Artigo de método

Monitoramento simultâneo de olho e single-Neuron gravações em pacientes com epilepsia humana

DOI:

10.3791/59117

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17 de junho de 2019

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1Department of Chemical and Biomedical Engineering, and Rockefeller Neuroscience Institute, West Virginia University, 2Departments of Neurosurgery and Neurology, Cedars-Sinai Medical Center, 3Center for Neural Science and Medicine, Department of Biomedical Sciences, Cedars-Sinai Medical Center, 4Division of Biology and Biological Engineering, California Institute of Technology

Neste artigo

Resumo

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Nós descrevemos um método para conduzir gravações do único-Neuron com seguimento simultâneo do olho nos seres humanos. Nós demonstramos a utilidade deste método e ilustramos como nós usamos esta aproximação para obter os neurônios no lóbulo temporal medial humano que codificam alvos de uma busca visual.

Resumo

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As gravações intracranial dos pacientes com epilepsia intratável fornecem uma oportunidade original de estudar a atividade de neurônios humanos individuais durante o comportamento ativo. Uma ferramenta importante para quantificar o comportamento é o rastreamento ocular, que é uma ferramenta indispensável para o estudo da atenção Visual. No entanto, o rastreamento ocular é desafiador para uso simultâneo com eletrofisiologia invasiva e essa abordagem tem sido pouco utilizada. Aqui, nós apresentamos um protocolo experimental provado para conduzir gravações do único-Neuron com seguimento simultâneo do olho nos seres humanos. Nós descrevemos como os sistemas são conectados e as configurações ideais para gravar neurônios e movimentos oculares. Para ilustrar a utilidade deste método, nós Resumimos os resultados que foram tornada possíveis por esta instalação. Esses dados mostram como usar o rastreamento ocular em uma tarefa de pesquisa Visual guiada por memória nos permitiu descrever uma nova classe de neurônios chamados neurônios-alvo, cuja resposta era reflexiva da atenção de cima para baixo para o alvo de pesquisa atual. Por fim, discutimos o significado e as soluções para possíveis problemas dessa configuração. Junto, nosso protocolo e resultados sugerem que as gravações do único-Neuron com seguimento simultâneo do olho nos seres humanos sejam um método eficaz para estudar a função humana do cérebro. Fornece uma ligação faltante chave entre a neurofisiologia animal e a neurociência cognitiva humana.

Introdução

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As gravações humanas do único-Neuron são uma ferramenta original e poderosa para explorar a função do cérebro humano com a definição espacial e temporal extraordinária1. Recentemente, as gravações do único-Neuron ganharam o uso largo no campo da neurociência cognitiva porque permitem a investigação direta de processos cognitivos centrais à cognição humana. Estas gravações são tornadas possíveis pela necessidade clínica de determinar a posição de focos epileptic, para que os elétrodos da profundidade estão implantados temporariamente nos cérebros dos pacientes com epilepsia focal suspeitada. Com esta configuração, as gravações do único-Neuron podem ser obtidas usando os ferromagnéticos que projetam-se da ponta do elétrodo híbrido da profundidade (uma descrição detalhada da metodologia cirúrgica envolvida na inserção de elétrodos híbridos da profundidade é fornecida no precedente protocolo2). Entre outros, esse método tem sido utilizado para o estudo da memória humana3,4, emoção5,6e atenção7,8.

As medidas de seguimento do olho olham a posição e os movimentos de olho (fixações e saccades) durante tarefas cognitivas. Rastreadores de olho baseados em vídeo normalmente usam a reflexão corneana e o centro da pupila como características para rastrear ao longo do tempo9. O rastreamento ocular é um método importante para estudar a atenção Visual, pois a localização do olhar indica o foco da atenção durante a maioria dos comportamentos naturais10,11,12. O rastreamento ocular tem sido amplamente utilizado para estudar a atenção Visual em indivíduos saudáveis13 e populações neurológicas14,15,16.

Quando ambas as gravações do único-Neuron e o seguimento do olho forem usados individualmente extensivamente nos seres humanos, poucos estudos usaram simultaneamente. Como resultado, ele ainda permanece em grande parte desconhecido como os neurônios no cérebro humano respondem aos movimentos oculares e/ou se eles são sensíveis ao estímulo atualmente fixado. Isto é em contraste com estudos com macaques, onde o olho-seguimento com gravações simultâneas do único-Neuron transformou-se uma ferramenta padrão. A fim investigar diretamente a resposta neuronal aos movimentos de olho, nós combinamos as gravações humanas do único-Neuron e o seguimento do olho. Aqui nós descrevemos o protocolo para conduzir tais experimentos e, em seguida, ilustrar os resultados através de um exemplo concreto.

Apesar do papel estabelecido do lóbulo temporal medial humano (MTL) na respresentação de objeto17,18 e na memória3,19, remanesce pela maior parte desconhecido se os neurônios de MTL são modulados em função de atenção de cima para baixo para objetivos relevantes comportamentais. Estudar esses neurônios é importante para começar a entender como as informações relevantes para o objetivo influenciam os processos visuais de baixo para cima. Aqui, demonstramos a utilidade do rastreamento ocular durante a gravação de neurônios usando a pesquisa Visual guiada, um paradigma bem conhecido para estudar o comportamento direcionado para o objetivo20,21,22,23, 24 de cada , 25. using este método, nós descrevemos recentemente uma classe dos neurônios chamados neurônios do alvo, que sinaliza se o estímulo atualmente atendido é o objetivo de uma busca em curso8. No abaixo, apresentamos o protocolo de estudo necessário para reproduzir este estudo científico anterior. Observe que, ao longo deste exemplo, o protocolo pode ser facilmente ajustado para estudar uma tarefa de atenção Visual arbitrária.

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Protocolo

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1. os participantes

  1. Recrute pacientes neurocirúrgicos com epilepsia intratável que estão passando por colocação de eletrodos intracranianos para localizar suas crises epilépticas.
  2. Insira eletrodos de profundidade com microfios embutidos em todos os locais alvo clinicamente indicados, que normalmente incluem um subconjunto de amígdala, hipocampo, córtex cingulado anterior e área motora pré-suplementar. Veja detalhes para a implantação em nosso protocolo precedente2.
  3. Uma vez que o paciente retorne à unidade de monitoração da epilepsia, conecte o equipamento de gravação para macro-e micro-gravações. Isto inclui cuidadosamente a preparação de um envoltório de cabeça que inclui os estágios da cabeça (ver a nossa descrição anterior para os detalhes2). Em seguida, aguarde que o paciente se recupere da cirurgia e realize testes quando o paciente estiver totalmente acordado (tipicamente, pelo menos, 36 a 48 h após a cirurgia).

2. configuração experimental

  1. Conecte o computador de estímulo ao sistema de eletrofisiologia e ao rastreador ocular seguindo o diagrama na Figura 1.
  2. Use o sistema de rastreamento de olho infravermelho não-invasivo remoto (ver tabela de materiais). Coloque o sistema de monitorização ocular num carrinho móvel robusto (Figura 1a, B). Para o mesmo carrinho, prenda um braço flexível que prenda um visor LCD. Use o modo remoto para rastrear a cabeça e os olhos dos pacientes.
  3. Coloque uma fonte de alimentação ininterrupta totalmente carregada (UPS) no carrinho de rastreamento de olho e conecte todos os dispositivos relacionados ao rastreamento ocular (ou seja, LCD na frente do paciente, câmera do rastreador de olhos e fonte de luz e computador host do rastreador de olhos) para a UPS em vez de um poder externo Fonte.
  4. Ajuste a distância entre o paciente e a tela do LCD a 60-70 cm e ajuste o ângulo da tela do LCD de modo que a superfície da tela esteja aproximadamente paralela à cara do paciente. Ajuste a altura da tela em relação à cabeça do paciente de tal forma que a câmera do rastreador ocular esteja aproximadamente na altura do nariz do paciente.
  5. Forneça o paciente com a caixa ou o teclado do botão. Verifique se os gatilhos (TTLs) e o botão pressionam são gravados corretamente antes de iniciar o experimento.

3. single-Neuron gravação

  1. Inicie o software de aquisição. Primeiro, inspecione visualmente os potenciais de campo local de banda larga (0,1 Hz-8 kHz) e certifique-se de que eles não estão contaminados por ruído de linha. Caso contrário, siga os procedimentos padrão para remover o ruído (consulte discussão).
  2. Para identificar neurônios únicos, band-pass filtre o sinal (300 Hz-8 KHz). Selecione um dos oito microfios como referência para cada pacote de microfios. Teste diferentes referências e ajustar a referência para que (1) os outros 7 canais mostram neurônios claros, e (2) a referência não contém neurônios. Defina o intervalo de entrada para ser ± 2.000 μV.
  3. Habilite o salvamento dos dados como um arquivo NRD (ou seja, o arquivo de dados brutos de banda larga que será usado para a classificação de pico off-line subseqüente) antes de gravar dados. Defina a taxa de amostragem para 32 kHz.

4. olho de rastreamento

  1. Inicie o software de rastreamento de olho. Porque é um sistema livre da cabeça-fixação, coloc a etiqueta na testa do paciente de modo que o perseguidor do olho possa ajustar para movimentos da cabeça.
  2. Ajuste a distância e o ângulo entre o perseguidor do olho e o paciente de modo que o marcador do alvo, a distância da cabeça, a pupila, e a reflexão córnea (CR) estejam marcados como pronto (como mostrado no verde no software de seguimento do olho; A Figura 2 mostra um bom exemplo de tela de configuração da câmera). Clique no olho a ser gravado e defina a taxa de amostragem para 500 Hz.
  3. Use o ajuste automático da pupila e do limiar CR. Para os pacientes que usam vidros, ajuste a posição e/ou o ângulo do iluminador e da câmera de modo que as reflexões do vidro não interferam com a aquisição da pupila.
  4. Calibre o rastreador de olhos com o método de grade de 9 pontos incorporado no início de cada bloco. Confirme que as posições oculares (mostradas como "+") se registram bem como uma grade de 9 pontos. Caso contrário, refazer a calibração.
  5. Aceite a calibração e faça a validação. Aceite a validação se o erro de validação máxima for < 2 ° e o erro de validação média for < 1 °. Caso contrário, refazer a validação.
  6. Faça a correção de Drift e prossiga para a experiência real.

5. tarefa

  1. Nesta tarefa de pesquisa visual, use os estímulos de nosso estudo anterior14 e siga o procedimento da tarefa como descrito antes de8.
  2. Forneça instruções de tarefa aos participantes. Instrua os participantes a localizar o item de destino na matriz de pesquisa e responder o mais rápido possível. Instrua os participantes a pressionar o botão esquerdo de uma caixa de resposta (consulte a tabela de materiais) se encontrarem o alvo e o botão direito se acharem que o alvo está ausente. Instrua explicitamente os participantes que haverá ensaios alvo-presente e alvo-ausente.
  3. Inicie o software de apresentação de estímulo (consulte a tabela de materiais) e execute a tarefa: apresente uma sugestão de destino para 1 s e apresente a matriz de pesquisa usando o software de apresentação de estímulo. Pressione o botão gravar e forneça comentários de avaliação por tentativa (correto, incorreto ou tempo limite) aos participantes.

6. análise de dados

  1. Porque os sistemas de rastreamento de aquisição e olho executado em relógios diferentes, use o arquivo de log comportamental para encontrar o carimbo de data/hora para a gravação de eletrofisiologia e rastreamento de olho. Combine os disparadores da gravação da electrofisiologia e do olho que segue antes de prosseguir à análise mais adicional. Extraia segmentos de dados de acordo com carimbos de data/hora e janelas de análise separadamente para gravação de eletrofisiologia e rastreamento ocular.
  2. Use o algoritmo de correspondência de modelo semiautomático osort26 e siga as etapas descritas antes de2,26 para identificar neurônios únicos putativos. Avalie a qualidade da classificação antes de passar para uma análise mais aprofundada2.
  3. Para analisar os dados do movimento ocular, primeiro converta os dados do FED do rastreador de olhos em formato ASCII. Além disso, extrair fixações e saccades. Em seguida, importe o arquivo ASCII e salve as seguintes informações em um arquivo MAT: (1) carimbos de hora, (2) coordenadas oculares (x, y), (3) tamanho da pupila e (4) carimbos de hora do evento. Analise a gravação contínua em cada teste.
  4. Siga os procedimentos descritos anteriormente para analisar a correlação entre picos e comportamento8.

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Resultados

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Para ilustrar o uso do método mencionado acima, nós descrevemos brevemente um caso de uso que publicamos recentemente8. Registramos 228 neurônios únicos do lobo temporal medial humano (MTL; amígdala e hipocampo) enquanto os pacientes realizavam uma tarefa de busca visual (Figura 3a, B). Durante esta tarefa, investigamos se a atividade dos neurônios diferenciou-se entre fixações em alvos e distratores.

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Discussão

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Neste protocolo, nós descrevemos como empregar gravações do único-neurônio com seguimento simultâneo do olho e descrevemos como nós usamos este método para identificar neurônios do alvo no MTL humano.

A instalação envolve três computadores: um executando a tarefa (computador do estímulo), um que executa o perseguidor do olho, e um que executa o sistema da aquisição. Para sincronizar entre os três sistemas, a porta paralela é usada para enviar gatilhos TTL do computador de estímulo para o siste...

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Divulgações

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Os autores não declaram conflito de interesses.

Agradecimentos

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Agradecemos a todos os pacientes por sua participação. Esta pesquisa foi apoiada pelo Instituto de neurociência Rockefeller, a Fundação de ciência do autismo e da Fundação Dana (para SW), um prêmio NSF CAREER (1554105 para U.R.), e o NIH (R01MH110831 e U01NS098961 para U.R.). Os financiadores não tiveram papel no desenho do estudo, coleta e análise de dados, decisão de publicar ou preparação do manuscrito. Agradecemos a James Lee, Erika Quan, e a equipe do centro de simulação Cedars-Sinai por sua ajuda na produção do vídeo de demonstração.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Caixa de Resposta CedrusCedrus (https://cedrus.com/)RB-844Caixa de botões
Dell LaptopDell Dell (https://dell.com)Precision 7520Stimulus Computer
EyeLink Eye TrackerSR Research (https://www.sr-research.com)1000 Plus Remote com laptop host e suporte de braço LCDRastreamento ocular
MATLABMathWorks IncR2016a (RRID: SCR_ 001622)Análise de dados
Neuralynx Neurophysiology SystemNeuralynx (https://neuralynx.com)ATLAS 128Electrophysiology
OsortCódigo abertov4.1 (RRID: SCR_015869)Algoritmo de classificação de pico
Psychophysics ToolbxPTB3 de código aberto(RRID: SCR_002881)Caixa de ferramentas Matlab para implementar experimentos psicofísicos

Referências

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