Summary

Använda neuron Tillspikning aktivitet för att utlösa slutna kretsar stimuli i neurofysiologiska experiment

Published: November 12, 2019
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

Alla procedurer som beskrivs här utfördes under ett djur forskningsprotokoll som godkändes av University of Lethbridges djurskydds kommitté. 1. kirurgi Anmärkning: de kirurgiska ingrepp som används för att implantatet sonder för neurofysiologiska inspelningar har presenterats i andra publikationer24,25,26. De exakta detaljerna i operationen för sluten-loop stimulerin…

Representative Results

Fisher-Brown Norge råttor födda och upphöjda på plats var vana att hantera för två veckor före experimentet. En inspelningsenhet implanterades kirurgiskt, liknande de metoder som beskrivits tidigare28,29,30,31,32,33,34. De neuronala signalerna spelades in vid 32 kHz med ett digitalt f…

Discussion

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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av NSERC Discovery Grants till AL och AG.

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

  1. Grosenick, L., Marshel, J. H., Deisseroth, K. Closed-loop and activity-guided optogenetic control. Neuron. 86 (1), 106-139 (2015).
  2. Armstrong, C., Krook-Magnuson, E., Oijala, M., Soltesz, I. Closed-loop optogenetic intervention in mice. Nature Protocols. 8 (8), 1475-1493 (2013).
  3. Siegle, J. H., Wilson, M. A. Enhancement of encoding and retrieval functions through theta phase-specific manipulation of hippocampus. Elife. 3, 03061 (2014).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Berényi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzsáki, G. Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation. Science. 337 (6095), 735-737 (2012).
  7. 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).
  8. Fountas, K. N., Smith, J. . Operative Neuromodulation. , 357-362 (2007).
  9. 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).
  10. Osorio, I., et al. Automated seizure abatement in humans using electrical stimulation. Annals of Neurology. 57 (2), 258-268 (2005).
  11. Sun, F. T., Morrell, M. J., Wharen, R. E. Responsive cortical stimulation for the treatment of epilepsy. Neurotherapeutics. 5 (1), 68-74 (2008).
  12. 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).
  13. Abbott, A. Neuroprosthetics: In search of the sixth sense. Nature. 442, (2006).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Laxpati, N. G., et al. Real-time in vivo optogenetic neuromodulation and multielectrode electrophysiologic recording with NeuroRighter. Frontiers in Neuroengineering. 7, 40 (2014).
  17. Su, Y., et al. A wireless 32-channel implantable bidirectional brain machine interface. Sensors. 16 (10), 1582 (2016).
  18. Ciliberti, D., Kloosterman, F. Falcon: a highly flexible open-source software for closed-loop neuroscience. Journal of Neural Engineering. 14 (4), 045004 (2017).
  19. Luczak, A., Bartho, P., Harris, K. D. Gating of sensory input by spontaneous cortical activity. The Journal of Neuroscience. 33 (4), 1684-1695 (2013).
  20. 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).
  21. Schjetnan, A. G., Luczak, A. Recording Large-scale Neuronal Ensembles with Silicon Probes in the Anesthetized Rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Schjetnan, A. G. P., Luczak, A. Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
  25. Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. Journal of Visualized Experiments. (61), e3568 (2012).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Jiang, Z., et al. TaiNi: Maximizing research output whilst improving animals’ welfare in neurophysiology experiments. Scientific Reports. 7 (1), 8086 (2017).
  29. Gao, Z., et al. A cortico-cerebellar loop for motor planning. Nature. 563 (7729), 113 (2018).
  30. 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).
  31. 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).
  32. McNaughton, B. L. . Google Patents. , (1999).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Luczak, A., McNaughton, B. L., Harris, K. D. Packet-based communication in the cortex. Nature Reviews Neuroscience. , (2015).
  36. Luczak, A. . Analysis and Modeling of Coordinated Multi-neuronal Activity. , 163-182 (2015).

Play Video

Cite This Article
Molina, L. A., Ivan, V. E., Gruber, A. J., Luczak, A. Using Neuron Spiking Activity to Trigger Closed-Loop Stimuli in Neurophysiological Experiments. J. Vis. Exp. (153), e59812, doi:10.3791/59812 (2019).

View Video