Отслеживание электрических порогов с обратной связью в режиме реального времени с открытым исходным кодом для трансляционных исследований боли

Этот инструмент может быть использован для исследования различных механизмов сенсибилизации ноцицепторов, и именно эта сенсибилизация может вызывать некоторые формы хронической боли. Автоматизированное отслеживание электрических пороговых значений обеспечивает надежное измерение возбудимости ноцицепторов в режиме реального времени в режиме реального времени. Таким образом, эта мера обеспечивает важный трансляционный мост, позволяющий проводить измерения как у людей, так и у животных.

Таким же образом, позволяя оценить эффективную патологию и методы лечения. В будущем AP Track может быть использован у пациентов с хронической болью, чтобы подтвердить, нормализует ли терапевтический агент возбудимость их сенсибилизированных ноцицепторов. Это будет представлять собой важнейший биомаркер эффективности.

Мы ожидаем, что наш инструментарий с открытым исходным кодом, AP Track, будет полезен электрофизиологам, изучающим стимулы временной петли разной величины. Например, мы также думаем, что это будет полезно для изучения оптогенетики. Одновременное управление экспериментом и программным обеспечением поначалу является сложной задачей, поэтому я рекомендую пользователям загружать предварительно записанные данные в AP Track, чтобы ознакомиться с их использованием, прежде чем приступать к эксперименту.

Мы предоставили демонстрационные данные. Для начала подключите плату сбора данных к компьютеру с помощью кабеля, поставляемого производителем, и включите их. Затем подключите плату ввода-вывода к аналоговому импорту на плате сбора данных и подключите записывающую головку Intan RHD к плате сбора данных с помощью кабеля последовательного периферийного интерфейса.

Затем подключите Pulse Pal к компьютеру. Разделите сигнал первого выходного канала Pulse Pal с помощью BNC T Splitter, а затем подключите его ко входу стимулятора постоянного тока и плате ввода-вывода, чтобы можно было записать команду аналогового напряжения. Подключите второй выходной канал Pulse Pal к плате ввода-вывода для записи маркеров событий TTL стимуляции.

Для сборки со стимулятором постоянного тока с циферблатным управлением включите стимулятор постоянного тока и подключите плату управления шаговым двигателем к шаговому двигателю с помощью поставляемого производителем кабеля и магнитного крепления. Подключите плату управления к компьютеру напрямую с помощью любого стандартного кабеля USB-A — USB micro B. Подключите плату управления и шаговый двигатель к специальному монтажному кронштейну и установите регулятор амплитуды стимуляции на стимуляторе постоянного тока на ноль миллиампер.

Затем подключите специальный адаптер ствола к стволу шагового двигателя. Прикрепите шаговый двигатель и устройство для специального крепления к регулятору амплитуды стимуляции на стимуляторе постоянного тока с помощью адаптера ствола и включите его. Откройте графический интерфейс AP Track и установите стабильную электрофизиологическую запись периферического нерва.

Определите рецептивное поле на коже и расположите там стимулирующий электрод. В меню «Параметры» выберите «Триггерный канал» и выберите канал АЦП, содержащий маркер TTL электростимуляции, из второго выходного канала Pulse Pal. Затем выберите канал данных и выберите канал, содержащий электрофизиологические данные.

Нажмите «Подключить», чтобы подключить AP Track к устройству Pulse Pal и шаговому двигателю. Это может занять некоторое время. После подключения плата управления шаговым двигателем установит себя в нулевое положение.

На панели управления стимуляцией определите начальную минимальную и максимальную амплитуды стимуляции с помощью ползунка. Убедитесь, что текущая стимуляция установлена выше нуля, чтобы сгенерировались маркеры TTL. Нажмите F, чтобы загрузить файл, содержащий инструкции по стимуляции, а затем щелкните стрелку вправо, чтобы начать загруженную парадигму стимуляции.

Временной растровый график начнет обновляться с ответа на электрическую стимуляцию, при этом каждый новый ответ на стимуляцию будет отображаться в виде нового столбца справа. Чтобы успешно обнаружить потенциалы действия одного нейрона, перейдите на панель временного растрового графика и отрегулируйте пороговые значения низкого, обнаружения и высокого порога изображения. Если установлены подходящие пороговые значения изображения, события пересечения порогов, обнаруженные алгоритмами, будут закодированы зеленым цветом.

Систематически перемещайте стимулирующий электрод по участку кожи, иннервируемому нервом. Отслеживайте временной растровый график для трех событий пересечения порога, которые появляются подряд с одинаковой задержкой, когда электрод находится в одном и том же положении стимуляции. Это указывает на идентификацию постоянного латентного потенциала действия периферических нейронов.

После определения потенциала действия одного нейрона на временном растровом графике переместите серый линейный ползунок в правой части графика, чтобы отрегулировать положение поля поиска. Затем отрегулируйте поле поиска с помощью поворотного ползунка на соответствующую ширину. Сузьте ширину поля поиска.

Чтобы начать отслеживать потенциал целевого действия, нажмите на знак плюса под таблицей отслеживания нескольких единиц. В таблицу будет добавлена новая строка, содержащая подробную информацию о потенциале целевого действия, включая местоположение задержки, процент срабатывания от двух до 10 стимулов и обнаруженную пиковую амплитуду. Алгоритм отслеживания задержки будет автоматически выполняться на нем при каждой последующей электрической стимуляции.

Установите флажок «Шип трека» в таблице, чтобы переместить поле поиска в место, соответствующее этому конкретному потенциалу действия. Рассчитайте скорость проводимости периферического нейрона, разделив расстояние между участками стимуляции и записи на задержку, отображаемую в таблице. Чтобы выполнить отслеживание электрического порога, отрегулируйте скорости приращения и уменьшения на панели управления стимуляцией до желаемой скорости.

Сохраняйте эти значения равными. Убедитесь, что частота стимуляции установлена на соответствующую частоту, обычно от 0.25 до 0.5 Гц. Вручную отрегулируйте амплитуду стимуляции примерно до электрического порога нейрона.

Затем установите флажок порога трека в таблице отслеживания нескольких единиц, который инициирует алгоритм отслеживания электрического порога. В таблице слежения за несколькими подразделениями следите за темпом стрельбы. Коэффициент стрельбы 50% указывает на то, что приблизительный электрический порог был определен, и пороговое значение будет обновлено.

Наконец, примените экспериментальную манипуляцию к рецептивному полю и продолжайте отслеживать электрический порог. Это позволит количественно оценить изменения возбудимости периферических нейронов. На этом рисунке показаны последовательные следы С-волокна поверхностного многолетнего нерва человека во время эксперимента по микронейрографии и последовательные следы А-дельта-волокна подкожного нерва мыши во время электрофизиологии дразнящего волокна кожно-нервного препарата.

Следы были окрашены в красный цвет, когда был идентифицирован потенциал действия, что привело к уменьшению амплитуды стимула. Программный алгоритм эффективно находит амплитуду стимула, необходимую для 50% вероятности срабатывания. На этом рисунке представлено отслеживание электрического порога на частоте стимуляции 0,25 Гц во время тепловой стимуляции ноцицептора С-волокна человека.

Ось Y кодирует число стимуляции с самого начала парадигмы. Дорожки напряжения в течение 4 000 миллисекунд после электрической стимуляции с событиями пересечения порога отмечены красным цветом. Здесь показана трасса напряжения, увеличенная вокруг отслеживаемого потенциала действия.

Вертикальная синяя линия — это базовая задержка отслеживаемого объекта. Ток стимуляции, управляемый AP Track, показан на этом рисунке. Вертикальная синяя линия является базовым электрическим порогом.

Здесь представлена температура термостимулирующего зонда рецептивного поля TCS-II. По мере того, как рецептивное поле этого термочувствительного С-волокна нагревается термостимулятором, электрический порог уменьшается. Выбор подходящих значений для ширины поля поиска и порога обнаружения имеет важное значение, так как они значительно улучшают производительность AP Track за счет снижения воздействия электрических шумов.

Количественная оценка влияния терапевтических агентов на гипервозбудимость ноцицепторов может помочь нам лучше понять механизмы, лежащие в основе хронической боли. Мы надеемся, что другие исследователи будут использовать этот свободно доступный инструмент, чтобы лучше понять биологию ноцицепции и изменения, которые произошли во время сенсибилизации ноцицепторов.