Summary
이 프로토콜은 신경 활동 패턴에 의해 트리거된 폐쇄 루프 자극을 위한 전기 생리학 시스템을 사용하는 방법을 보여줍니다. 상이한 자극 장치에 대해 용이하게 수정할 수 있는 샘플 Matlab 코드도 제공된다.
Abstract
폐쇄 루프 신경 생리학 시스템은 신경 활동의 패턴을 사용하여 자극을 유발하며, 이는 뇌 활동에 영향을 미칩니다. 이러한 폐쇄 루프 시스템은 이미 임상 응용 프로그램에서 발견되며 기본적인 뇌 연구를위한 중요한 도구입니다. 특히 흥미로운 최근 개발은 광유전학과 폐쇄 루프 접근법의 통합, 즉 신경 활동의 특정 패턴이 선택된 신경 그룹의 광학 자극을 유발할 수 있다는 것이다. 그러나 폐쇄 루프 실험을 위한 전기 생리학 시스템을 설정하는 것은 어려울 수 있습니다. 여기서, 단일 또는 다중 뉴런의 활성에 기초하여 자극을 트리거링하기 위한 즉시 적용형 Matlab 코드가 제공된다. 이 샘플 코드는 개별 요구에 따라 쉽게 수정할 수 있습니다. 예를 들어, 사운드 자극을 트리거하는 방법과 PC 직렬 포트에 연결된 외부 장치를 트리거하도록 변경하는 방법을 보여줍니다. 제시된 프로토콜은 동물 연구를 위한 인기 있는 뉴런 기록 시스템(Neuralynx)과 함께 작동하도록 설계되었습니다. 폐쇄 루프 자극의 구현은 깨어있는 쥐에서 입증된다.
Introduction
이 프로토콜의 목표는 신경 생리학적 실험에서 폐쇄 루프 자극을 구현하는 방법을 입증하는 것입니다. 신경 과학에 있는 폐쇄 루프 실험을 위한 일반적인 설치는 신경 활동의 온라인 판독에 근거를 둔 자극을 시작 하 관련. 이것은 차례로 뇌 활동의 수정을 일으켜 피드백 루프1,2를닫습니다. 이러한 폐쇄 루프 실험은 표준 오픈 루프 설정에 걸쳐 여러 이점을 제공, 특히 광유전학과 결합 할 때, 이는 연구원이 뉴런의 특정 하위 집합을 대상으로 할 수 있습니다. 예를 들어, Siegle과 Wilson은 폐쇄 루프 조작을 사용하여 정보 처리에서 세타 진동의 역할을연구했습니다 3. 그(것)들은 세타 진동의 떨어지는 단계에 해마 뉴런을 자극하는 것은 상승 단계에 동일 자극을 적용하는 것보다 행동에 다른 효력이 있었다는 것을 설명했습니다. 폐쇄 루프 실험은 또한 전임상 연구에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 예를 들면, 다중 간질 연구 결과는 포착 개시에 시작되는 신경 자극이 포착의 엄격을 감소시키는 효과적인 접근이다는 것을 보여주었습니다4,5,6. 더욱이, 자동 발작 검출 및치료7,8의 우발적 전달을 위한 시스템은 간질 환자9,10,11,12에서상당한 이점을 보였다. 폐쇄 루프 방법론의 급속한 발전과 또 다른 응용 영역은 피질 뇌 - 기계 인터페이스와 신경 보철물의 제어입니다. 이는 보철 장치의 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공하면 정확도및기능(13)이크게 향상되기 때문입니다.
최근 몇 년 동안, 몇몇 실험실은 폐쇄 루프 시스템14,15,16,17,18에서신경 활성 및 자극의 전달의 동시 전기 적 기록을위한 사용자 정의 시스템을 개발했다. 이러한 설정중 상당수는 인상적인 특성을 가지고 있지만 다른 랩에서 구현하는 것이 항상 쉬운 것은 아닙니다. 이는 시스템이 종종 숙련된 기술자에게 필요한 전자 장치 및 기타 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소를 조립하도록 요구하기 때문입니다.
따라서, 신경과학 연구에서 폐쇄루프 실험의 채택을 용이하게 하기 위해, 이 논문은 개방루프 전기생리학적 기록 설정19,20,21,22를 폐쇄루프 시스템2,6,23으로변환하는 프로토콜 및 Matlab 코드를 제공한다. 이 프로토콜은 디지털 살쾡이 기록 하드웨어와 함께 작동하도록 설계되었습니다, 신경 인구 기록을위한 인기있는 실험실 시스템. 일반적인 실험은 다음과 같은 것으로 구성됩니다: 1) 5-20분 의 스파이크 데이터 기록; 2) 스파이크 정렬은 뉴런 템플릿을 만들 수 있습니다; 3) 신경 활동 패턴의 온라인 탐지를 수행하기 위해 이러한 템플릿을 사용하여; 및 4) 사용자가 지정한 패턴이 감지될 때 자극 또는 실험 이벤트를 트리거링합니다.
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Protocol
여기에 설명된 모든 절차는 레스브리지 동물 복지 위원회가 승인한 동물 연구 프로토콜에 따라 수행되었습니다.
1. 수술
참고 : 신경 생리학적 기록을 위한 프로브를 이식하는 데 사용되는 수술 절차는 다른 간행물24,25,26에제시되었다. 폐쇄 루프 자극을 위한 수술의 정확한 세부 사항은 사용된 기록 프로브의 모형 및 표적으로 한 두뇌 지역에 달려 있습니다. 대부분의 경우, 그러나, 전형적인 수술은 다음 단계로 구성됩니다.
- 수술실에 쥐가 있는 케이지를 실리콘 프로브 또는 전극 어레이로 이식하여 신경 활동을 기록합니다.
- 설치류를 2-2.5 %의 이소플루란으로 마취시키고 머리를 입체 적 프레임으로 고정시다. 온화한 촉각 자극(25)에대한 임의의 운동 반응을 관찰하여 수술 중에 동물이 의식이 없는지 확인하십시오.
- 수술 중 건조를 최소화하기 위해 눈 연고를 바르십시오.
- 수술 부위를 면도하고 2 % 클로르헨시딘 용액과 70 % 이소 프로필 알코올로 피부를 소독하십시오.
- 전극이 이식될 뇌 영역에 두피 아래에 리도카인(5 mg/kg)을 주입하십시오.
- 향후 임플란트 부위에 두피를 절개하고, 메스와 면봉을 사용하여 노출된두개골(25)에서골막을 지웁히 한다.
- 임플란트(25)에대한 구조적 지지로서 앵커 나사(~0.5 mm)의 이식을 위해 두개골에 4-8개의 구멍을 뚫는다. 구멍에 나사를 삽입하여 두개골에 부착하고 제자리에 단단히 고정되어 있는지 확인하십시오.
- 지정된 좌표에서 개두를 드릴하고 마이크로 드라이브 / 프로브 임플란트를 삽입합니다.
참고: 폐쇄 루프 자극에 대해 설명된 프로토콜은 전극이 삽입되는 모든 뇌 영역에 대해 작동합니다. - 치과 아크릴을 사용하여 마이크로 드라이브 / 프로브 및 필요한 전기 인터페이스 커넥터를 두개골에 고정하십시오. 치과 아크릴의 양은 임플란트를 단단히 부착하기에 충분해야하지만 주변 연조직(25)과접촉해서는 안됩니다.
- 수술 후, 동물을 면밀히 모니터링하여 흉골 의정력을 유지하기에 충분한 의식을 회복할 때까지25. 이후 3 일 동안 피하 진통제 (예 : 메타캄, 1 mg / kg) 및 감염을 예방하기 위한 항생제 (예 : enrofloxacin, 10 mg / kg)를 투여하십시오.
참고: 동물은 일반적으로 테스트 또는 기록 하기 전에 1 주일 동안 수술에서 복구 남아.
2. 소프트웨어 설치
참고 : 이것은 윈도우 10, 64 비트 버전에서 테스트되었습니다.
- 데이터 수집 및 처리 소프트웨어를 설치합니다.
- 치타 획득 시스템과 상호 작용하는 라이브러리를 포함하는 데이터 수집 시스템 치타 6.4 (https://neuralynx.com/software/category/sw-acquisition-control)를 설치합니다.
- 스파이크 정렬(https://neuralynx.com/software/spikesort-3d) 또는 스파이크 정렬을 위해 KlustaKwik27을 사용하는 기타 소프트웨어를 설치합니다. 온라인 탐지 소프트웨어는 KlustaKwik 엔진의 클러스터 정의를 사용합니다. 이 소프트웨어는 동일한 컴퓨터에서 실행되거나 동일한 네트워크에 있는 별도의 컴퓨터에서 실행될 수 있습니다.
- https://neuralynx.com/software/netcom-development-package 다운로드할 수 있는 NetComDevelopmentPackage(https://github.com/leomol/cheetah-interface/blob/master/NetComDevelopmentPackage_v3.1.0)를 설치합니다.
- Matlab 설치(https://www.mathworks.com/downloads/; 코드는 Matlab 버전 R2018a에서 테스트되었습니다). Windows 방화벽에서 Matlab을 사용하도록 설정했는지 확인합니다. 일반적으로 첫 번째 연결 중에 팝업이 나타납니다.
- Matlab 계정에 로그인합니다. 라이선스를 선택합니다. 버전을 선택합니다. 운영 체제를 선택합니다.
- 다음 라이브러리에서 트리거되는 온라인 이벤트: https://github.com/leomol/cheetah-interface 및 추출 파일컴퓨터의 '문서/Matlab' 폴더로 다운로드합니다. 코드 사본은 첨부된 보충 자료에제공됩니다.
3. 초기 데이터 수집
- 치타 소프트웨어를 사용하여 데이터 수집을 시작합니다.
- 몇 분 동안 데이터를 기록하여 템플릿 파형을 채웁니다.
- 데이터 수집을 중지하고 기록된 데이터에 대한 스파이크 정렬을 수행합니다.
- 스파이크정렬3D 열기, 파일 | 클릭 메뉴 | 스파이크 파일을 로드하고기록된 데이터가 있는 폴더에서 스파이크 파일을 선택합니다.
- 클러스터 메뉴를 클릭한 다음 KlustaKwik를 사용하여 자동 클러스터를클릭하고 기본 설정을 남기고 실행을클릭합니다.
4. 폐쇄 루프 실험
- 치타에서 데이터 수집을 재개합니다.
- 매트랩을 엽니다.
- ClosedLoop.m을 열고 실행을클릭합니다. 또는 Matlab 명령 창에서 ClosedLoop()를 실행합니다. ClosedLoop.m이 Matlab 경로에 있는지 확인합니다. 사용자가 모든 트리거를 호출하는 사용자 지정 함수를 사용하려는 경우 사용자 정의 Function이 해당 함수의 핸들인 ClosedLoop('-콜백', customFunction)를 대신 실행합니다.
- 로드를클릭하고, 기록 폴더로 검색하고, 급증하는 데이터 파일 중 하나(.ntt, .nse)를 선택하여 초기 레코딩에 정의된 스파이크 정보를 로드합니다.
- 플롯된 파형 아래의 확인란을 클릭하여 자극을 트리거할 하나 또는 여러 개의 뉴런을 선택합니다.
- "최소일치" 텍스트 상자에 정수를 입력하여 자극을 트리거하는 뉴런의 최소 수를 정의합니다. 다른 파형과 일치하는 스파이크가 "창" 텍스트 상자에 숫자를 입력하여 공동 활성으로 간주되는 시간 창을 정의합니다.
- 보내기를 클릭하여 시작합니다. 이렇게 하면 선택한 뉴런의 급증 활동에 따라 이벤트(기본값으로 톤)가 온라인으로 트리거링되기 시작합니다.
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Representative Results
현장에서 태어나고 자란 피셔 브라운 노르웨이 쥐는 실험 전 2주 동안 처리하는 것이 습관화되었다. 기록 드라이브는 이전에설명된 방법 28,29,30,31,32,33,34와유사하게 외과적으로 이식되었다. 뉴런 신호는 디지털 수집 시스템으로 32 kHz에서 기록되었다. 뉴런 신호는 먼저 통일 이득 무선 헤드 스테이지로 증폭된 다음 1000의 이득으로 증폭되고, 600~6,000Hz 사이에서 필터링된 밴드 패스. 수동으로 설정된 진폭 임계값(일반적으로 48-60 μV)을 초과하는 뉴런 스파이크가 자동으로 저장된 다음 별개의 클러스터로 분류되었습니다. 따라서, 각 클러스터는 아마도 상이한뉴런(27)으로부터의스파이크에 대응한다. 이 프로토콜 데모를 위해, 쥐는 행동 실험에서 휴식 하는 동안 익숙한 휴식 장소 화분에 휴식 했다(그림 1).
레코딩 컴퓨터의 대표 스크린샷이 그림 2에표시됩니다. 실시간으로 획득한 스파이크 파형을 표시하는 레코딩 소프트웨어(왼쪽)와 Matlab 프로그램의 동시 실행을 보여줍니다. 이 Matlab 스크립트는 보충 자료에 포함되어 있습니다. 미리 정의된 트리거링 클러스터의 스파이크가 감지되면 파형이 Matlab 그림창(그림 2)에굵은 파선으로 표시되고 톤을 트리거하여 폐쇄 루프 시스템을 제공합니다. 이 폐쇄 루프 실험 설정은 예를 들어, 신경 가소성을 연구 할 수 있습니다, 하나는 외부 자극과 신경 활동을 페어링하는 경우 테스트 할 수 있습니다 (톤) 그 뉴런의 수용 분야에 영향을 미칠 수 있습니다.
그림 1: 이식된 실리콘 프로브에 부착된 무선 헤드 스테이지(프리 앰프와 파란색 LED가 있는 보드)가 부착된 쥐의 사진. 프로브는 치과 아크릴 (분홍색 재료) 아래에 위치하고 보이지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 레코딩 및 폐쇄 루프 소프트웨어의 스크린샷입니다. 왼쪽 패널은 데이터 수집을 시각화하고 제어하는 데 사용되는 치타 레코딩 시스템의 일부인 창입니다. 화면 오른쪽의 창에는 설명된 소프트웨어를 실행하는 Matlab 세션이 표시됩니다. 가운데 창은 미리 정의된 템플릿과 일치하는 온라인 감지 스파이크의 파형을 보여줍니다. 해당 클러스터에 속한 스파이크는 제시된 비디오에서 사운드를 트리거하는 데 사용되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 데이터 흐름에 대한 회로도 파이프라인입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 자극 대기 시간 의 테스트. (A)인공 스파이크를 생성하는 시간과 트리거된 신호 시간 사이의 지연의 히스토그램. (B)인공 스파이크 파형을 생성하는 마이크로 프로세서 보드 설정의 회로도. 흑백 및 주황색 연결은 파형(0 ~810mV 범위)과 같은 RC를 출력하며, 브레드보드의 동일한 컬럼에 연결된 "신호 마우스" 인터페이스를 통해 헤드 스테이지에 연결됩니다(저항기: 110 옴; 220 옴; 1000 옴; 1000 Μm; 10μiμin/10μi) 아두 이노는 USB / UART를 통해 PC에 연결되었다, 이는 아두 이노 스파이크를 트리거하고 아두 이노 회로와 수집 소프트웨어 API 모두에서 다시 신호를 수신. 아두이노는 1000개의 스파이크를 생성하라는 지시를 받았습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
추가 파일 1: Matlab 스크립트. 이 파일을 보려면 여기를 클릭하십시오 (다운로드 오른쪽 버튼을 클릭하십시오).
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Discussion
여기서 설명된 프로토콜은, 표준 신경생리학적 기록 시스템을 사용하여 폐쇄 루프 자극을 수행하는 방법을 보여준다. 이 프로토콜을 사용하면 컴퓨터 과학에 대한 전문 지식이 부족한 신경 과학자들이 적은 비용으로 다양한 폐쇄 루프 실험을 신속하게 구현할 수 있습니다. 이러한 실험은 종종 뇌의 인과 적 상호 작용을 연구하는 데 필요합니다.
동물을 준비하고 소프트웨어를 설치한 후(1단계 및 2단계) 폐쇄 루프 실험은 두 단계로 구성됩니다. 먼저, 초기 데이터 수집(Step 3)은 단일 뉴런의 활성에 대응하는 템플릿을 정의하기 위해 데이터를 수집한다(즉, 스파이크 정렬; 3.5단계). 둘째, 새로 기록된 스파이크가 실시간으로 미리 정의된 클러스터에 자동으로 할당되고 스파이크 형태가 지정된 뉴런이 검출될 경우 자극을 트리거하는 폐쇄 루프 자극(4단계). 제시된 Matlab 스크립트(보충 자료참조)는 단일 뉴런의 활성 및 여러 선택된 뉴런의 활성에 기초하여 상이한 자극의 트리거링을 입증한다. 후자는 뉴런이 어셈블리로서 정보를 처리하는 것으로 여겨지기 때문에 특히 중요한 옵션입니다(예를 들어, 패킷35,36). 신경 인구 패턴에 따라 자극을 트리거링 따라서 연구 질문의 넓은 범위에 대답하기위한 핵심 도구가 될 수 있습니다. 폐쇄 루프 제어 중데이터 흐름은 그림 3에나와 있습니다.
이 프로토콜 데모에서, 3 kHz 톤 자극이 사용되었다. 이 순수한 톤은 변수 "tone0"을 변경하여 임의의 음파형으로 대체 될 수있다. 또한 스피커 대신 다른 많은 장치를 컴퓨터의 오디오 출력에 연결하여 자극을 유발할 수 있습니다. 예를 들어, 오디오 출력은 진동 모터를 구동하여 저주파수(20 Hz) 촉각자극(22)을전달하는 데 사용되었다. 또는 Matlab 코드를 사용하여 컴퓨터 직렬 포트에 연결된 장치에 TTL 신호를 보낼 수 있습니다. 이 작업은 'sound()' 명령을 다음 코드인 obj=serial('COM1')으로 대체하여 수행할 수 있습니다. 펜 (obj); Obj. 요청보내기 = '켜기'. 이 방법의 샘플 구현은 보충 자료(pulse.m 참조)에 제공됩니다. 마찬가지로 Matlab을 사용하여 USB 포트를 통해 외부 장치에 신호를 보낼 수 있습니다. 따라서 여기에 제시된 코드를 통해 사용자는 여러 장치에 다양한 방법으로 폐쇄 루프 트리거를 보낼 수 있습니다.
테스트는 뉴런 스파이크와 트리거 신호 사이의 시간 지연이 약 13 ms (분 9 ms, 최대 15 ms)인 것으로 나타났습니다. 시간 지연의 분포는 그림 4A에나와 있습니다. 이 대기 시간 테스트의 경우 Arduino를 사용하여 인공 스파이크를 수집 시스템에(헤드 스테이지를 통해) 전송했습니다. 지연은 폐쇄 루프 Matlab 스크립트를 실행하는 수집 PC에서 스파이크와 트리거 신호 사이의 시간으로 기록되었다. 스파이크를 생성하는 아두 이노 설정의 회로도는 그림 4B에나와 있습니다.
여기에 제시된 접근 방식은 소프트웨어에서 구현되므로 전용 하드웨어를 사용하여 시스템의 시간적 정확도로 자극을 제공하지 못할 수 있습니다. 예를 들어, TDT(터커-데이비스 테크놀로지스)는 밀리초 내에 자극을 전달할 수 있는 스파이크 트리거 자극 시스템을 제공합니다. 그러나 여기에 제시된 Matlab 솔루션의 장점은 치타 레코딩 하드웨어를 소유한 사용자에게 저렴한 비용, 자극을 유발하는 활동 패턴을 정의하는 유연성 및 뉴런 템플릿 정의의 유연성입니다. 또한 많은 실험에서 단일 밀리초 정밀도가 필요하지 않으므로 이 방법의 구현 용이성이 큰 이점을 제공할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는이 작품과 관련된 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 AL 및 AG에 NSERC 디스커버리 보조금에 의해 지원되었다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
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