Одновременное отслеживание глаз и однонейронные записи у пациентов с эпилепсией человека
17 июня 2019 г.
Мы описываем метод проведения однонейронных записей с одновременным отслеживанием глаз у людей. Мы демонстрируем полезность этого метода и иллюстрируем, как мы использовали этот подход для получения нейронов в человеческой медиальной височной доле, которая кодирует цели визуального поиска.
Принципиальным преимуществом нашей техники является то, что она позволяет одновременно записывать положение корпуса, размер зрачка и одиночные нейроны у пациентов, имплантированных с глубинными электродами у постели. Это позволяет нам определить, есть ли нейроны в человеческом мозге, чья активность чувствительна к движениям глаз и к идентичности в настоящее время зацикленный стимул. Хотя этот метод не предназначен для изучения конкретного заболевания, он хорошо подходит для изучения неврологических заболеваний, которые приводят к ненормальным движениям глаз или других глазных двигательных аномалий.
Демонстрацией процедуры будут Нанд Чандравадия и Джеймс Ли, научные сотрудники из моей лаборатории. И Эрика Куан, нейродиагностиктический техник из Сидарс-Синай. Для начала подключите электроды к системе записи и распоите пациента, сидящего в вертикальном положении.
Затем подключите стимулирующий компьютер к электрофизиологической системе и глазной трекеру. Поместите удаленную неинвазивную инфракрасную систему слежения за глазами на надежную мобильную тележку. Затем прикрепите к тележке гибкую руку, которая держит жидкокристаллические дисплеи.
Поместите полностью заряженный бесперебойный источник питания на тележку слежения за глазами и подключите все устройства, связанные с отслеживанием глаз, к источнику питания, а не к внешнему источнику питания. Убедитесь, что устройство IV, подключенное к пациенту, работает на батарее и не подключено к стене. Запустите программное обеспечение для слежения за глазами.
Отрегулируйте расстояние между пациентом и LCD-экраном до 60-70 сантиметров. Также отрегулируйте угол LCD-экрана так, чтобы поверхность экрана была примерно параллельно лицу пациента. Поместите наклейку на лоб пациента, чтобы глаз трекер может настроить для движения головы.
Теперь отрегулируйте высоту экрана относительно головы пациента так, чтобы камера глазного трекера была примерно на высоте носа пациента. Предоставьте пациенту кнопо кнопку или клавиатуру. Убедитесь, что триггеры и нажатия кнопки записываются должным образом перед началом эксперимента.
Запустите программное обеспечение для приобретения. Сначала визуально проинспектировать широкополосные локальные полевые потенциалы и убедиться, что они не загрязнены линейным шумом. В противном случае следуйте стандартным процедурам для удаления шума.
Чтобы определить одно нейроны, полоса проходит фильтр сигнала от 300 герц до восьми килогерц. Выберите один из восьми микропроводов в качестве эталона для каждого пакета микропроводов. Включите сохранение данных в качестве nrd файла перед записью.
Отрегулируйте расстояние и угол между трекером глаз и пациентом так, чтобы целевой маркер, расстояние головы, зрачок и отражение роговицы были помечены как готовые. Это показано зеленым цветом в программном обеспечении отслеживания глаз. Нажмите на глаз, чтобы быть записаны и установить скорость выборки до 500 герц.
Используйте автоматическую регулировку порога отражения зрачка и роговицы. Калибруйте глазной трекер с помощью встроенного метода сетки в начале каждого блока. Подтвердите положение глаз зарегистрировать красиво, как сетка.
В противном случае переделите калибровку. Примите калибровку и сделайе проверку. Примите проверку, если погрешность максимальной проверки составляет менее двух градусов, а средняя погрешность проверки меньше одного градуса.
В противном случае, переокрасить проверку. Затем выполните коррекцию дрейфа и приступайте к самому эксперименту. В этой задаче визуального поиска используйте стимулы из предыдущего исследования, выполненного этой группой, и следуйте процедуре задачи, описанной ранее.
Предоставьте участникам инструкции по задачам. Поручите участникам найти целевой элемент в массиве поиска и ответить как можно скорее. Поручите участникам нажать левую кнопку коробки реагирования, если они найдут цель, и нажмите правую кнопку, если они считают, что цель отсутствует.
Явно инструктировать участников о том, что будут проведены целевые и целевые испытания. Запустите программное обеспечение для презентации стимулов и запустите задачу. Представить целевой сигнал на одну секунду и представить массив поиска с помощью программного обеспечения презентации стимула.
Запись нажатия кнопки и обеспечить пробную обратную связь с участниками. Чтобы проиллюстрировать использование этого метода, 228 одиночных нейронов были записаны из медиальной височной доли человека в то время как пациенты выполняли задачу визуального поиска, как показано здесь. Во время этой задачи, было исследовано ли активность нейронов дифференцированы между фиксациями на цели и отвлекающие.
Когда ответы были выровнены при нажатия кнопки, нейроны были найдены, которые показали дифференциальную активность между целевыми настоящими испытаниями и целевыми испытаниями. Черные линии представляют собой начало и смещение очереди поиска. Этот нейрон увеличил скорость стрельбы для целевых испытаний, но не для целевых испытаний.
И наоборот, этот нейрон снизил скорость стрельбы для целевых испытаний, но не для целевых отсутствующих испытаний. Подмножество медиальной височной доли нейронов показали значительно различные виды деятельности между фиксациями на цели по сравнению с отвлекающими. Кроме того, один тип таких целевых нейронов имеет большую реакцию на цели по отношению к отвлекающим устройствам, в то время как другой имеет большую реакцию на отвлекающие устройства по отношению к целям.
Вместе этот результат показывает, что подмножество нейронов медиальной височной доли кодирует, приземлилась ли нынешняя фиксация на цель или нет. Очень важно убедиться, что глаз трекер не вводит шум в записи. Любой шум должен быть удален до начала экспериментов.
Если шум сохраняется, убедитесь, что экран, используемый для отображения стимула к объекту, имеет внешний источник питания. Обменные источники питания для более высокого качества питания, обычно используемые для высококачественных аудио-приложений. После этой процедуры, анализ шипов и движений глаз выполняются для извлечения информации из данных, которые позволят исследователю исследовать нейронные реакции на движения глаз.
Этот метод прокладывает путь для изучения многих вопросов без ответа, которые требуют анализа фиксаций, таких как, как нейроны коллективно диск фиксации интересных объектов в сцене.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье описан метод проведения однонейронных записей с одновременным отслеживанием движений глаз у людей. Эта техника позволяет исследователям исследовать нейронную активность, связанную с визуальными поисковыми целями в медиальной височной доле человеческого мозга.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Электрофизиология
- Визуальная когнитивистика
Бакграунд
- Однонейронные записи предоставляют представление о функциях мозга.
- Отслеживание движений глаз может показать, как распределяется визуальное внимание.
- Понимание нейронных реакций на визуальные стимулы важно для нейробиологии.
- Этот метод может применяться в клинических условиях у пациентов с глубокой имплантированной электроэнцефалографией.
Цель исследования
- Продемонстрировать технику одновременного отслеживания глаз и однонейронных записей.
- Идентифицировать нейроны, чувствительные к движениям глаз и визуальным стимулам.
- Способствовать исследованиям неврологических заболеваний, влияющих на движения глаз.
Использованные методы
- Подключить электроды к системе записи.
- Разместить пациента в прямостоячем положении для оптимальной записи.
- Записывать нейронную активность при отслеживании движений глаз.
- Анализировать взаимосвязь между нейронной активностью и визуальными целями.
Основные результаты
- Доказана возможность применения метода в клинической среде.
- Идентифицированы нейроны в медиальной височной доле, реагирующие на визуальный поиск.
- Показано, как движения глаз влияют на нейронную активность.
- Предоставлена основа для изучения окулярных моторных нарушений.
Выводы
- Эта техника эффективна для изучения визуальной обработки у людей.
- Она открывает пути для исследований неврологических состояний.
- Будущие исследования могут использовать этот метод для более глубокого понимания функций мозга.
Часто задаваемые вопросы
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.
