ニューロンスパイク活性を利用して神経生理学実験における閉ループ刺激を引き起こす
Summary
このプロトコルは、神経活動パターンによって引き起こされる閉ループ刺激のための電気生理学的システムを使用する方法を示す。異なる刺激デバイスに対して簡単に変更できるサンプル Matlab コードも提供されています。
Abstract
閉ループ神経生理学的システムは、神経活動のパターンを使用して刺激を引き起こし、脳活動に影響を与えます。このような閉ループシステムは、すでに臨床応用に見られ、基本的な脳研究のための重要なツールです。特に興味深い最近の開発は、ニューロン活動の特定のパターンが選択されたニューロン群の光学刺激を引き起こすことができるような光遺伝学との閉ループアプローチの統合である。しかし、閉ループ実験用の電気生理学的システムの設定は困難な場合があります。ここでは、単一または複数のニューロンの活性に基づいて刺激をトリガするためのすぐに適用できるMatlabコードが提供される。このサンプル コードは、個々のニーズに基づいて簡単に変更できます。たとえば、サウンド刺激をトリガーする方法と、PC シリアル ポートに接続された外部デバイスをトリガーするように変更する方法を示します。提示されたプロトコルは、動物研究のための一般的なニューロン記録システム(Neuralynx)で動作するように設計されています。閉ループ刺激の実施は、覚醒ラットで実証される。
Introduction
このプロトコルの目的は、神経生理学的実験において閉ループ刺激を実施する方法を実証することです。神経科学における閉ループ実験の典型的なセットアップは、神経活動のオンライン読み出しに基づいて刺激を引き起こすことを含む。これは、順番に、脳活動の変更を引き起こし、したがって、フィードバックループ1、2を閉じます。このような閉ループ実験は、特に光遺伝学と組み合わせることで、研究者がニューロンの特定のサブセットを標的とすることを可能にする標準的なオープンループ設定よりも複数の利点を提供します。例えば、SiegleとWilsonは閉ループ操作を使用して、情報処理におけるセタ振動の役割を研究しました。彼らは、セタ振動の落下段階で海馬ニューロンを刺激することは、上昇期に同じ刺激を適用するよりも行動に異なる影響を及ぼすことを実証した。閉ループ実験は、前臨床試験においてもますます重要になってきています。例えば、複数のてんかん研究は、発作発症時に引き起こされる神経刺激が発作の重症度を減少させる効果的なアプローチであることを示している。また、自動発作検出および治療7の偶発的送達のためのシステムは、8、てんかん患者9、10、11、12において有意な利益を示した。閉ループ方法論の急速な進歩を有する別の応用領域は皮質脳-機械界面を有する神経補綴物の制御である。これは、義足デバイスのユーザーに瞬時にフィードバックを提供することで、精度と機能が大幅に向上するためです。
近年、いくつかの研究室は、閉ループシステム14、15、16、17、18における神経活動および刺激の送達の同時電気記録のためのカスタムシステムを開発した。これらのセットアップの多くは印象的な特性を持っていますが、他のラボで実装することは必ずしも容易ではありません。これは、システムが多くの場合、必要なエレクトロニクスやその他の必要なハードウェアおよびソフトウェア コンポーネントを組み立てるために経験豊富な技術者を必要とするためです。
そこで、神経科学研究における閉ループ実験の採用を容易にするために、本論文は、オープンループ電気生理学的記録セットアップ19、20、21、22を閉ループシステム2、6、23に変換するプロトコルおよびMatlabコードを提供する。このプロトコルは、ニューロン集団記録のための一般的な実験室システムであるデジタルLynx記録ハードウェアで動作するように設計されています。典型的な実験は、以下で構成されています: 1) スパイクデータの5〜20分を記録します。2)ニューロンテンプレートを作成するためのスパイクソート;3)これらのテンプレートを使用して、神経活動パターンのオンライン検出を実行します。4) ユーザー指定のパターンが検出された場合の刺激または実験イベントのトリガ。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで説明するプロトコルは、標準的な神経生理学的記録システムを使用して閉ループ刺激を行う方法を示す。このプロトコルは、コンピュータサイエンスの限られた専門知識を持つ神経科学者が、少ないコストで様々な閉ループ実験を迅速に実施することを可能にします。このような実験は、脳内の因果関係を研究するためにしばしば必要である。
動物を準備し、ソ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作業は、AL および AG に対する NSERC ディスカバリー許可によってサポートされました。
Materials
| 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 |
References
- Grosenick, L., Marshel, J. H., Deisseroth, K. Closed-loop and activity-guided optogenetic control. Neuron. 86 (1), 106-139 (2015).
- Armstrong, C., Krook-Magnuson, E., Oijala, M., Soltesz, I. Closed-loop optogenetic intervention in mice. Nature Protocols. 8 (8), 1475-1493 (2013).
- Siegle, J. H., Wilson, M. A. Enhancement of encoding and retrieval functions through theta phase-specific manipulation of hippocampus. Elife. 3, 03061 (2014).
- Paz, J. T., et al. Closed-loop optogenetic control of thalamus as a tool for interrupting seizures after cortical injury. Nature neuroscience. 16 (1), 64-70 (2013).
- Krook-Magnuson, E., Armstrong, C., Oijala, M., Soltesz, I. On-demand optogenetic control of spontaneous seizures in temporal lobe epilepsy. Nature Communications. 4, 1376 (2013).
- Berényi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzsáki, G. Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation. Science. 337 (6095), 735-737 (2012).
- Peters, T. E., Bhavaraju, N. C., Frei, M. G., Osorio, I. Network system for automated seizure detection and contingent delivery of therapy. Journal of Clinical Neurophysiology. 18 (6), 545-549 (2001).
- Fountas, K. N., Smith, J. . Operative Neuromodulation. , 357-362 (2007).
- Heck, C. N., et al. Two-year seizure reduction in adults with medically intractable partial onset epilepsy treated with responsive neurostimulation: final results of the RNS System Pivotal trial. Epilepsia. 55 (3), 432-441 (2014).
- Osorio, I., et al. Automated seizure abatement in humans using electrical stimulation. Annals of Neurology. 57 (2), 258-268 (2005).
- Sun, F. T., Morrell, M. J., Wharen, R. E. Responsive cortical stimulation for the treatment of epilepsy. Neurotherapeutics. 5 (1), 68-74 (2008).
- Fountas, K. N., et al. Implantation of a closed-loop stimulation in the management of medically refractory focal epilepsy. Stereotactic and Functional Neurosurgery. 83 (4), 153-158 (2005).
- Abbott, A. Neuroprosthetics: In search of the sixth sense. Nature. 442, (2006).
- Venkatraman, S., Elkabany, K., Long, J. D., Yao, Y., Carmena, J. M. A system for neural recording and closed-loop intracortical microstimulation in awake rodents. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (1), 15-22 (2009).
- Nguyen, T. K. T., et al. Closed-loop optical neural stimulation based on a 32-channel low-noise recording system with online spike sorting. Journal of Neural Engineering. 11 (4), 046005 (2014).
- Laxpati, N. G., et al. Real-time in vivo optogenetic neuromodulation and multielectrode electrophysiologic recording with NeuroRighter. Frontiers in Neuroengineering. 7, 40 (2014).
- Su, Y., et al. A wireless 32-channel implantable bidirectional brain machine interface. Sensors. 16 (10), 1582 (2016).
- Ciliberti, D., Kloosterman, F. Falcon: a highly flexible open-source software for closed-loop neuroscience. Journal of Neural Engineering. 14 (4), 045004 (2017).
- Luczak, A., Bartho, P., Harris, K. D. Gating of sensory input by spontaneous cortical activity. The Journal of Neuroscience. 33 (4), 1684-1695 (2013).
- Luczak, A., Barthó, P., Harris, K. D. Spontaneous events outline the realm of possible sensory responses in neocortical populations. Neuron. 62 (3), 413-425 (2009).
- Schjetnan, A. G., Luczak, A. Recording Large-scale Neuronal Ensembles with Silicon Probes in the Anesthetized Rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
- Bermudez Contreras, E. J., et al. Formation and reverberation of sequential neural activity patterns evoked by sensory stimulation are enhanced during cortical desynchronization. Neuron. 79 (3), 555-566 (2013).
- Girardeau, G., Benchenane, K., Wiener, S. I., Buzsáki, G., Zugaro, M. B. Selective suppression of hippocampal ripples impairs spatial memory. Nature Neuroscience. 12 (10), 1222-1223 (2009).
- Schjetnan, A. G. P., Luczak, A. Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. Journal of Visualized Experiments. (61), e3568 (2012).
- Sariev, A., et al. Implantation of Chronic Silicon Probes and Recording of Hippocampal Place Cells in an Enriched Treadmill Apparatus. Journal of Visualized Experiments. (128), e56438 (2017).
- Harris, K. D., Henze, D. A., Csicsvari, J., Hirase, H., Buzsáki, G. Accuracy of tetrode spike separation as determined by simultaneous intracellular and extracellular measurements. Journal of Neurophysiology. 84 (1), 401-414 (2000).
- Jiang, Z., et al. TaiNi: Maximizing research output whilst improving animals’ welfare in neurophysiology experiments. Scientific Reports. 7 (1), 8086 (2017).
- Gao, Z., et al. A cortico-cerebellar loop for motor planning. Nature. 563 (7729), 113 (2018).
- Neumann, A. R., et al. Involvement of fast-spiking cells in ictal sequences during spontaneous seizures in rats with chronic temporal lobe epilepsy. Brain. 140 (9), 2355-2369 (2017).
- Gothard, K. M., Skaggs, W. E., Moore, K. M., McNaughton, B. L. Binding of hippocampal CA1 neural activity to multiple reference frames in a landmark-based navigation task. Journal of Neuroscience. 16 (2), 823-835 (1996).
- McNaughton, B. L. . Google Patents. , (1999).
- Wilber, A. A., et al. Cortical connectivity maps reveal anatomically distinct areas in the parietal cortex of the rat. Frontiers in Neural Circuits. 8, 146 (2015).
- Mashhoori, A., Hashemnia, S., McNaughton, B. L., Euston, D. R., Gruber, A. J. Rat anterior cingulate cortex recalls features of remote reward locations after disfavoured reinforcements. Elife. 7, 29793 (2018).
- Luczak, A., McNaughton, B. L., Harris, K. D. Packet-based communication in the cortex. Nature Reviews Neuroscience. , (2015).
- Luczak, A. . Analysis and Modeling of Coordinated Multi-neuronal Activity. , 163-182 (2015).
