Monitoramento simultâneo de olho e single-Neuron gravações em pacientes com epilepsia humana
17 de junho de 2019
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.
Uma vantagem principal de nossa técnica é que ela permite o registro simultâneo da posição do caso, tamanho da pupila e neurônios únicos em pacientes implantados com eletrodos de profundidade ao lado da cama. Isso nos permite determinar se há neurônios no cérebro humano cuja atividade é sensível aos movimentos oculares e à identidade do estímulo atualmente fixado. Embora esta técnica não seja projetada para estudar uma determinada doença, ela é adequada para estudar doenças neurológicas que resultam em movimentos oculares anormais ou outras anormalidades motoras oculares.
Demonstrando o procedimento estarão Nand Chandravadia e James Lee, colaboradores do meu laboratório. E Erika Quan, técnica neurodiagnóstica do Cedars-Sinai. Para começar, conecte os eletrodos ao sistema de gravação e posicione o paciente sentado ereto.
Em seguida, conecte o computador de estímulo ao sistema de eletrofisiologia e ao rastreador ocular. Coloque o sistema remoto de rastreamento ocular infravermelho não invasivo em um carrinho móvel robusto. Em seguida, conecte um braço flexível que segura um display LCD no carrinho.
Coloque uma fonte de alimentação ininterrupta totalmente carregada no carrinho de rastreamento ocular e conecte todos os dispositivos relacionados ao rastreamento ocular à fonte de alimentação, em vez de a uma fonte de alimentação externa. Certifique-se de que o dispositivo IV conectado ao paciente está funcionando com bateria e não está conectado à parede. Inicie o software de rastreamento de olhos.
Ajuste a distância entre o paciente e a tela LCD para entre 60 e 70 centímetros. Ajuste também o ângulo da tela LCD para que a superfície da tela seja aproximadamente paralela ao rosto do paciente. Coloque um adesivo na testa do paciente para que o rastreador ocular possa ajustar para os movimentos da cabeça.
Agora, ajuste a altura da tela em relação à cabeça do paciente de modo que a câmera do rastreador ocular esteja aproximadamente na altura do nariz do paciente. Forneça ao paciente uma caixa de botão ou teclado. Verifique se os gatilhos e a pressão do botão são gravados corretamente antes de iniciar o experimento.
Inicie o software de aquisição. Primeiro inspecione visualmente os potenciais de campo locais de banda larga e certifique-se de que eles não estão contaminados pelo ruído da linha. Caso contrário, siga os procedimentos padrão para remover o ruído.
Para identificar os neurônios únicos, a banda passa filtrar o sinal de 300 hertz a oito kilohertz. Selecione um dos oito microfios como referência para cada pacote de microfismo. Habilite a salvação dos dados como um arquivo nrd antes de gravar.
Ajuste a distância e o ângulo entre o rastreador ocular e o paciente para que o marcador alvo, a distância da cabeça, a pupila e o reflexo da córnea estejam marcados como prontos. Isso é mostrado em verde no software de rastreamento de olhos. Clique no olho para ser gravado e defina a taxa de amostragem para 500 hertz.
Use o ajuste automático da pupila e o limiar de reflexo da córnea. Calibrar o rastreador de olhos com o método de grade embutido no início de cada bloco. Confirme se as posições oculares se registram bem como uma grade.
Caso contrário, refaça a calibração. Aceite a calibração e faça a validação. Aceite a validação se o erro de validação máxima for inferior a dois graus e o erro médio de validação for inferior a um grau.
Caso contrário, refaça a validação. Em seguida, realize a correção de deriva e prossiga para o experimento real. Nesta tarefa de busca visual, use os estímulos de um estudo anterior realizado por esse grupo e siga o procedimento de tarefa descrito anteriormente.
Forneça instruções de tarefa aos participantes. Instrua os participantes a encontrar um item-alvo na matriz de pesquisa e responder o mais rápido possível. Instrua os participantes a pressionar o botão esquerdo de uma caixa de resposta se encontrarem o alvo e pressionarem o botão direito se acharem que o alvo está ausente.
Instrua explicitamente os participantes que haverá ensaios de alvo e ausência de alvos. Inicie o software de apresentação de estímulos e execute a tarefa. Apresente uma sugestão de destino por um segundo e apresente o array de pesquisa usando o software de apresentação de estímulo.
Registo o botão pressiona e forneça o teste por feedback de teste para os participantes. Para ilustrar o uso deste método, 228 neurônios únicos foram registrados a partir do lobo temporal medial humano enquanto os pacientes estavam realizando uma tarefa de busca visual como mostrado aqui. Durante essa tarefa, foi investigado se a atividade dos neurônios diferenciava entre fixações em alvos e distratores.
Quando as respostas foram alinhadas à pressão do botão, foram encontrados neurônios que mostravam atividade diferencial entre ensaios atuais de alvo e ensaios ausentes por alvos. As linhas pretas representam o início e o deslocamento da fila de pesquisa. Este neurônio aumentou sua taxa de disparo para ensaios de alvo presente, mas não para ensaios sem alvo.
Por outro lado, este neurônio diminuiu sua taxa de disparo para ensaios de alvo presente, mas não para ensaios sem alvo. Um subconjunto de neurônios do lobo temporal medial mostrou atividades significativamente diferentes entre fixações em alvos versus distratores. Além disso, um tipo de neurônio alvo teve uma resposta maior aos alvos em relação aos distratores, enquanto o outro teve uma resposta maior aos distratores em relação aos alvos.
Juntos, este resultado demonstra que um subconjunto de neurônios do lobo temporal medial codifica se a fixação atual caiu sobre um alvo ou não. É fundamental garantir que o rastreador de olhos não introduza ruído na gravação. Qualquer ruído deve ser removido antes que os experimentos sejam realizados.
Se o ruído persistir, certifique-se de que a tela usada para exibir o estímulo ao sujeito tenha uma fonte de alimentação externa. Troque as fontes de alimentação por fontes de alimentação de alta qualidade normalmente usadas para aplicações de áudio high-end. Após esse procedimento, são realizadas análises de picos e movimentos oculares para extrair informações dos dados que permitirão ao pesquisador investigar as respostas neuronais aos movimentos oculares.
Este método abre caminho para explorar muitas perguntas sem resposta que requerem análise de fixações, como como os neurônios coletivamente conduzem fixações a objetos interessantes em uma cena.
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Visão Geral
Este artigo descreve um método para conduzir registros de neurônio único enquanto simultaneamente rastreia movimentos oculares em humanos. A técnica permite que os pesquisadores investiguem a atividade neuronal relacionada a alvos de busca visual no lobo temporal medial humano.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Eletrofisiologia
- Cognição Visual
Fundamentos
- Registros de neurônio único fornecem insights sobre a função cerebral.
- O rastreamento ocular pode revelar como a atenção visual é alocada.
- Entender as respostas neuronais a estímulos visuais é crucial para a neurociência.
- Este método pode ser aplicado em ambientes clínicos com pacientes tendo eletrodos de profundidade.
Propósito do Estudo
- Demonstrar uma técnica para rastreamento ocular simultâneo e registros de neurônio único.
- Identificar neurônios sensíveis a movimentos oculares e estímulos visuais.
- Facilitar pesquisas sobre doenças neurológicas que afetam movimentos oculares.
Métodos Utilizados
- Conectar eletrodos a um sistema de registro.
- Posicionar o paciente em pé para uma gravação ideal.
- Registrar atividade neuronal enquanto rastreia movimentos oculares.
- Analisar a relação entre a ativação neuronal e alvos visuais.
Principais Resultados
- Demonstrou a viabilidade do método em um ambiente clínico.
- Identificou neurônios no lobo temporal medial responsivos à busca visual.
- Mostrou como os movimentos oculares influenciam a atividade neuronal.
- Forneceu uma base para estudar anormalidades motoras oculares.
Conclusões
- A técnica é eficaz para estudar o processamento visual em humanos.
- Abre caminhos para pesquisas sobre condições neurológicas.
- Estudos futuros podem aproveitar este método para insights mais profundos sobre a função cerebral.
Perguntas Frequentes
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.
