Summary
प्रकाश यांत्रिक परिधीय उत्तेजनाओं के लिए एक उपयुक्त उत्तेजक spikes को स्थानीय क्षेत्र क्षमता (LFPs) से जटिल संक्रमण को स्पष्ट करने के लिए बनाया गया था. एक आवेदन के रूप में, somatosensory प्रांतस्था से दर्ज स्पाइकिंग गतिविधियों के लिए एक बहु - उद्देश्य अनुकूलन रणनीति द्वारा विश्लेषण किया गया. परिणाम प्रस्तावित उत्तेजक मिलीसेकंड और मिलीमीटर precisions साथ स्पर्श उत्तेजनाओं देने में सक्षम था कि प्रदर्शन किया.
Abstract
वर्तमान neurophysiological अनुसंधान spikes को अर्थात् स्थानीय क्षेत्र क्षमता के spikes (LFPs) से संक्रमण में और LFPs से न्यूरॉन न्यूरॉन से संकेत मार्ग, जांच करने के तरीके विकसित करने के उद्देश्य से बना है.
LFPs कील गतिविधि पर एक जटिल निर्भरता है और उनके संबंध अभी भी खराब है 1 समझा जाता है. इन संकेत संबंधों की व्याख्या नैदानिक निदान (डीप ब्रेन उत्तेजना के लिए जैसे उत्तेजना मानदंड) के लिए और सामान्य और रोग की स्थिति (जैसे मिरगी, पार्किंसंस रोग, पुराने दर्द) में तंत्रिका कोडन रणनीतियों का एक गहरी समझ के लिए दोनों के लिए मददगार होगा. इस उद्देश्य के लिए, एक उत्तेजना उपकरणों, उत्तेजना मानदंड और कम्प्यूटेशनल विश्लेषण से संबंधित तकनीकी मुद्दों को हल करने के लिए है. इसलिए, एक कस्टम निर्मित उत्तेजना डिवाइस यांत्रिक प्रतिध्वनि में अपने ऊपर लेना नहीं है कि अच्छी तरह से स्थान और समय में विनियमित उत्तेजनाओं देने के क्रम में विकसित किया गया था. बाद में,एक दृष्टांत के रूप में, विश्वसनीय LFP-कील रिश्तों का एक सेट निकाला गया था.
डिवाइस का प्रदर्शन, कोशिकी रिकॉर्डिंग द्वारा जांच की गई संयुक्त रूप से spikes और चूहे प्राथमिक somatosensory प्रांतस्था से लागू उत्तेजनाओं, को LFP के हिमायती हैं. फिर, एक बहु - उद्देश्य अनुकूलन रणनीति के माध्यम से, LFPs पर आधारित कील घटना के लिए एक भविष्य कहनेवाला मॉडल अनुमान लगाया गया था.
इस प्रतिमान के आवेदन डिवाइस पर्याप्त रूप से आम piezoelectric actuators outperforming, उच्च आवृत्ति स्पर्श उत्तेजना देने के लिए अनुकूल है कि पता चलता है. डिवाइस की प्रभावकारिता का एक सबूत के रूप में, निम्न परिणाम प्रस्तुत किए गए हैं: 1) LFP प्रतिक्रियाओं के समय और विश्वसनीयता खैर, कील प्रतिक्रियाओं से मेल 2) LFPs उत्तेजना इतिहास के प्रति संवेदनशील हैं और औसत प्रतिक्रिया न केवल कब्जा लेकिन यह भी कील गतिविधि में और, अंत में, 3) LFP का उपयोग कर परीक्षण के लिए परीक्षण के उतार चढ़ाव यह एक सीमा ओ अनुमान संभव है संकेतच कील गतिविधि के विभिन्न पहलुओं पर कब्जा कि भविष्य कहनेवाला मॉडल.
Introduction
संकेत के संदर्भ में आवेग प्रतिक्रिया प्रसंस्करण एक dynamical प्रणाली के व्यवहार का एक मौलिक लक्षण वर्णन प्रदान करता है.
आदर्श आवेग प्रोत्साहन व्यावहारिक रूप से प्राप्त नहीं है, यह उच्च आवृत्ति विस्थापन उत्पन्न करता है कि एक actuator तत्व का उपयोग करके इसे का एक उचित सन्निकटन प्राप्त करना संभव है. प्रकाश स्पर्श-थरथानेवाला उत्तेजना के इस प्रकार दोनों गहरे त्वचा (जैसे तेजी से, जवाब देने के लिए तेजी से Pacinian कॉर्पुसल्स आदत डाल) 2 और सतही रिसेप्टर्स (जैसे कम सीमा धीरे धीरे मार्केल थाली के आकार का संरचनाओं आदत डाल) 2 लक्षित करने के लिए जाना जाता है.
वर्तमान उत्तेजना उपकरणों, मुख्य रूप से piezoelectric actuators, कमियों के एक नंबर, कम से कम नहीं अनुनादों और छोटे displacements के साथ लिया जाता है. इन खामियों को दूर करने, आवेग की तरह उत्तेजना के एक विकल्प के कार्यान्वयन खड़ी एक पा टिप (हमारे मामले में एक कैक्टस smoothed टिप) का उपयोग कर का प्रस्ताव हैएक मध्य दूरी वक्ता शंकु की झिल्ली केंद्र पर मुहिम शुरू की. यह बड़ा विस्थापन और व्यापक आवृत्ति स्पेक्ट्रम का लाभ प्रदान करता है.
एक ऐसी युक्ति का एक प्रभावी आवेदन निर्भरता spikes को LFPs की प्रासंगिक neurophysiological समस्या का अध्ययन किया गया था. क्योंकि इन बिजली घटनाओं के बीच सूक्ष्म अस्थायी एसोसिएशन के एक पतले नियंत्रित डिवाइस परिधीय उत्तेजनाओं पहुंचाने के लिए जरूरी था. उत्तेजनाओं "पृष्ठभूमि शोर" को कम करने और ब्याज के संकेत पैनापन करने के क्रम में उपवास के रूप में और संभव के रूप में स्थानिक चयनात्मक होना था. इस उद्देश्य के लिए, उत्तेजना डिवाइस और प्रोत्साहन वितरण प्रोटोकॉल संयुक्त रूप से कार्य के लिए अनुकूलित थे. इस पत्र में, हम तकनीक का वर्णन है और कुछ प्रतिनिधि परिणाम प्रस्तुत करते हैं.
बेतरतीब बनती दालों पर आधारित एक उत्तेजना प्रोटोकॉल आदी से बचने के लिए बनाया गया है और अनुकूलित किया गया है. इस प्रोटोकॉल शास्त्रीय जोड़ी का लाभ देने की पेशकशदालों एड और उत्तेजनाओं और neuronal गतिविधि का सहज आवधिक फटने के बीच नकली लॉकिंग की संभावना कम हो.
इस का उपयोग करके यह तेज और विश्वसनीय LFP और कील प्रतिक्रियाएं प्राप्त करने के लिए और उत्तेजना इतिहास पर दोनों LFPs और spikes की निर्भरता से संबंधित इन प्रतिक्रियाओं की खास विशेषता यह कब्जा करने के लिए संभव था बनती पल्स बेतरतीब. दरअसल, कच्चे LFP प्रतिक्रियाओं से, तीन LFP का एक सेट की जोरदार औसत कील प्रतिक्रिया के साथ correlating (LFP ही, पहले व्युत्पन्न का LFP पहले व्युत्पन्न और चरण) सुविधाएँ, भी निकाला गया था.
कुछ तरीकों LFPs 3,4 से spikes भविष्यवाणी मॉडल है कि फिट करने के लिए प्रस्तावित किया गया है. सामान्य तौर पर, आम भी प्रोत्साहन के संकेत से कील घटना की भविष्यवाणी करने के लिए, कम से कम / अधिकतम करने के उद्देश्य समारोह का उचित विकल्प द्वारा मॉडल फिटिंग प्रक्रिया का एक महत्वपूर्ण बिंदु गठन किया जाता है. उद्देश्य कार्यों की एक श्रृंखला का प्रस्ताव किया गया हैइनमें से डी (जैसे सहसंबंध और जुटना) 5 कोई भी संयुक्त रूप से कील प्रतिक्रियाओं की पूरी जटिलता कब्जा. तदनुसार, बहु - उद्देश्य अनुकूलन पर आधारित एक उपन्यास रूपरेखा पेश की है. हम बताते हैं कि प्रस्तावित तैयार कर लिया है और इस कम्प्यूटेशनल ढांचे यह रिश्तों स्पाइक के लिए मजबूत LFP के आधार पर भविष्य कहनेवाला मॉडल का एक सेट अनुमान संभव है का उपयोग करके.
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Protocol
एथिकल विवरण
संवेदी उत्तेजनाओं neuronal गतिविधि का प्रतिनिधित्व कर रहे अध्ययन कैसे पशुओं के उपयोग और एक में vivo दृष्टिकोण का उपयोग करने के लिए कोई विकल्प नहीं है. सभी जानवरों को साइंटिफिक रिसर्च (इतालवी जैवनैतिक समिति, अनुसंधान में पशुओं के उपचार पर कानून फरमान, 27 जनवरी 1992, नं 116) में पशुओं के उपचार पर इतालवी और यूरोपीय कानून के साथ इलाज किया गया है. प्रयोगों का प्रदर्शन किया गया है, जहां राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद, संयुक्त राष्ट्र शैक्षिक, वैज्ञानिक और सांस्कृतिक संगठन (यूनेस्को), मेडिकल साइंसेज के अंतरराष्ट्रीय संगठनों के लिए परिषद (की ओर से प्रयोगशाला पशु विज्ञान पर अंतर्राष्ट्रीय समिति (ICLAS) का पालन करता है CIOMS ) और जीव विज्ञान के अंतर्राष्ट्रीय संघ (IUBS). जैसे, कोई प्रोटोकॉल विशिष्ट अनुमोदन आवश्यक था. स्वास्थ्य मंत्रालय की मंजूरी की एथिकल कमेटी की फाइलों में "Biella 1, 3/2011" के रूप में वर्गीकृत किया जाता हैमिलान विश्वविद्यालय.
1. प्रयोगात्मक पशु की तैयारी
- नर चूहों आकार में लगभग 300-400 ग्राम का चयन करें.
- प्रयोगात्मक तैयारी के लिए चूहों anesthetize.
- Intraperitoneally एक barbiturate समाधान (प्रेरण के लिए pentobarbital, 50 मिलीग्राम / किग्रा, रखरखाव के लिए 10 मिलीग्राम / किग्रा) इंजेक्षन.
- कोई त्याग पलटा तब होता है यह सुनिश्चित करना कि एक पंजा से अधिक सीमा से कम और उच्च दहलीज यांत्रिक उत्तेजनाओं से संज्ञाहरण स्तर की जाँच करें.
- सही और फिर कपाल सतह का पर्दाफाश करने के लिए एक चीरा बनाने कपाल तिजोरी शेविंग द्वारा कपाल त्वचा तैयार करें.
- श्वासनली के आसपास ही शल्य बंधाव से यह तय करने के लिए एक सांस की नली प्रवेशनी (2 मिमी और 2.5 मिमी की बाहरी व्यास के भीतरी व्यास) द्वारा, श्वासनली cannulate.
- Laterally सांस की नली खंड के लिए गले का नस बेनकाब और पोत के आसपास शल्य बंधाव से यह तय करने के लिए एक सिरिंज से जुड़ा एक प्रवेशनी (PE10) डालने यह cannulate.
- एक stereotaxic तंत्र पर चूहा माउंट.
- एक लापरवाह स्थिति में चूहे के शरीर और जगह सुरक्षित.
- कान सलाखों से सिर फिक्स और थूथन ब्लॉक. कान सलाखों रखने से पहले चूहे के कान में स्थानीय संवेदनाहारी (lidocaine) में से एक या दो बूँदें डाल दिया.
- 37.5 डिग्री सेल्सियस तापमान को बनाए रखने, एक इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रित हीटिंग पैड से stereotaxic पैड के तापमान को विनियमित
- श्वसन संज्ञाहरण डिवाइस को सांस की नली ट्यूब कनेक्ट करें.
- 1 स्ट्रोक / एस isoflurane (2.5% 0.4-0.8 एल / मिनट) पहुंचाने और ओ 2 (0.15-0.2 एल / मिनट) में श्वसन संज्ञाहरण डिवाइस सेट.
- एक povidone आयोडीन सामयिक एंटीसेप्टिक द्वारा ध्यान कपाल तिजोरी साफ करें.
- एक बाँझ स्केलपेल ले लो और पश्चकपाल हड्डी के कोण को थूथन के आधार से midline पर longitudinally कटौती.
- एक प्रत्याकर्षक से घाव सीमाओं चला जाना और दो छोटे लाड़ प्यार संदंश द्वारा उन्हें ठीक से लागू किया Tघाव सीमाओं ओ.
- पारदर्शी सतह देख एक खोपड़ी तिजोरी पर प्रकाश की ओर इशारा करते द्वारा periosteum पहचानें. ध्यान से हड्डी तिजोरी periosteum हटाने और हड्डी सतह उजागर स्क्रैच.
- फोकल हेमोरेज की हड्डी पर दिखाई देते हैं, तो हड्डी की सतह पर एक कपास टिप या शल्य स्पंज के साथ रक्तस्तम्भन प्रदान करें.
- एक ठीक टिप कलम के साथ, mediosagittal और राज्याभिषेक suturas के पार बिंदु पर स्तेरेओतक्तिक बिंदु पर्वबिन्दु पहचान.
- सर्जिकल माइक्रोस्कोप नियंत्रण के तहत, प्रयोग (शीर्षस्थान, एपी -0.5 से 1.2 मिमी, 2.5 मिमी डालूँगा -2.3) के लिए इस्तेमाल पीछे पंजा करने somatosensory प्रांतस्था contralateral overlaying स्तेरेओतक्तिक क्षेत्र (S1HL) की पहचान.
- एक ठीक टिप पेन के साथ drilled हो छेद परिसीमन वर्ग परिधि आकर्षित.
- हड्डी टाइल हटाने की पहचान पहले नीले वर्ग पर एक 9 एमएम 2 छेद ड्रिल.
- साफ और संभावित हड्डी bleedings अवशोषित. ध्यान ड्यूरा मेटर को हटाने और 37.5 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखा कृत्रिम मस्तिष्कमेरु द्रव में लथपथ एक शल्य स्पंज के साथ cortical सतह को कवर
- एक इलेक्ट्रॉनिक micromanipulator से जुड़े एक धारक के लिए इलेक्ट्रोड मैट्रिक्स को ठीक करें.
- एक microconnector द्वारा preamplifier को मैट्रिक्स के सिर से कनेक्ट करें.
- (यह छूने के बिना) cortical सतह से ऊपर (सर्जिकल माइक्रोस्कोप नियंत्रण में) मैन्युअल इलेक्ट्रोड मैट्रिक्स ड्राइव.
- श्रवण संकेत के साथ एम्पलीफायरों पर स्विच करें.
- इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण से, ड्राइव, संपर्क तक cortical सतह को छूने के लिए इलेक्ट्रोड मैट्रिक्स एक स्पष्ट शोर ध्वनि परिवर्तन के संकेत, पहुँच जाता है.
- 350-400 माइक्रोन की गहराई (cortical परत चतुर्थ) तक पहुँच जाता है इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रित कदम (2 माइक्रोन / कदम) द्वारा इलेक्ट्रोड मैट्रिक्स नीचे खींच.
- Contralateral पीछे पंजा पर प्रकाश छू द्वारा न्यूरॉन्स की जवाबदेही की जाँच करें.
- एक स्पष्ट स्पाइकिंग प्रतिक्रिया मनाया जाता है जब तक कुछ आगे कदम से गहराई को समायोजित करें.
- नसों में Gallamine thriethiodide (20 मिलीग्राम / किग्रा / घंटा) ने चूहे को पंगु बना. पेशी - शिथिलन के लिए कुरेरी (ट्यूबोक्यूरैराइन) का प्रयोग करना स्तर (0.2 मिलीग्राम / 1 घंटा) बनाए रखने के लिए प्रयोग भर refracted खुराक का उपयोग करें.
2. संकेत उपचार
- [0.1 6000] हर्ट्ज के लिए सॉफ्टवेयर bandpass फिल्टर सेट करें.
- 32 kHz पर नमूना 8 चैनलों microelectrode मैट्रिक्स के neuronal संकेत रिकॉर्ड.
- अधिग्रहण के बाद समाप्त हो जाती है, बाद के प्रसंस्करण के लिए उपयुक्त एक बाइनरी स्वरूप में दर्ज संकेतों निर्यात.
- Wave_clus उपकरण बॉक्स 11 के माध्यम से कील छँटाई प्रक्रिया करते हैं.
3. विनिर्माण और उत्तेजना डिवाइस का विन्यास
- Orthogonally टोपी को डंठल आधार gluing एक मध्य दूरी वक्ता की सतह के लिए (पा टिप) के साथ एक कैक्टस डंठल माउंट.
- कार्यक्रम एकस्पीकर के लिए एक ड्राइवर सर्किट वोल्टेज दालों देने के लिए microcontroller.
- (चित्रा 1C देखें) वर्तमान एक दूसरे के दो बनती दालों देने के लिए microcontroller के कार्यक्रम.
- बुनियादी निष्क्रिय घटकों (चित्रा 1 ए देखें) के साथ एक L293D एच पुल के माध्यम से वक्ता और microcontroller इकट्ठे.
- एक 12 वी रिचार्जेबल बैटरी को microcontroller कनेक्ट.
4. उत्तेजना प्रोटोकॉल
- Volar सतह उजागर और जोड़ torsions से परहेज, एक ठोस फ्रेम करने के लिए हिंद पंजा के पृष्ठीय पहलू गोंद.
- वांछित अंग / पंजा स्थिति पर उत्तेजना डिवाइस की नोक रखें.
- उत्तेजना डिवाइस पर स्विच करें.
ऑफलाइन चरण:
5. स्पाइक प्रतिक्रियाओं का मूल्यांकन
- प्रत्येक दर्ज न्यूरॉन के लिए, गणना प्रोत्साहन के शैनन म्युचुअल सूचना (एमआई) spiking गतिविधि पैदा (प्रोत्साहन सीएtegory या तो 1, उत्तेजना, या 0, कोई प्रोत्साहन) है.
- प्रोत्साहन वर्ग का प्रतिनिधित्व करता है और अनुसंधान के लिए एक निश्चित समय खिड़की के भीतर उत्सर्जित spikes की संख्या का प्रतिनिधित्व करता है | सशर्त प्रतिक्रिया संभावना पी (एस आर) का अनुमान है.
- फेरबदल की प्रक्रिया 9 वर्णित का उपयोग करके एमआई अनुमान ठीक कर लें.
6. LFP प्रतिक्रियाओं का मूल्यांकन
- LFP संकेत प्राप्त करने के लिए आवृत्ति रेंज [0.1 100] हर्ट्ज में दर्ज संकेत फिल्टर
- कंप्यूट LFPSNR, संदर्भ 10 के रूप में समझाया LFP जवाबदेही का एक उपाय,.
7. मॉडल आकलन
- फार्म की एक मॉडल उत्पन्न
एक्स तर्क <तीन अलग LFP विशेषताएं (एक्स 1 LFP ही प्रतिनिधित्व करते हैं, जहां इस प्रकार के रूप में उन्हें> एक्स 2 उसके व्युत्पन्न और एक्स 3 हिल्बर्ट उसके व्युत्पन्न के चरण) और एफ व्यक्त किया है
जी गुणांक एक रेखीय संयोजन का भार हैं और च निरपेक्ष मान, बिजली या प्रत्येक x मैं का मूल मूल्य या तो लेता है कि एक ऑपरेटर है. - फिट की मैं) एक स्थानीय, परीक्षण करने के लिए परीक्षण के आधार, उपाय: निम्न तीन वस्तुओं का उपयोग करके मॉडल मापदंडों और ऑपरेटरों अनुमान लगाने के लिए NSGAII कलन विधि का प्रयोग करें
, एन सपा और एन आर का प्रतिनिधित्व करते हैं जहां क्रमश: समग्र spikes गिनती और प्रतिक्रिया वेक्टर की लंबाई, औसत प्रतिक्रिया के आधार पर फिट की द्वितीय) एक वैश्विक उपायad/50941/50941eq4.jpg "चौड़ाई =" 205 "/> जहां एन resp औसत प्रतिक्रिया की लंबाई का प्रतिनिधित्व करता है, iii) मॉडल जटिलता का एक उपाय (देखें भी) 10 
.
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. 8. ऊतकीय पुष्टि
- चूहे बलिदान.
- प्रयोगात्मक रिकॉर्डिंग के अंत में, गहरी गैसीय संज्ञाहरण (Isoflurane 2%, 4 एल / मिनट) के तहत पशु डाला और नसों (pentobarbital> 50 मिलीग्राम / किग्रा), एक barbiturate अधिक मात्रा इंजेक्षन.
- दिल की गिरफ्तारी रुको.
- Stereotaxic तंत्र से चूहा अनमाउंट
- छिड़काव.
- छिड़काव से रक्त और तरल पदार्थ इकट्ठा करने के लिए एक बेसिन पर एक ग्रिड पर बिछाने चूहा रखें.
- पसली सम्मिलन से अलग होने उरोस्थि विदारक द्वारा छाती खोलें.
- एक लाड़ प्यार संदंश और पलट करोड़ के साथ sternal xyphoid प्रक्रिया ब्लॉकanially दिल पर उरोस्थि और चला जाना पसलियों.
- , बाएं वेंट्रिकल और सही अलिंद पहचानें वेंट्रिकल में (छिड़काव प्रवेशनी से जुड़ा) एक नौ गेज पा टिप सुई जगह और शल्य ठीक कैंची के साथ सही आलिंद खुला.
- एक 4% formalin समाधान (250 मिलीलीटर) का छिड़काव द्वारा पीछा ठंड (4 डिग्री सेल्सियस) heparinized शारीरिक समाधान (250 मिलीलीटर) के साथ छिड़काव प्रारंभ करें.
- एक उपयुक्त संदंश के साथ कपाल तिजोरी खोलकर खोपड़ी से मस्तिष्क निकालें और एक 10% formalin समाधान में मस्तिष्क जगह है.
- एक सप्ताह के बाद, एक सूक्ष्म (10 माइक्रोन मोटाई) द्वारा ऊतकीय स्लाइस तैयार करते हैं.
- Cresyl बैंगनी समाधान के साथ मस्तिष्क राज्याभिषेक और बाण के समान वर्गों दाग.
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Representative Results
टिप भ्रमण सुविधाओं
प्रस्तावित उत्तेजक डिवाइस के dynamical गुण विशेषताएँ, प्रयोगों की एक श्रृंखला की स्थापना की थी. एक सिलिकॉन phototransistor के साथ मिलकर उत्सर्जक डायोड अवरक्त एक गैलियम आर्सेनाइड के होते हैं, जो एक विशेष उपकरण टिप विस्थापन, विस्थापन अवधि और संभव विस्थापन देरी का आकलन किया गया था. इस ऑप्टिकल टोकनेवाला स्विच के माध्यम से हम उत्सर्जक डायोड छेद (ऊंचाई = 1 मिमी) के किनारे पर उत्तेजक टिप रखा और microcontroller और phototransistor outputs दोनों दर्ज किए गए. रखने की प्रक्रिया 1 मिमी की एक अधिकतम संकल्प के साथ एक microstepper डिवाइस से मदद की थी.
उपकरणों की प्रतिक्रिया चित्रा 2A में दिखाया गया. लाल रेखा टिप विस्थापन की सही शुरुआत इंगित करता है जो microcontroller प्रतिक्रिया द्वारा पीछा phototransistor प्रतिक्रिया का प्रतिनिधित्व करता है. विशेष रूप से, एक व्यवस्थित देरी के कारण commut कोations बहुतायत से वांछित समय परिशुद्धता (1 मिसे) से नीचे के रूप में जिसके परिणामस्वरूप (चित्रा 2B, 100 परीक्षणों में = 583 μsec मतलब है) वर्तमान और मात्रा निर्धारित किया गया था. अंत में, हम चित्रा -2 में दिखाया के रूप में औसतन 3.96 मिसे की थी कि टिप विस्थापन अवधि मापा.
LFP और स्पाइक संबंध कब्जा करने के लिए यादृच्छिक बनती पल्स प्रोटोकॉल
LFP और spikes के बीच संबंध को समझने के लिए, हम पहली बार दोनों संकेतों से तेज और विश्वसनीय प्रतिक्रियाओं का आह्वान कर सकते हैं कि एक उत्तेजना डिवाइस उत्पन्न करने के लिए निकल पड़े. चित्रा 3A डिवाइस spiking गतिविधि का एक मॉडुलन उकसाया सुनिश्चित करना है कि अंतर - उत्तेजना अंतराल वितरण से पता चलता है. युक्ति विवरण और कामकाज नयाचार अनुभाग में विस्तृत है.
आंकड़े 3 बी और 3 सी में एक प्रतिनिधि न्यूरॉन के लिए LFP और कील प्रतिक्रियाओं क्रमशः, दिखाए जाते हैं. म्युचुअल सूचित मापने के द्वाराLFPs के लिए spikes और SNR के लिए समझना (आंकड़े -4 ए और 4 बी) यह दोनों प्रोत्साहन घटना के बारे में जानकारी का एक पर्याप्त राशि सांकेतिक शब्दों में स्पष्ट था कि.
दिलचस्प बात यह है LFPs और spikes भी उत्तेजना इतिहास (आंकड़े 4C-ई) के बारे में जानकारी प्रदान की. वास्तविक उत्तेजना एक छोटे से पर्याप्त अंतर - उत्तेजना अंतराल (आंकड़े 4C और 4D) के साथ पिछले एक आवेग से पहले किया गया था जब विशेष रूप से LFP प्रतिक्रियाएं काफी कम हो गई थी. काफी कम मूल्यों (चित्रा 4E) का प्रदर्शन किया हालांकि उत्तेजना इतिहास के neuronal कोडिंग सकारात्मक एमआई के साथ सहसंबद्ध.
हम तो LFP संकेत के बेहतर कील प्रतिक्रिया के साथ सहसंबंधी जो सुविधाओं पूछा. एक प्रारंभिक विश्लेषण के बाद जोरदार औसत कील प्रतिक्रिया के साथ सहसंबंधी कि तीन LFP सुविधाओं की पहचान की गई: औसत LFP, उसके व्युत्पन्न और LFP व्युत्पन्न के चरण ( LFPs के आधार पर स्पाइक भविष्यवाणी के लिए एक बहु उद्देश्य रणनीति स्पाइक गाड़ियों आमतौर पर कई timescales पर महत्वपूर्ण सहसंबंध है कि प्रदर्शन के जटिल अस्थायी संरचना है. तो, neuronal प्रतिक्रिया के पहलुओं जो LFPs द्वारा कब्जा कर रहे हैं? LFP-कील संबंध की समझ की जांच के लिए एक अच्छा टेस्ट spikes सिर्फ LFP संकेत को देखकर उम्मीद के मुताबिक रहे हैं कि कैसे अच्छी तरह से पूछना है. इसलिए, (चित्रा 4F देखें) LFP सुविधाओं के ऊपर सेट का उपयोग करके, उद्देश्य किसी भी समय, इन सुविधाओं के मूल्यों को पढ़ता है और एक कील की घटना के बारे में एक द्विआधारी भविष्यवाणी उत्पन्न करता है, एक भविष्य कहनेवाला मॉडल का निर्माण करना था. एक कील भविष्यवाणी मॉडल की फिटिंग से संबंधित एक गंभीर समस्या एक उपयुक्त उद्देश्य समारोह की पसंद से गठन किया जाता है. सबसे आम विकल्प पियर्सन गुणांक और जुटना समारोह 5 हैं. Interesting विकल्प कील मेट्रिक्स 6 द्वारा प्रदान की जाती हैं. पहले दो उपायों औसत neuronal प्रतिक्रियाओं पर आधारित हैं और इसलिए कील ट्रेनों की पूरी संरचना पर कब्जा नहीं है, उत्तरार्द्ध फिटिंग प्रयोजनों के लिए व्यावहारिक computationally मांग की और नहीं है. बहु - उद्देश्य अनुकूलन पर आधारित एक वैकल्पिक समाधान का प्रस्ताव है. विचार संयुक्त रूप से अधिक उद्देश्यों कार्यों (इसके बाद बस बुलाया उद्देश्यों) को कम करने के लिए है. इन उद्देश्यों को computationally गणना करने के लिए कुशल और neuronal प्रतिक्रिया के विभिन्न पहलुओं पर कब्जा करने में सक्षम होना चाहिए. Pareto optimality की अवधारणा का उपयोग करके हम तो मॉडल का एक सेट, इन उद्देश्यों के बीच विशिष्ट व्यापार नापसंद के लिए अनुकूलित प्रत्येक पा सकते हैं. Pareto इष्टतम सतहों अनुमान लगाने के लिए आदेश में NSGAII एल्गोरिथ्म 12 इस्तेमाल किया गया था. औसत प्रतिक्रियाओं, एक परीक्षण करने के लिए परीक्षण पर दूरी के आधार पर एक स्थानीय एक में दूरी के आधार पर एक वैश्विक एक: हम तीन उद्देश्य कार्यों की पहचान कीआधार और मॉडल की जटिलता penalizes कि एक अतिरिक्त उद्देश्य (सापेक्ष नयाचार अनुभाग देखें). हमारे डाटासेट से एक प्रतिनिधि न्यूरॉन फिटिंग द्वारा प्राप्त परिणामों आंकड़े 5A और 5B में दिखाया गया. चित्रा 5A वैश्विक दूरी (पीएफ) और मॉडल और सच प्रतिक्रियाओं के बीच स्थानीय दूरी (एस) की रिपोर्ट. कोई मॉडल दोनों दूरी में किसी भी अन्य की तुलना में बेहतर या बदतर है कि प्रत्येक मॉडल के लिए दूरी एक परेटो अर्थ में इष्टतम संभव है. इसी सिद्धांत को संयुक्त रूप से (चित्रा 5 ब) माना सभी तीन दूरी के लिए रखती है. एक एकल के इष्टतम मॉडल का एक सेट के आकलन द्वारा दिए गए एक मुख्य लाभ यह निर्दिष्ट उद्देश्यों के बीच इष्टतम व्यापार नापसंद के आधार पर अलग अलग मॉडल,, सच neuronal प्रतिक्रिया के विभिन्न पहलुओं पर कब्जा है में निहित है. यह आंकड़ा 6 में दिखाया गया है जहां मूल रेखापुंज diagस्थानीय दूरी कब्जा neuronal प्रतिक्रियाओं (आंकड़े 6B और 6E के सबसे विश्वसनीय चरण कि कम से कम मॉडल: मेढ़े (आंकड़े 6A और 6D) और भविष्यवाणी लोगों (आंकड़े 6B, 6C, 6E, और 6f) दो प्रतिनिधि न्यूरॉन्स से रिपोर्ट कर रहे हैं ) स्थानीय और वैश्विक दूरी के बीच एक उचित व्यापार बंद पर आधारित मॉडल बेहतर पूरे अस्थायी रेंज (0-50 मिसे से अधिक न्यूरॉन परिवर्तनशीलता और सहज फायरिंग पर कब्जा है, जबकि) 6C और 6F रु. 
चित्रा 1. चालक सर्किट की (ए) योजनाबद्ध. मुख्य घटक एक L293D एच पुल है. microcontroller के आदेशों पी में वितरित कर रहे हैं आईएनएस डी 1 और डी 2. (बी) के प्रकाश यांत्रिक उत्तेजना के लिए टिप आंदोलनों पा लिया. ग्राफ पेपर पर ग्रिड आकार 1 मिमी है. बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें . 
चित्रा 2. विस्थापन सुविधाओं हैं. Microcontroller (ब्लू लाइन) की और phototransistor (लाल रेखा) (ए) outputs. हरे रंग की खड़ी लाइन 0 पर सेट है टिप विस्थापन की शुरुआत का संकेत है. (बी) के प्रभावी टिप विस्थापन देरी की संभावना वितरण 100 से अधिक परीक्षण प्राप्त की. (सी) 100 परीक्षणों में औसतन टिप विस्थापन की अवधि की संभावना वितरण./ Ftp_upload/50941/50941fig2highres.jpg "लक्ष्य =" _blank "> बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें. 
चित्रा 3. (ए) की अंतर प्रोत्साहन अंतराल वितरण. (बी, सी) उत्तेजनाओं "हवा पर" (रेंज 1000 से 1200 के परीक्षणों में दोनों रेखांकन के ऊपर देखें) प्रतिक्रियाओं का आह्वान नहीं है. प्रोत्साहन शुरुआत (भुज पर समय 0) से देरी की 40 मिसे स्पष्ट प्रतिक्रियाओं मनाया जा सकता है - 15 के बीच जहां 1000, 0 से (तालमेल कुल्हाड़ियों पर) सही प्रोत्साहन मुकदमा चलाने के लिए उन्हें तुलना कर लें. (सी) में साजिश कील प्रतिक्रिया को संदर्भित करता है, जबकि (बी) में साजिश LFP प्रतिक्रिया को दर्शाता है. सही सबसे चित्रा की शाफ़्ट में, पदों ("बड़े पैर", "द्वितीय", & # रहे हैं34;. चूहों के पिछले अंग पर उत्तेजनाओं की तृतीय ", आदि) बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें . 
अलग अलग अंक के साथ समय के एक समारोह के रूप में चित्रा 4. (ए, बी) आपसी जानकारी और LFP SNR. (सी) LFP सामान्यीकृत मूल्यों के बाद कम (<100 मिसे) और लंबी (> 300 मिसे) इंटर प्रोत्साहन अंतराल (IStimI) . (डी) लंबी और छोटी IStimI बाद LFP प्रतिक्रियाओं की औसत बिजली. प्रत्येक डॉट एक अलग रिकॉर्डिंग का प्रतिनिधित्व करता है. (ई) प्रोत्साहन घटना (आईमैक्स) के बारे में सबसे बड़ी एमआई मूल्यों के एक समारोह के रूप में मील के बारे में लंबे / कम IStimI. प्रत्येक डॉट विज्ञापन का प्रतिनिधित्व करता हैistinct न्यूरॉन. (एफ) एक प्रतिनिधि न्यूरॉन की PSTH अच्छी तरह LFP प्रतिक्रिया की तीन सुविधाओं के साथ संबद्ध:. औसत कच्चा संकेत, औसत व्युत्पन्न और व्युत्पन्न के चरण बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें . 
चित्रा 5. एक प्रतिनिधि न्यूरॉन के लिए भविष्यवाणी की है और सच प्रतिक्रियाओं के बीच (ए, बी) स्थानीय और वैश्विक दूरी. (बी) के संयुक्त मूल्यांकन तीन दूरी के लिए. Pareto इष्टतम समाधान NSGAII कलन विधि का उपयोग कर अनुमान लगाया गया था. बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .
चित्रा 6. दो प्रतिनिधि न्यूरॉन्स के लिए यह सच है (ए, डी) और अनुमानित (बी, सी और ई, एफ क्रमशः) के हिमायती हैं. एक्स, वाई, जेड क्रमशः कच्चे LFP संकेत, उसके व्युत्पन्न और उसके व्युत्पन्न के चरण का प्रतिनिधित्व करते हैं. बड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें छवि .
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Discussion
यह काम सबसे पहले तेजी से और स्थानिक बिंदु की तरह संवेदी उत्तेजनाओं देने के लिए सक्रिय करने, नया सरल और कम लागत वाली डिवाइस को प्रस्तुत किया. फिर एक यादृच्छिक बनती पल्स उत्तेजना प्रोटोकॉल और कम्प्यूटेशनल विश्लेषण का एक सेट मान्य किया गया. समग्र लक्ष्य स्पर्श उत्तेजना के दौरान electrophysiological रिकॉर्डिंग में LFP-कील संबंधों के आकलन के लिए एक ढांचा स्थापित करने के लिए था.
डिवाइस, प्रोटोकॉल और विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण संयुक्त रूप से अर्थात् LFP करने वाली कील बदलाव का वर्णन है और भविष्यवाणी करने में सक्षम एक नियतात्मक दृष्टिकोण का पहला प्रदर्शन, एक तंत्रिका प्रक्रिया अभी भी खराब है 1 समझा है, परिणाम के लिए योगदान दिया.
एक महत्वपूर्ण बिंदु ताकत और धूल से टोपी से खींच लिया टिप भ्रमण की लंबाई को नियंत्रित करता है जो प्रोग्राम microcontroller बोर्ड के उपयुक्त सेटिंग द्वारा प्रतिनिधित्व किया था. विश्वसनीय उच्च आवृत्ति उत्तेजनाओं और अपेक्षाकृत बड़े displa की अनुमति के लिए एक उपयुक्त समाधानसीमेंट्स परिणाम अनुभाग में वर्णित किया गया है. यह यांत्रिक प्रतिध्वनि की विशिष्ट समस्या से बच गया और यह अपेक्षाकृत बड़ा टिप विस्थापन की अनुमति दी: piezoelectric पारंपरिक की तुलना में इस उपकरण में दो मुख्य लाभ प्रदान की actuators.
S1 प्रांतस्था में न्यूरॉन्स स्पर्श उत्तेजना से 8 बड़े ग्रहणशील क्षेत्रों और तेजी से प्रतिक्रिया व्यक्त करने के लिए जाना जाता है. उत्तेजनाओं की तरह तेजी, आवेग बेहतर सतही और गहरे दोनों त्वचा रिसेप्टर्स (जैसे मार्केल या Pacinian कॉर्पुसल्स) 2 की भर्ती करने के लिए अनुकूल है, और वक्त एक रियायत के तौर पर इन अलग रिसेप्टर वर्गों में से एक की भर्ती कर सकता प्रोत्साहन मानकों (तीव्रता, अवधि, रैंप derivate) बदल रहे हैं . बेतरतीब बनती पल्स प्रोटोकॉल आमतौर पर आवधिक उत्तेजनाओं के दौरान होता है कि घटना उत्तेजना neuronal दोलनों के भविष्य कहनेवाला entrainment को कम करने के उद्देश्य से किया गया था. दूसरी ओर बनती दालों के बीच चर अंतराल हमें एक स्पष्ट dependenc निकालने की अनुमति दीउत्तेजना के इतिहास पर ई. संरचना के आकलन और हम गैर बहुल छंटनी आनुवंशिक एल्गोरिथ्म द्वितीय या NSGAII 12 नामक एक प्रसिद्ध बहु - उद्देश्य अनुकूलन एल्गोरिथ्म पर भरोसा हमारे भविष्य कहनेवाला मॉडल के पैरामीटर के लिए. कील घटना के लिए एक भविष्य कहनेवाला मॉडल फिटिंग में एक मुख्य समस्या असली कील गाड़ियों की जटिल अस्थायी संरचना में निर्भर करता है. भविष्यवाणी की है और सच कील ट्रेनों के बीच की दूरी को मापने के लिए एक computationally महंगा कार्य 6 साबित हो गया है. NSGAII, एक बहु - उद्देश्य अनुकूलन एल्गोरिथ्म, का उपयोग एकाधिक, computationally कुशल दूरी में समस्या टूट के लिए अनुमति देता है.
हम भविष्यवाणी की है और सच कील गाड़ियों के बीच दूरी के अनुसार प्रतिनिधित्व भविष्यवाणी में त्रुटि यों की जरूरत है एक मॉडल की अच्छाई का मूल्यांकन करने के लिए. मॉडल भविष्यवाणियों का मूल्यांकन करने के लिए दो मुख्य मापदंड को ध्यान में रखा गया. फिटिंग प्रक्रिया मॉडल का एक सेट के बजाय एक भी लौट आए. दिलचस्प बात यह है कि प्रत्येक मॉडल मैंn सेट मूल कील ट्रेनों के विभिन्न पहलुओं पर कब्जा करने के लिए लग रहा था.
अंत में, संयुक्त रूप से अनुकूलित उत्तेजना डिवाइस, प्रोटोकॉल पर आधारित विश्लेषण और विकसित ढांचा, LFP-कील संबंध में आगे अंतर्दृष्टि हासिल करने के लिए और प्रोग्रामिंग कुशल मस्तिष्क की मशीन इंटरफेस और neuroprosthetics के लिए मौजूदा रणनीति को सुधारने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.
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Disclosures
लेखक कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की घोषणा.
Acknowledgments
एस.एन. और AGZ PON 01-01297 VIRTUALAB निधियों द्वारा समर्थित थे.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Microstepper | AB Transvertex (Stockholm, Sweden) | The microstepper used to pull down the electrode matrix | |
| 32-channel Cheetah System | Neuralynx (MT, USA) | The electrophysiological recording system | |
| L293D h-bridge | RS Components (Cinisello Balsamo, Italy) | The bridge used to connect the microcontroller to the speaker | |
| H21A3 Optical Interrupter Switch | Fairchild Semiconductor Corporation (San Jose, California) | The phototransistor used to estabilish the tip displacement | |
| Arduino Uno | Arduino (Duemilanove, Italy) | The microcontroller used to deliver current pulse to the speaker | |
| Microelectrode Matrices GB1 | FHC | ||
| Isoflurane | Rhodia Organique Fine Ltd. | The anesthetic used to prepare animals | |
| Stereotaxic apparatus | Narishighe (Tokyo, Japan) | ||
| Sprague-Dawley male rats | Charles River (Calco, LC, Italy) | ||
| Gallamine thriethiodide | Sigma-Aldrich | The compound used to curarize the animals | |
| Cresyl violet | Sigma-Aldrich | ||
| Topical antiseptics (Betadine 10%) | Meda Pharma (Milanm Italy) | ||
| Heparine | Sigma-Aldrich | ||
| Formaldehyde | Carlo Erba Reagents (Pomigliano Milanese, Milan, Italy) |
References
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