Detta protokoll visar hur man använder ett elektrofysiologiskt system för sluten loop stimulering utlöses av neuronala aktivitetsmönster. Exempel på MATLAB-kod som enkelt kan modifieras för olika stimuleringsenheter finns också.
Slutna neurofysiologiska system använder mönster av neuronala aktivitet för att utlösa stimuli, vilket i sin tur påverkar hjärnans aktivitet. Sådana slutna kretslopp finns redan i kliniska tillämpningar, och är viktiga verktyg för grundläggande hjärnforskning. En särskilt intressant ny utveckling är integrationen av slutna kretslopp med optogenetik, så att specifika mönster av neuronala aktivitet kan utlösa optisk stimulering av utvalda neuronala grupper. Det kan dock vara svårt att sätta upp ett Elektro fysiologiskt system för experiment med sluten slinga. Här finns en färdig att använda MATLAB-kod för utlösande stimuli baserat på aktiviteten hos en eller flera neuroner. Den här exempelkoden kan enkelt ändras baserat på individuella behov. Till exempel visar det hur man utlöser ljud stimuli och hur man ändrar den för att utlösa en extern enhet ansluten till en PC seriell port. Det presenterade protokollet är utformat för att fungera med ett populärt neuronala inspelningssystem för djurstudier (Neuralynx). Genomförandet av sluten loop stimulering påvisas i en vaken råtta.
Målet med detta protokoll är att demonstrera hur man genomför sluten stimulering i neurofysiologiska experiment. Den typiska inställningen för experiment med sluten slinga i neurovetenskap innebär utlösande stimuli baserat på online-avläsning av neuronala aktivitet. Detta, i sin tur, orsakar förändringar i hjärnans aktivitet, vilket stänger feedbackslingan1,2. Sådana slutna experiment ger flera fördelar jämfört med standard inställningar för öppen slinga, särskilt i kombination med optogenetik, som gör det möjligt för forskare att inrikta sig på en specifik delmängd av neuroner. Till exempel, Siegle och Wilson används slutna-loop manipulationer för att studera rollen av theta svängningar i informationsbehandling3. De visade att stimulerande Hippocampus nervceller på den fallande fasen av theta svängningar hade olika effekter på beteende än att tillämpa samma stimulering på den stigande fasen. Experiment med sluten slinga blir också allt viktigare i prekliniska studier. Till exempel, flera epilepsi studier har visat att neuronala stimulering utlöses på anfall debut är ett effektivt sätt att minska svårighetsgraden av anfall4,5,6. Dessutom, system för automatiserad beslag detektering och villkorad leverans av terapi7,8 visade signifikanta fördelar hos epilepsipatienter9,10,11,12. Ett annat applikationsområde med snabb utveckling av slutna metoder är kontroll av neuroprotetik med kortikala hjärn maskingränssnitt. Detta beror på att ge ögonblicklig återkoppling till användare av protetiska enheter avsevärt förbättrar noggrannhet och kapacitet13.
Under de senaste åren, flera laboratorier har utvecklat anpassade system för samtidig elektrisk inspelning av neuronala aktivitet och leverans av stimuli i en sluten slinga system14,15,16,17,18. Även om många av dessa uppställningar har imponerande egenskaper, är det inte alltid lätt att implementera dem i andra laboratorier. Detta beror på att systemen ofta kräver erfarna tekniker för att montera den nödvändiga elektroniken och andra nödvändiga maskinvaru-och programvarukomponenter.
Därför, för att underlätta antagandet av slutna kretslopp inom neurovetenskap forskning, ger detta dokument ett protokoll och MATLAB kod för att omvandla en öppen slinga elektrofysiologiska inspelningsinställningar19,20,21,22 i en sluten slinga system2,6,23. Detta protokoll är utformat för att fungera med den digitala Lynx inspelnings maskinvara, ett populärt laboratoriesystem för neuronala befolknings inspelningar. Ett typiskt experiment består av följande: 1) inspelning 5-20 minuter av tillsatta data; 2) Spike sortering för att skapa neuronala mallar; 3) med hjälp av dessa mallar för att utföra online upptäckt av neurala aktivitetsmönster; och 4) utlöser stimulering eller experimentella händelser när användarspecificerade mönster upptäcks.
Protokollet som beskrivs här, visar hur man använder en standard neurofysiologiska inspelningssystem för att utföra sluten loop stimulering. Detta protokoll gör det möjligt för neuroforskare med begränsad expertis inom datavetenskap att snabbt genomföra en mängd slutna experiment med liten kostnad. Sådana experiment är ofta nödvändiga för att studera kausala interaktioner i hjärnan.
Efter beredning av ett djur och installera programvaran (steg 1 & 2), det slutna kretsloppet exp…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av NSERC Discovery Grants till AL och 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 |