włókna C jest ogrzewane przez stymulator termiczny, próg elektryczny maleje. Wybór odpowiednich wartości szerokości pola wyszukiwania i progu wykrywania jest ważny, ponieważ znacznie poprawiają one wydajność ścieżki AP poprzez zmniejszenie wpływu szumów elektrycznych.

Kwantyfikacja wpływu środków terapeutycznych na nadpobudliwość nocyceptorów może pomóc nam lepiej zrozumieć mechanizmy leżące u podstaw przewlekłego bólu. Mamy nadzieję, że inni badacze wykorzystają to ogólnodostępne narzędzie, aby lepiej zrozumieć biologię nocyceptywną i zmiany, które zaszły podczas uwrażliwiania na nocyceptory.