Denne protokol demonstrerer, hvordan man bruger et elektrofysiologisk system til lukket loop stimulation udløst af neuronal aktivitetsmønstre. Prøve MATLAB kode, der let kan ændres for forskellige stimulation enheder er også forudsat.
Closed-loop neurofysiologiske systemer bruger mønstre af neuronal aktivitet til at udløse stimuli, som igen påvirker hjernens aktivitet. Sådanne lukkede kredsløb er allerede fundet i kliniske applikationer, og er vigtige værktøjer til grundlæggende hjerneforskning. En særlig interessant nylig udvikling er integrationen af lukkede kredsløb tilgange med optogenetik, således at specifikke mønstre af neuronal aktivitet kan udløse optisk stimulering af udvalgte neuronal grupper. Det kan dog være vanskeligt at oprette et elektrofysiologisk system til eksperimenter med lukkede kredsløb. Her, en klar-til-anvendelse MATLAB kode er fastsat for at udløse stimuli baseret på aktiviteten af enkelt eller flere neuroner. Dette eksempelkode kan nemt ændres baseret på individuelle behov. For eksempel, det viser, hvordan man udløse lyd stimuli og hvordan du ændrer det til at udløse en ekstern enhed tilsluttet en PC seriel port. Den præsenterede protokol er designet til at arbejde med en populær neuronal optagelse system til dyreforsøg (Neuralynx). Gennemførelsen af closed-loop stimulation er demonstreret i en vågen rotte.
Målet med denne protokol er at demonstrere, hvordan man implementerer closed-loop stimulation i neurofysiologiske eksperimenter. Den typiske opsætning for closed-loop eksperimenter i neurovidenskab involverer udløsende stimuli baseret på online udaflæsning af neuronal aktivitet. Dette, til gengæld, forårsager ændringer i hjernens aktivitet, således at lukke feedback loop1,2. Sådanne lukkede-loop eksperimenter giver flere fordele i forhold til standard Open-Loop opsætninger, især når det kombineres med optogenetics, som giver forskerne mulighed for at målrette en bestemt delmængde af neuroner. For eksempel brugte Siegle og Wilson lukkede manipulationer til at studere Theta-svingningerne i informationsbehandling3. De viste, at stimulere hippocampus neuroner på den faldende fase af Theta oscillationer havde forskellige virkninger på adfærd end at anvende den samme stimulation på den stigende fase. Eksperimenter med lukkede kredsløb bliver også stadig vigtigere i prækliniske studier. For eksempel, flere epilepsi undersøgelser har vist, at neuronal stimulation udløst på beslaglæggelse debut er en effektiv tilgang til at reducere sværhedsgraden af anfald4,5,6. Desuden viste systemer til automatiseret beslaglæggelse påvisning og betinget levering af behandling7,8 betydelige fordele i epilepsipatienter9,10,11,12. Et andet applikationsområde med hurtig fremrykning af lukkede kredsløb er kontrol af neuroproteser med kortikale hjerne-maskingrænseflader. Dette skyldes, at give øjeblikkelig feedback til brugere af proteser enheder betydeligt forbedrer nøjagtighed og kapacitet13.
I de seneste år har flere laboratorier udviklet brugerdefinerede systemer til samtidig elektrisk registrering af neuronal aktivitet og levering af stimuli i et lukket loop system14,15,16,17,18. Selv om mange af disse opsætninger har imponerende egenskaber, er det ikke altid let at implementere dem i andre laboratorier. Dette skyldes, at systemerne ofte kræver erfarne teknikere til at samle den påkrævede elektronik og andre nødvendige hardware-og softwarekomponenter.
Derfor, for at lette vedtagelsen af closed-loop eksperimenter i neurovidenskabelig forskning, dette papir indeholder en protokol og MATLAB kode til at konvertere en Open-Loop elektrofysiologisk optagelse setup19,20,21,22 i en lukket loop system2,6,23. Denne protokol er designet til at arbejde med den digitale Lynx Recording hardware, et populært laboratorium system for neuronal befolkning optagelser. Et typisk eksperiment består af følgende: 1) optagelse 5-20 minutter af spiking data; 2) Spike sortering at skabe neuronal skabeloner; 3) ved hjælp af disse skabeloner til at udføre online påvisning af neurale aktivitetsmønstre; og 4) udløser stimulation eller eksperimentelle begivenheder, når bruger-specificerede mønstre detekteres.
Den protokol, der er beskrevet her, viser, hvordan man bruger et standard neurofysiologisk optagelses system til at udføre closed-loop stimulation. Denne protokol giver neuroforskere med begrænset ekspertise inden for datalogi til hurtigt at gennemføre en række lukkede-loop eksperimenter med små omkostninger. Sådanne eksperimenter er ofte nødvendige for at studere kausale interaktioner i hjernen.
Efter klargøring af et dyr og installering af softwaren (trin 1 & 2) består forsøget med…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af NSERC Discovery Grants til AL og AG.
Baytril | Bayer, Mississauga, CA | DIN 02169428 | antibiotic; 50 mg/mL |
Cheetah 6.4 | NeuraLynx, Tucson, AZ | 6.4.0.beta | Software interfaces for data acquisition |
Digital Lynx 4SX | NeuraLynx, Tucson, AZ | 4SX | recording equipment |
Headstage transmitter | TBSI | B10-3163-GK | transmits the neural signal to the receiver |
Isoflurane | Fresenius Kabi, Toronto, CA | DIN 02237518 | inhalation anesthetic |
Jet Denture Powder & Liqud | Lang Dental, Wheeling, US | 1230 | dental acrylic |
Lacri-Lube | Allergan, Markham, CA | DIN 00210889 | eye ointment |
Lido-2 | Rafter 8, Calgary | DIN 00654639 | local anesthetic; 20 mg/mL |
Matlab | Mathworks | R2018b | software for signal processing and triggering external events |
Metacam | Boehringer, Ingelheim, DE | DIN 02240463 | analgesic; 5 mg/mL |
Netcom | NeuraLynx | v1 | Application Programming Interface (API) that communicates with Cheetah |
Silicone probe | Cambridge Neurotech | ASSY-156-DBC2 | implanted device |
SpikeSort 3D | NeuraLynx, Tucson, AZ | SS3D | spike waveform-to-cell classification tools |
Wireless Radio Receiver | TBSI | 911-1062-00 | transmits the neural signal to the Digital Lynx |