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Suivi oculaire simultané et enregistrements à un seul neurone chez les patients atteints d'épilepsie humaine

Published: June 17, 2019 doi: 10.3791/59117

Summary

Nous décrivons une méthode pour mener des enregistrements d'un seul neurone avec le suivi oculaire simultané chez l'homme. Nous démontrons l'utilité de cette méthode et illustrons comment nous avons utilisé cette approche pour obtenir des neurones dans le lobe temporal médial humain qui codent les cibles d'une recherche visuelle.

Abstract

Les enregistrements intracrâniens de patients présentant l'épilepsie insurmontable fournissent une occasion unique d'étudier l'activité des neurones humains individuels pendant le comportement actif. Un outil important pour quantifier le comportement est le suivi oculaire, qui est un outil indispensable pour étudier l'attention visuelle. Cependant, le suivi des yeux est difficile à utiliser en même temps que l'électrophysiologie invasive et cette approche a par conséquent été peu utilisée. Ici, nous présentons un protocole expérimental prouvé pour mener des enregistrements d'un seul neurone avec le suivi oculaire simultané chez l'homme. Nous décrivons comment les systèmes sont connectés et les paramètres optimaux pour enregistrer les neurones et les mouvements oculaires. Pour illustrer l'utilité de cette méthode, nous résumons les résultats qui ont été rendus possibles par cette configuration. Ces données montrent comment l'utilisation du suivi des yeux dans une tâche de recherche visuelle guidée par la mémoire nous a permis de décrire une nouvelle classe de neurones appelés neurones cibles, dont la réponse était le reflet de l'attention de haut en bas à la cible de recherche actuelle. Enfin, nous discutons de l'importance et des solutions aux problèmes potentiels de cette configuration. Ensemble, notre protocole et nos résultats suggèrent que les enregistrements mononeuron avec suivi oculaire simultané chez l'homme sont une méthode efficace pour étudier la fonction cérébrale humaine. Il fournit un lien manquant clé entre la neurophysiologie animale et les neurosciences cognitives humaines.

Introduction

Les enregistrements humains à un seul neurone sont un outil unique et puissant pour explorer la fonction du cerveau humain avec une résolution spatiale et temporelle extraordinaire1. Récemment, les enregistrements mononeuron ont gagné une large utilisation dans le domaine des neurosciences cognitives parce qu'ils permettent l'étude directe des processus cognitifs centraux à la cognition humaine. Ces enregistrements sont rendus possibles par la nécessité clinique de déterminer la position des foyers épileptiques, pour lesquels des électrodes de profondeur sont temporairement implantées dans le cerveau des patients présentant l'épilepsie focale suspectée. Avec cette configuration, des enregistrements mononeuron peuvent être obtenus à l'aide de microfils dépassant de la pointe de l'électrode de profondeur hybride (une description détaillée de la méthodologie chirurgicale impliquée dans l'insertion d'électrodes de profondeur hybrides est fournie dans le précédent protocole2). Entre autres, cette méthode a été utilisée pour étudier la mémoire humaine3,4, émotion5,6, et l'attention7,8.

Le suivi des yeux mesure la position du regard et les mouvements oculaires (fixations et saccades) pendant les tâches cognitives. Les traqueurs oculaires basés sur la vidéo utilisent généralement la réflexion cornéenne et le centre de la pupille comme caractéristiques à suivre au fil du temps9. Le suivi des yeux est une méthode importante pour étudier l'attention visuelle parce que l'emplacement du regard indique l'attention pendant la plupart des comportements naturels10,11,12. Le suivi des yeux a été largement utilisé pour étudier l'attention visuelle chez les individus en bonne santé13 et les populations neurologiques14,15,16.

Tandis que les enregistrements d'un seul neurone et le suivi d'oeil sont individuellement employés intensivement chez l'homme, peu d'études ont employé les deux simultanément. En conséquence, il reste encore largement inconnu comment les neurones dans le cerveau humain répondent aux mouvements oculaires et / ou si elles sont sensibles à la stimulation actuellement fixé. Cela contraste avec les études avec des macaques, où le suivi des yeux avec des enregistrements simultanés à un seul neurone est devenu un outil standard. Afin d'étudier directement la réponse neuronale aux mouvements oculaires, nous avons combiné les enregistrements humains d'un seul neurone et le suivi des yeux. Ici, nous décrivons le protocole pour mener de telles expériences et ensuite illustrer les résultats à travers un exemple concret.

Malgré le rôle établi du lobe temporal médial humain (MTL) dans la représentation d'objet17,18 et la mémoire3,19, on reste largement inconnu si les neurones MTL sont modulés en fonction de l'attention descendante aux objectifs pertinents sur le plan comportemental. L'étude de ces neurones est importante pour commencer à comprendre comment l'information pertinente sur les objectifs influence les processus visuels ascendants. Ici, nous démontrons l'utilité du suivi des yeux tout en enregistrant les neurones à l'aide de la recherche visuelle guidée, un paradigme bien connu pour étudier le comportement orienté objectif20,21,22,23, 24 Ans, états-unis , 25. En utilisant cette méthode, nous avons récemment décrit une classe de neurones appelés neurones cibles, ce qui indique si le stimulus actuellement assisté est l'objectif d'une recherche en cours8. Dans ce qui est ci-dessous, nous présentons le protocole d'étude nécessaire pour reproduire cette étude scientifique précédente. Notez que le long de cet exemple, le protocole peut facilement être ajusté pour étudier une tâche d'attention visuelle arbitraire.

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Protocol

1. Participants

  1. Recruter des patients neurochirurgicaux atteints d'épilepsie insurmontable qui subissent un placement d'électrodes intracrâniennes pour localiser leurs crises d'épilepsie.
  2. Insérez des électrodes de profondeur avec des microfils intégrés dans tous les endroits cibles cliniquement indiqués, qui comprennent généralement un sous-ensemble d'amygdale, d'hippocampe, de cortex cingulaire antérieur et de zone motrice pré-supplémentaire. Voir les détails de l'implantation dans notre protocole précédent2.
  3. Une fois que le patient retourne à l'unité de surveillance de l'épilepsie, connectez l'équipement d'enregistrement pour les enregistrements macro et micro-. Cela comprend la préparation minutieuse d'un head-wrap qui comprend des étapes de tête (voir notre description précédente pour plus de détails2). Ensuite, attendez que le patient se rétablisse de la chirurgie et effectue des tests lorsque le patient est complètement éveillé (généralement au moins 36 à 48 h après la chirurgie).

2. Configuration expérimentale

  1. Connectez l'ordinateur de stimulation au système d'électrophysiologie et au suivi des yeux suivant le diagramme de la figure 1.
  2. Utilisez le système de suivi oculaire infrarouge non invasif à distance (voir tableau des matériaux). Placez le système de suivi des yeux sur un chariot mobile robuste (Figure 1A, B). Au même chariot, attachez un bras flexible qui contient un écran LCD. Utilisez le mode à distance pour suivre la tête et les yeux des patients.
  3. Placez une alimentation sans interruption entièrement chargée (UPS) sur le chariot de suivi oculaire et connectez tous les appareils liés au suivi oculaire (c.-à-d., LCD devant le patient, caméra de suivi des yeux et source lumineuse, et ordinateur hôte de suivi des yeux) à l'ONDu plutôt qu'à une puissance externe source.
  4. Ajuster la distance entre le patient et l'écran LCD à 60-70 cm et ajuster l'angle de l'écran LCD de sorte que la surface de l'écran est approximativement parallèle au visage du patient. Ajustez la hauteur de l'écran par rapport à la tête du patient de telle sorte que la caméra du traqueur oculaire est approximativement à la hauteur du nez du patient.
  5. Fournir au patient la boîte à boutons ou le clavier. Vérifier que les déclencheurs (TTL) et la presse bouton sont enregistrés correctement avant de commencer l'expérience.

3. Enregistrement mononeuron

  1. Démarrer le logiciel d'acquisition. Tout d'abord, inspecter visuellement les potentiels locaux de terrain à large bande (0,1 Hz - 8 kHz) et s'assurer qu'ils ne sont pas contaminés par le bruit de la ligne. Sinon, suivez les procédures standard pour éliminer le bruit (voir Discussion).
  2. Pour identifier les neurones uniques, le passage de bande filtre le signal (300 Hz - 8 KHz). Sélectionnez l'un des huit microfils comme référence pour chaque faisceau de microfils. Testez différentes références et ajustez la référence de sorte que (1) les 7 autres canaux montrent des neurones clairs, et (2) la référence ne contient pas de neurones. Définir la plage d'entrée pour qu'elle soit de 2 000 v.
  3. Activer l'enregistrement des données sous forme de fichier NRD (c.-à-d. le fichier de données brutes à large bande qui sera utilisé pour le tri de pointe hors ligne ultérieure) avant d'enregistrer des données. Fixer le taux d'échantillonnage à 32 kHz.

4. Suivi des yeux

  1. Démarrer le logiciel de suivi des yeux. Parce qu'il s'agit d'un système sans fixation de la tête, placez l'autocollant sur le front du patient afin que le traqueur oculaire puisse s'ajuster pour les mouvements de la tête.
  2. Ajuster la distance et l'angle entre le traqueur oculaire et le patient de sorte que le marqueur cible, la distance de la tête, la pupille et la réflexion cornéenne (CR) soient marqués comme étant prêts (comme le montre en vert dans le logiciel de suivi des yeux; Figure 2 montre un bon exemple d'écran de configuration de la caméra). Cliquez sur l'œil à enregistrer et fixez le taux d'échantillonnage à 500 Hz.
  3. Utilisez l'auto-ajustement de la pupille et le seuil CR. Pour les patients portant des lunettes, ajustez la position et/ou l'angle de l'illuminateur et de la caméra afin que les reflets du verre n'interfèrent pas avec l'acquisition de la pupille.
  4. Calibrer le eye tracker avec la méthode de grille à 9 points intégrée au début de chaque bloc. Confirmez que les positions des yeux (indiquées comme « ô ») s'inscrivent bien comme une grille de 9 points. Sinon, refaites l'étalonnage.
  5. Acceptez l'étalonnage et faites la validation. Acceptez la validation si l'erreur de validation maximale est de 2 euros et que l'erreur de validation moyenne est de 1 .lt. Sinon, refaites la validation.
  6. Ne correction de dérive et de procéder à l'expérience réelle.

5. Tâche

  1. Dans cette tâche de recherche visuelle, utilisez les stimuli de notre étude précédente14 et suivez la procédure de tâche telle que décrite avant8.
  2. Fournir des instructions de tâche aux participants. Demandez aux participants de trouver l'élément cible dans le tableau de recherche et répondez dès que possible. Demandez aux participants d'appuyer sur le bouton gauche d'une boîte de réponse (voir Tableau des matériaux)s'ils trouvent la cible et le bouton droit s'ils pensent que la cible est absente. Instruire explicitement les participants qu'il y aura des essais ciblés et absents.
  3. Démarrer le logiciel de présentation de stimulus (voir Tableau des matériaux) et exécuter la tâche: Présentez un signal cible pour 1 s et présentez le tableau de recherche à l'aide du logiciel de présentation de stimulus. Enregistrez les presses bouton et fournissez des commentaires d'essai par essai (correct, incorrect ou time Out) aux participants.

6. Analyse des données

  1. Étant donné que les systèmes d'acquisition et de suivi des yeux fonctionnent sur différentes horloges, utilisez le fichier journal comportemental pour trouver le horodatage d'alignement pour l'enregistrement de l'électrophysiologie et le suivi des yeux. Associez les déclencheurs de l'enregistrement de l'électrophysiologie et du suivi des yeux avant de procéder à une analyse plus approfondie. Extraire des segments de données selon les horodateurs et les fenêtres d'analyse séparément pour l'enregistrement de l'électrophysiologie et le suivi des yeux.
  2. Utilisez l'algorithme de correspondance de modèle semi-automatique Osort26 et suivez les étapes décrites avant2,26 pour identifier les neurones uniques putatifs. Évaluer la qualité du tri avant de passer à une analyse plus approfondie2.
  3. Pour analyser les données sur les mouvements oculaires, convertissez d'abord les données EDF du tracker oculaire en format ASCII. Aussi, extraire les fixations et les saccades. Ensuite, importez le fichier ASCII et enregistrez les informations suivantes dans un fichier MAT : (1) horodateurs, (2) coordonnées oculaires (x,y), (3) taille de la pupille et (4) horodateurs d'événements. Parsélez l'enregistrement continu dans chaque essai.
  4. Suivez les procédures précédemment décrites pour analyser la corrélation entre les pointes et le comportement8.

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Representative Results

Pour illustrer l'utilisation de la méthode susmentionnée, nous décrivons ensuite brièvement un cas d'utilisation que nous avons récemment publié8. Nous avons enregistré 228 neurones simples du lobe temporal médial humain (MTL; amygdale et hippocampe) pendant que les patients effectuaient une tâche de recherche visuelle (Figure 3A, B). Au cours de cette tâche, nous avons étudié si l'activité des neurones différenciait entre les fixations sur les cibles et les distrayants.

Tout d'abord, lorsque nous avons aligné les réponses à la pression sur le bouton, des neurones ont été trouvés qui montraient une activité différentielle entre les essais à la cible présente et les essais non ciblés (figure3C, D). Fait important, avec le suivi oculaire simultané, l'analyse basée sur la fixation a été effectuée. Pour sélectionner ces neurones cibles, le taux de tir moyen dans une fenêtre de temps commençant 200 ms avant le début de fixation et la fin de 200 ms après compensation de fixation (début suivant de saccade) a été employé. Un sous-ensemble de neurones MTL (50/228; 21,9%; binomial P et lt; 10-20) a montré des activités significativement différentes entre les fixations sur les cibles par rapport aux distrayants (Figure 3E, F). En outre, un type de ce neurone cible a eu une plus grande réponse aux cibles par rapport aux distrayants (cible-préférant ; 27/50 neurones ; Figure 3E) considérant que l'autre avait une plus grande réponse aux distractionurs par rapport aux cibles (distraction-préférant; 23/50; Figure 3F). Ensemble, ce résultat démontre qu'un sous-ensemble de neurones MTL code si la fixation actuelle a atterri sur une cible ou non.

Le processus dynamique de recherche visuelle est démontré dans Movie 1.

Figure 1
Figure 1. Configuration expérimentale. (A) Les panneaux de gauche montrent une esquisse des connexions entre les différents systèmes. L'ordinateur de stimulus sert de contrôleur central. Il se connecte au système d'électrophysiologie à travers le port parallèle et envoie des impulsions TTL comme déclencheurs. L'ordinateur de stimulus se connecte au système de suivi des yeux à l'aide d'un câble Ethernet, sur lequel il envoie des messages texte au traqueur oculaire et reçoit la position de regard en ligne. L'ordinateur de stimulus présente également des stimuli sur l'écran de stimulus (VGA) et reçoit une réponse du patient à partir d'une boîte à boutons USB ou un clavier. Les lignes bleues montrent les connexions entre les appareils et les flèches indiquent la direction de la communication entre les appareils. Le panneau droit affiche le flux de signal entre les systèmes et les données enregistrées dans chaque système. (B) Configuration d'un exemple avec les parties clés du système étiquetées. (C) Système d'électrophysiologie. (D) Station d'amarrage qui a le port parallèle et le port d'Ethernet. (E) UPS pour le système d'électrophysiologie (à gauche) et le système de suivi oculaire (à droite). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2. Exemple d'écran de configuration de la caméra eye tracker. La boîte de délimitation des marqueurs cibles, la boîte de délimitation des yeux, la distance de la tête, la pupille et la réflexion cornéenne (CR) doivent être marquées comme vertes et/ou « OK » avant de procéder. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3. Exemple de résultats. (A) Tâche. Le repère de recherche a été présenté pour les 1, immédiatement suivi par le tableau de recherche. Les participants ont reçu l'instruction d'indiquer par la presse à boutons si la cible est présente ou absente (temps d'arrêt 14s). La rétroaction d'essai par essai est donnée immédiatement après la presse bouton («Correct», «Incorrect» ou «Time Out»), suivie d'un écran blanc pour 1-2 s. (B) Exemple de tableaux de recherche visuelle avec des fixations indiquées. Chaque cercle représente une fixation. Cercle vert : première fixation. Cercle Magenta : dernière fixation. Ligne jaune: saccades. Point bleu : position brute de regard. Boîte rouge : cible. (C-F) Exemples de neurones uniques. (C-D) Exemples alignés sur la pression. (C) Le neurone qui a augmenté son taux de tir pour les essais ciblés, mais pas pour les essais non ciblés. (D) Le neurone qui a diminué son taux de tir pour les essais ciblés, mais pas pour les essais non ciblés. Les essais sont alignés sur la pression sur le bouton (ligne grise) et sont triés par temps de réaction. Les lignes noires représentent le début et le décalage du repère de recherche (durée de 1 s). L'enset affiche les formes d'onde pour chaque unité. L'astérisque indique une différence significative entre les essais ciblés présents et absents dans ce bac (P lt; 0,05, t-test à deux queues, Bonferroni-corrigé; taille du bac de 250 ms). La zone ombragée désigne le SEM dans les essais. (E-F) Exemples alignés sur la fixation. t-0 est le commencement de fixation. (E) Le neurone qui a augmenté son taux de tir lors de la fixation sur les cibles, mais pas distrayants (le même neurone que (C)). (F) Le neurone qui a diminué son taux de tir lors de la fixation sur les cibles, mais pas distrayants (le même neurone que (D)). Les fixations sont triées par durée de fixation (la ligne noire indique le début de la prochaine saccade). L'astérisque indique une différence significative entre les fixations sur les cibles et les distrayants dans ce bac (P lt; 0,05, t-test à deux queues, Bonferroni-corrigé; taille du bac de 50 ms). Ce chiffre a été modifié avec la permission de8. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Movie 1
Film 1. Essais typiques de recherche visuelle avec des réponses à partir d'un seul neurone cible. Dans les essais ciblés, ce neurone a augmenté son taux de tir indépendamment de l'identité du signal. Le point jaune désigne la position des yeux. Les barres verticales jaunes en bas sont des marqueurs d'événements (c.-à-d. le début de la queue, l'arrivée du tableau et l'encours inter-essais). Les barres verticales rouges en bas montrent les pointes, qui sont également jouées sous forme de son. La boîte pointillée rouge indique l'emplacement de la cible de recherche (non indiquée aux participants). Veuillez cliquer ici pour visionner cette vidéo. (Clic droit pour télécharger.)

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Discussion

Dans ce protocole, nous avons décrit comment employer des enregistrements d'un seul neurone avec le suivi d'oeil concomitant et décrit comment nous avons employé cette méthode pour identifier des neurones cibles dans le MTL humain.

La configuration implique trois ordinateurs : l'un exécutant la tâche (ordinateur de stimulation), un exécutant le traqueur d'oeil, et un exécutant le système d'acquisition. Pour synchroniser entre les trois systèmes, le port parallèle est utilisé pour envoyer des déclencheurs TTL de l'ordinateur de stimulation au système d'électrophysiologie (Figure 1C). Dans le même temps, l'ordinateur de stimulus envoie les mêmes TTL à l'aide d'un câble ethernet au traqueur oculaire. L'ordinateur de stimulus doit avoir un port parallèle sur sa station d'amarrage dans l'exemple montré (Figure 1D), ou bien, avoir une carte de port parallèle PCI Express ou un dispositif similaire.

Le chariot mobile pour l'ordinateur de stimulus et le traqueur d'oeil avec le bras flexible attaché permet le positionnement flexible de l'écran devant le patient (figure 1A,B). L'utilisation d'un UPS pour alimenter les appareils sur le chariot est fortement suggérée pour éliminer le bruit de ligne introduit dans les enregistrements électrophysiologiques en raison de la proximité des dispositifs de suivi oculaire à la tête du patient (Figure 1E). En outre, les ordinateurs portables fonctionnant sur la puissance de la batterie doivent être utilisés comme ordinateur de stimulation et ordinateur de suivi des yeux.

Si les enregistrements sont contaminés par le bruit, le traceur oculaire doit d'abord être enlevé pour évaluer s'il est la source du bruit. Si ce n'est pas le cas, les procédures standard doivent être utilisées pour débruit avant d'utiliser à nouveau le traqueur oculaire2. Notez que les sources typiques de bruit de ligne incluent le lit patient, les dispositifs IV, les dispositifs dans la salle de patient, ou les boucles de sol créées en utilisant différents bouchons pour différents systèmes. Si le eye tracker est la source du bruit, tous les appareils (la caméra, la source lumineuse et l'écran LCD) doivent être alimentés à partir de la batterie et/ou de l'ONDu. S'il y a encore du bruit, il est probable que l'écran LCD et/ou l'alimentation électrique de l'écran LCD du eye tracker sont défectueux. Un écran différent / alimentation devrait alors être utilisé. Si possible, un écran LCD avec une alimentation externe doit être utilisé. Il est également important de s'assurer que le câble TTL n'introduit pas de bruit (c.-à-d. utiliser un isolateur TTL).

L'importance de l'enregistrement des données d'un seul neurone chez les patients neurochirurgicaux simultanément avec le suivi des yeux est élevée pour plusieurs raisons. Tout d'abord, les enregistrements mononeuron ont une résolution spatiale et temporelle élevée, et, par conséquent, permettent l'étude de processus cognitifs rapides tels que la recherche visuelle. Deuxièmement, ils fournissent un lien indispensable entre les neurosciences cognitives humaines et la neurophysiologie animale, qui repose fortement sur le suivi des yeux. Troisièmement, parce que les enregistrements humains d'un seul neurone sont souvent exécutés simultanément à partir de régions multiples de cerveau, notre approche permet la résolution temporelle qui aidera à distinguer entre la modulation visuellement conduite contre de haut en bas du cortex frontal. En résumé, les enregistrements mononeuron avec suivi oculaire permettent d'isoler des processus spécifiques qui sous-tendent le comportement orienté vers l'objectif. De plus, notre suivi oculaire simultané a permis une analyse fondée sur la fixation, ce qui a grandement augmenté la puissance statistique (p. ex., figure 3A, B c. Figure 3C, D).

Un défi de cette méthode est que le système de suivi oculaire peut introduire du bruit supplémentaire dans les données électrophysiologiques. Cependant, avec les procédures décrites dans ce protocole, un tel bruit supplémentaire peut être éliminé, et une fois que ces procédures sont établies, elles peuvent être exécutées régulièrement. En outre, le suivi des yeux allonge le temps nécessaire pour une expérience donnée parce que la configuration supplémentaire est nécessaire, en particulier lorsque l'étalonnage du traqueur oculaire est difficile pour certains patients, en particulier ceux avec de petites pupilles ou des lunettes. Cependant, les avantages du suivi oculaire simultané valent cet effort supplémentaire pour plusieurs études, ce qui rend le suivi des yeux un ajout précieux aux enregistrements mononeuron.

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Disclosures

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêts.

Acknowledgments

Nous remercions tous les patients pour leur participation. Cette recherche a été soutenue par le Rockefeller Neuroscience Institute, l'Autism Science Foundation et la Dana Foundation (à S.W.), un prix NSF CAREER (1554105 à U.R.), et les NIH (R01MH110831 et U01NS098961 à U.R.). Les bailleurs de fonds n'ont joué aucun rôle dans la conception de l'étude, la collecte et l'analyse des données, la décision de publier ou la préparation du manuscrit. Nous remercions James Lee, Erika Quan et le personnel du Cedars-Sinai Simulation Center pour leur aide dans la production de la vidéo de démonstration.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cedrus Response Box Cedrus (https://cedrus.com/) RB-844 Button box
Dell Laptop Dell (https://dell.com) Precision 7520 Stimulus Computer
EyeLink Eye Tracker SR Research (https://www.sr-research.com) 1000 Plus Remote with laptop host computer and LCD arm mount Eye tracking
MATLAB MathWorks Inc R2016a (RRID: SCR_001622) Data analysis
Neuralynx Neurophysiology System Neuralynx (https://neuralynx.com) ATLAS 128 Electrophysiology
Osort Open source v4.1 (RRID: SCR_015869) Spike sorting algorithm
Psychophysics Toolbx Open source PTB3 ( RRID: SCR_002881) Matlab toolbox to implement psychophysical experiments

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References

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