Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Простой Стимулирующее устройство для Вызывая точечных Тактильные раздражители: Прожектор для LFP Спайк Переходы

9.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/50941

⸱

25 марта 2014 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Molecular Bioimaging and Physiology (IBFM), Department of Biomedicine, National Research Council, 2Institute of Biomedical Technologies (ITB), Department of Biomedicine, National Research Council, 3Faculty of Life Sciences, University of Manchester

В этой статье

Краткое содержание

Для выяснения сложный переход от локального поля потенциалов (LFPs), чтобы шипы подходящий стимулятор для легких механических периферические стимулы был построен. В качестве приложения, деятельность пики, записанные с соматосенсорной коры были проанализированы многоцелевой стратегии по оптимизации. Результаты показали, что предложенная стимулятор смогла доставить тактильные раздражители с миллисекунд и миллиметрового уточнений.

Аннотация

Текущий нейрофизиологические исследования имеет целью развивать методологии исследовать маршрут сигнала от нейрона к нейрону, а именно в переходах из шипов на локальное поле потенциалов (LFPs) и от LFPs к скачкам.

LFPs имеют сложную зависимость от всплеска активности и их связь все еще ​​плохо изучены 1. Выяснение этих сигнальных отношений было бы полезно как для клинической диагностики (например, стимуляция парадигм для Глубокая стимуляция мозга) и для более глубокого понимания нейронных стратегий кодирования в нормальных и патологических условиях (например, эпилепсия, болезнь Паркинсона, хроническая боль). С этой целью, необходимо решить технические вопросы, связанные с стимуляции устройств, стимулирование парадигм и вычислительных анализов. Таким образом, на заказ устройство стимуляция была разработана для того, чтобы доставить стимулы хорошо регулируется в пространстве и времени, что не несут в механического резонанса. Впоследствиикак экземплификации, набор надежных LFP-шип отношений экстрагировали.

Производительность устройства была исследована внеклеточных записи, совместно шипы и ответы LFP приложенному раздражителей, от крыс первичной соматосенсорной коры. Затем, с помощью многоцелевой стратегии по оптимизации, прогнозная модель для возникновения всплеска на основе LFPs оценивалась.

Применение этой парадигмы показывает, что устройство надлежащим образом подходит для обеспечения высокой частоты тактильную стимуляцию, опережая общие пьезоэлектрические приводы. В качестве доказательства эффективности устройства, следующие результаты были представлены: 1) сроки и надежность ответов LFP хорошо сочетаются ответов шипованные, 2) LFPs чувствительны к истории стимуляции и захватить не только среднюю реакцию, но и проб на суда колебания в всплеска активности и, наконец, 3) с помощью LFP сигнал можно оценить зона Øе прогностические модели, которые фиксируют различные аспекты всплеска активности.

Введение

В контексте обработки сигналов импульсной характеристики обеспечивает фундаментальную характеристику поведения динамической системы.

Хотя идеальный импульс стимул практически не достижимо, можно получить разумное приближение его с помощью исполнительного элемента, который генерирует высокочастотные перемещений. Этот тип света тактильной-вибростимуляции, как известно, цель как глубокий кожи (например, быстро реагирует, быстро адаптируется Pacinian тельца) 2 и поверхностные рецепторы (например низкопороговое медленно переходники Меркель Discoid структур) 2.

Текущие устройства стимуляция, в основном пьезоэлектрические приводы, взимается с рядом недостатков, не в последнюю очередь резонансов и малых смещений. Чтобы преодолеть эти недостатки, альтернативная реализация импульс-как стимуляции предлагается с помощью притупленную наконечник (наконечник кактус сглажены в нашем случае) вертикальноустановленный на мембранный центре среднего класса динамика. Это обеспечивает преимущество больших перемещений и более широкий спектр частот.

Эффективное применение такого устройства было изучение соответствующей нейрофизиологической проблеме LFPs чтобы шипы зависимость. Из-за тонкой временной связи между этими электрическими событий мелко регулируется устройство было необходимо для доставки периферийные стимулы. Стимулы должны были быть, как быстро и пространственно селективный, насколько это возможно для того, чтобы уменьшить "фоновый шум" и обострить сигналы интерес. Для этой цели, устройство стимуляции и протокол доставки стимулом были совместно оптимизирована для выполнения этой задачи. В этой статье мы опишем технику и представить некоторые репрезентативные результаты.

Протокол стимуляции на основе рандомизированных парных-импульсов был разработан и оптимизирован для того, чтобы избежать привыкания. Этот протокол предложены преимущество классической парыред импульсы и уменьшил возможность ложного блокировки между стимулами и спонтанных периодических всплесков активности нейронов.

Используя этот рандомизированы в паре импульс можно было получить быстрые и надежные LFP и шипованные ответы и захватить особенность этих ответов, связанных с зависимостью обоих LFPs и шипами на истории стимуляции. В самом деле, из сырых ответов LFP, набор из трех LFP имеет (сам LFP, ПРИ первая производная и фазу первой производной) сильно коррелируют со средней ответ шип, также экстрагировали.

Мало методы были предложены, чтобы соответствовать модели, которые предсказывают шипы из LFPs 3,4. В целом критическая точка процесса подгонки модели, общая также к предсказанию шип события из сигнала стимула, состоит соответствующем выборе целевой функции максимизации / минимизации. В то время как целый ряд целевых функций был предложитьг (например, корреляции и когерентности) 5 ни один из них совместно не захватывает всю сложность ответов шип. Соответственно, роман структуры на основе многоцелевой оптимизации вводится. Покажем, что с помощью предлагаемый разработали и это вычислительная база можно оценить набор прогнозирующих моделей на основе сильной LFP к резкому отношения.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Этические себе

Чтобы изучить, как сенсорные стимулы представлены нейронной активности нет альтернативы использованию животных и использованием естественных подхода в. Все животные были обработаны по итальянских и европейских законов о лечении животных в научных исследованиях (Итальянский Биоэтическое Комитет, Закон Указ о обращение с животными в области научных исследований, 27 января 1992 г. № 116). Национальный исследовательский совет, где были проведены эксперименты, придерживается Международного комитета по лабораторных животных науки (ICLAS) от имени Организации Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры организаций (ЮНЕСКО), Советом международных организаций медицинских наук (СММНО ) и Международный союз биологических наук (МСБН). Таким образом, нет утверждение протокол конкретных не требуется. Одобрение Министерства здравоохранения классифицируется как "Биелла 1, 3/2011" в файлы Комитетом по этикеМиланский университет.

1. Подготовка экспериментальных животных

  1. Выберите самцы крыс примерно 300-400 г в размере.
  2. Обезболить крыс для экспериментального препарата.
    1. Введите внутрибрюшинно барбитуратов решение (фенобарбиталом, 50 мг / кг для индукции, 10 мг / кг для технического обслуживания).
    2. Проверьте уровень анестезии по низким пороговым и высокий порог механическим раздражителям над лапой гарантируя, что нет отвода рефлекс не происходит.
    3. Подготовьте черепа кожу после бритья свода черепа точно, а затем сделать надрез, чтобы разоблачить черепной поверхности.
    4. Иглу трахею, по трахеи канюли (внутренний диаметр 2 мм и внешним диаметром 2,5 мм) крепления ее хирургического лигирования вокруг самой трахеи.
    5. Сбоку к трахеи сегмента подвергать яремную вену и иглу его вставки канюли (ПЭ10), соединенный со шприцем фиксации его путем хирургического лигирования вокруг судна.
  3. Установите крысу на стереотаксической аппарата.
    1. Безопасность тело крысы и место в лежачем положении.
    2. Закрепите головку уха баров и блокировать морду. Положите одну или две капли местной анестезией (лидокаина) в ухо крысы до размещения уха баров.
  4. Регулировать температуру стереотаксической площадку с электронным управлением грелку, поддерживая температуру 37,5 ° C.
  5. Подключите трахеи трубку к анестезии дыхательный аппарат.
    1. Установите анестезии устройство для дыхания в 1 ход / с доставки изофлураном (2,5% 0,4-0,8 л / мин) и О 2 (0,15-0,2 л / мин).
  6. Очистите тщательно свода черепа на повидон-йод местного антисептика.
  7. Возьмите стерильным скальпелем и разрезанные продольно по средней линии от основания носа до угла затылочной кости.
    1. Разветвляться раны границы по втягивающим и исправить их двумя маленькими щипцами кокер применяется то рана границы.
    2. Определить надкостницу, указав в свет над черепом хранилище соблюдая полупрозрачный поверхность. Скретч тщательно костный свод удаление надкостницы и подвергая поверхность кости.
    3. Обеспечить гемостаза с наконечником хлопка или хирургической губки на поверхности кости, если координационные кровоизлияния появляются на кости.
  8. С тонкой кончика пера, определить стереотаксической точку брегмы в точке пересечения с mediosagittal и корональных suturas.
    1. Под хирургической управления микроскопом, определить стереотаксической область (S1HL), покрывающий соматосенсорной коре контралатеральной к задней лапой, используемого для эксперимента (брегмы, AP -0,5 до 1,2 мм, LL -2,3 до 2,5 мм).
  9. С тонкой кончика пера обратить квадратного периметра, ограничивающую отверстие, которую предстоит пробурить.
    1. Просверлите 9 мм 2 отверстие на ранее выявленных синий квадрат удаления костей плитку.
    2. Очистите и поглощать потенциальных кровотечения костей.
    3. Осторожно снимите твердую мозговую оболочку и покрыть поверхности коры с хирургической губкой, смоченной в искусственной спинномозговой жидкости поддерживается на уровне 37,5 ° C.
  10. Fix электродной матрицы к держателю, подключенного к электронным микроманипулятора.
    1. Подключите голову матрицы для предусилителя на microconnector.
    2. Привод вручную электродной матрицы (под хирургической управления микроскопом) до поверхности коры (не касаясь его).
    3. Включите усилителей с слухового сигнала.
    4. Привод, электронным контролем, электрод матрица не прикасаться к поверхности коры, пока контакта достигается, сигнализирует четкой шума звуковых изменений.
    5. Опустите электрод матрицу с электронным управлением шагов (2 мкм / шаг) до глубины 350-400 мкм не будет достигнута (коркового слоя IV).
    6. Проверьте реагирования нейронов легкими штрихами на противоположной задней лапы.
    7. Отрегулируйте глубину на несколько дальнейших шагов, пока не наблюдается четкий ответ пики.
    8. Паралич крысу путем внутривенной галламина thriethiodide (20 мг / кг / час). Используйте преломляется дозы в течение всего эксперимента для поддержания уровня curarization (0,2 мл / 1 час).

2. Лечение сигнала

  1. Установите полосовой фильтр программного обеспечения, чтобы [0,1 6000] Гц.
    1. Запишите нейронные сигналы 8 каналов микроэлектродной матрицы с частотой дискретизации 32 кГц.
  2. После завершения приобретения, экспортировать записанные сигналы в двоичный формат, пригодный для последующей обработки.
    1. Выполните процедуру шип сортировка с помощью панели инструментов Wave_clus 11.

3. Производство и Конфигурация стимуляции устройства

  1. Установите кактуса стебель (с закругленным кончиком) перпендикулярно поверхности среднего класса спикера склеивания основания стебля к крышке.
  2. Программамикроконтроллер выдавать импульсы напряжения на схему драйвера для говорящего.
    1. Программирование микроконтроллера для доставки два спаренных импульсов тока каждый второй (см. рисунок 1С).
  3. Соберите динамик и микроконтроллер с помощью L293D Н-моста с основными пассивных компонентов (см. рисунок 1а).
  4. Подключите микроконтроллер к 12 V аккумулятора.

4. Стимуляция протокол

  1. Клей спинной части задней лапу к твердой рамой, подвергая ладонной поверхности и избегая суставов кручения.
  2. Поместите кончик стимуляции устройства на нужную позицию конечностей / лапы.
  3. Включите стимуляции устройства.

Оффлайн шаги:

5. Оценка Spike Ответы

  1. Для каждого записанного нейрона, вычислить Шеннон Взаимная информация (MI) стимула вызвало пики активности (стимул окtegory либо 1, стимул, или 0, нет стимула).
    1. Оцените условную вероятность ответа р (г | ы), где с представляет категорию стимулов и г представляет собой количество шипов, испускаемых в окне фиксированное время.
    2. Исправьте оценку MI с помощью процедура перетасовка описано 9.

6. Оценка LFP Ответы

  1. Фильтр записанного сигнала в диапазоне частот [0,1 100] Гц для получения сигнала LFP
  2. Вычислить LFPSNR, мера LFP отзывчивость, как описано в ссылке 10.

7. Оценивание модели

  1. Создать модель форме
    figure-protocol-1
    где х аргументы представляют три различные функции LFP (х 1 сам LFP, < EM> х 2 ее производная и х 3 Гильберта фаза ее производной) и F выражается следующим образом
    figure-protocol-2
    коэффициенты г являются веса линейной комбинации и е является оператором, который принимает либо абсолютное значение, власть или исходное значение каждого х я.
  2. Используйте алгоритм NSGAII оценить параметры модели и операторов, используя следующие три объекта: я) местный, основой проб для суда, мера подгонки figure-protocol-3 , Где N SP и N R представляют собой соответственно общие выбросы считать и длина вектора отклика; II) глобальной мерой посадки на основе средней ответad/50941/50941eq4.jpg "ширина =" 205 "/>, где N соответственно представляет длину средней ответ; III) мера сложности модели (см. также) 10 figure-protocol-4 .

8. Гистологического подтверждения

  1. Жертвоприношение крысу.
    1. В конце эксперимента записей, положить животное под глубоким газовой анестезии (изофлураном 2%, 4 л / мин) и ввести внутривенно передозировки барбитуратов (> 50 мг / кг, пентобарбитала).
    2. Подождите сердечный арест.
    3. Отключите крысу от стереотаксической аппарата
  2. Перфузии.
    1. Поместите крысу отстое сетку на бассейне, чтобы собрать кровь и жидкость от перфузии.
    2. Откройте грудную клетку рассечением грудины, отделяющую от ребер вставок.
    3. Блокировать грудины xyphoid процесс с кокер-щипцы и опрокидывания крanially грудина и разветвляться ребра над сердцем.
    4. Определить левый желудочек и правое предсердие, разместить девять калибра притупляются кончик иглы (подключенный к перфузии канюли) в желудочке и открыть с хирургическими ножницами мелких в правое предсердие.
    5. Начало перфузии с холодной (4 ° C) гепаринизированной физиологическим раствором (250 мл) с последующим перфузии 4% раствора формалина (250 мл).
  3. Экстракт мозг от черепа, открыв свода черепа с подходящими пинцетом и поместить мозг в 10% растворе формалина.
  4. Через неделю, подготовить гистологические срезы по микротоме (10 толщиной мкм).
  5. Пятно мозга фронтальной и сагиттальной разделы с крезиловый фиолетовым раствором.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Совет экскурсионные возможности

Для характеристики динамических свойств предлагаемого стимулирующего устройства, серия экспериментов были созданы. Конкретный прибор, который состоит из арсенида галлия инфракрасной области светодиод в сочетании с кремниевой фототранзистора была использована для оценки наконечника смещение, продолжительность отклонения и возможные задержки смещения. С помощью этого оптического переключателя прерывателя мы разместили кончик стимулятор на краю Светодиод отверстие (...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Эта работа впервые представлен новый, простой и недорогой прибор, позволяющий доставить быстро и пространственно точечные сенсорные стимулы. Тогда рандомизированы в паре протокол стимуляции импульс и набор вычислительных анализов были подтверждены. Общая цель заключается в создании основы для оценки LFP-шип отношений в электрофизиологических записей во время тактильной стимуляции.

Устройство, протокол и аналитический подход совместно способствовали результате, а именно первая демонстрация в ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют каких конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

С.Н. и AGZ были поддержаны PON 01-01297 VIRTUALAB средств.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
МикростепперAB Transvertex (Стокгольм, Швеция)Микростеппер, используемый для протягивания электродной матрицы
32-канальной системой CheetahNeuralynx (MT, США)Электрофизиологическая регистрирующая система
L293D h-bridgeRS Components (Cinisello Balsamo, Италия)Мост, используемый для подключения микроконтроллера к акустической системе
H21A3 Optical Interrupter КоммутаторFairchild Semiconductor Corporation (Сан-Хосе, Калифорния)Фототранзистор, используемый для стабилизации смещения наконечника
Arduino UnoArduino (Дуэмиланове, Италия)Микроконтроллер, используемый для подачи импульса тока на динамик
Микроэлектродные матрицы GB1FHC 
ИзофлуранРодиа Органик Файн Лтд.Анестетик, используемый для приготовления животных
Стереотаксический аппаратNarishighe (Токио, Япония)
Самцы крыс Sprague-DawleyRiver (Calco, LC, Италия) 
Галламина триэтиодидSigma-AldrichСоединение, используемое для кураризации животных
Cresyl violetSigma-Aldrich 
Антисептики для местного применения (Бетадин 10%)Meda Pharma (Милан, Италия) 
ГепаринСигма-Олдрич 
Реагенты для формальдегидаCarlo Erba (Pomigliano Milanese, Milan, Italy) 
Charles

Ссылки

  1. Pesaran, B. Uncovering the Mysterious Origins of Local Field Potentials. Neuron. 61 (1-2), (2009).
  2. Delmas, P., Hao, J., Rodat-Despoix, L. Molecular Mechanisms of Mechanotrasduction in Mammalian Sensory Neurons. Nat. Rev. Neurosci. 12, 139-153 (2011).
  3. Rasch, M. J., Gretton, A., Murayama, Y., Maass, W., Logothetis, N. K. Inferring spike trains from local field potentials. J. Neurophys. 99 (3), 1461-1476 (2008).
  4. Galindo-Leon, E. E., Liu, R. C. Predicting stimulus-locked single unit spiking from cortical local field potentials. J. Comput. Neurosci. 29 (3), 581-597 (2010).
  5. Theunissen, F. E., David, S. V., Singh, N. C., Hsu, A., Vinje, W. E., Gallant, J. L. Estimating spatio-temporal receptive fields of auditory and visual neurons from their responses to natural stimuli. Network. 12 (3), 289 (2001).
  6. Victor, J. D., Purpura, K. Metric-space analysis of spike trains: theory, algorithms, and application. Network. 8, 127-164 (1997).
  7. Foffani, G., Chapin, J. K., Moxon, K. A. Computational Role of Large Receptive Fields in the Primary Somatosensory Cortex. J. Neurophysiol. 100 (1), 268-280 (2008).
  8. Microcontroller website. , Duemilanove, Italy. Available: http://arduino.cc (2014).
  9. Panzeri, S., Senatore, R., Montemurro, M. A., Petersen, R. S. Correcting for the sampling bias problem in spike train information measures. J. Neurophysiol. 98, 1064-1072 (2007).
  10. Storchi, R., Zippo, A. G., Caramenti, G. C., Valente, M., Biella, G. E. M. Predicting Spike Occurrence and Neuronal Responsiveness from LFPs in Primary Somatosensory Cortex. PLoS ONE. 7 (5), (2012).
  11. Quiroga, R. Q., Nadasdy, Z., Ben-Shaul, Y. Unsupervised Spike Detection and Sorting with Wavelets and Superparamagnetic Clustering. Neural Comput. 16, 1661-1687 (2004).
  12. Deb, K., Agrawal, A., Pratab, A., Meyarivan, T. A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-II IEEE. Trans. Evol. Comput. 6 (2), 181-197 (2000).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

LFP
Простой Стимулирующее устройство для Вызывая точечных Тактильные раздражители: Прожектор для LFP Спайк Переходы
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.