Hafif mekanik çevresel uyaranlara uygun bir uyarıcı sivri Yerel Alan Potansiyelleri (LFPs) gelen karmaşık geçişi aydınlatmak için inşa edilmiştir. Bir uygulama olarak, duyusal korteks kaydedilen engelleyici faaliyetler bir çok objektif optimizasyon stratejisi ile analiz edildi. Sonuçlar önerilen stimülatör milisaniye ve milimetre kesinleşmemiş ile dokunsal uyaranlara teslim mümkün olduğunu göstermiştir.
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.
Yöntem makalesi
Nokta gibi Tactile Stimuli çağrıştırıyor için Basit Uyarıcı Cihaz: LFP için Searchlight Geçişler Spike
Bu makalede
Özet
Özet
Şu nörofizyolojik araştırma ani için yani Yerel Alan Potansiyelleri sivri (LFPs) dan geçişler ve LFPs gelen nöron nöron sinyal yolu, araştırmak için yöntemler geliştirmek amacı vardır.
LFPs başak aktivite karmaşık bir bağımlılığı vardır ve bunların ilişkisi hala tam 1 anlaşılmaktadır. Bu sinyal ilişkilerin aydınlatılması klinik teşhis (Derin beyin stimülasyonu örneğin stimülasyon paradigmalar) ve normal ve patolojik koşullar (örn. epilepsi, Parkinson hastalığı, kronik ağrı) nöral kodlama stratejilerinin daha derin bir anlama için hem yararlı olacaktır. Bu amaçla, bir stimülasyon cihazları, stimülasyon paradigmalar ve hesaplamalı analizler ile ilgili teknik sorunları çözmek için vardır. Bu nedenle, ısmarlama bir uyarım cihazı mekanik rezonans uğramayan de uzay ve zaman içinde düzenlenmiş uyaranlara sunmak için geliştirilmiştir. Daha sonra,bir örnek olarak, güvenilir LFP-başak ilişkilerin bir dizi ekstre edildi.
Cihazın performansı, hücre dışı kayıtları ile araştırılmıştır birlikte ani ve sıçan birincil Somatosensori korteksinden uygulanan uyarımlarına LFP tepkiler. Daha sonra, çok amaçlı optimizasyon stratejisi ile, LFPs göre başak bir meydana geliş için bir tahmin modeli tahmin edilmiştir.
Bu paradigma uygulama cihazın yeterli ortak piezoelektrik aktüatörler daha iyi performans, yüksek frekans dokunma uyarımı sağlamak için uygun olduğunu göstermektedir. Cihazın etkinliği bir kanıtı olarak, aşağıdaki sonuçlar sunulmuştur: 1) LFP yanıtlarının zamanlaması ve güvenilirliği de, büyük çivi yanıtları eşleşen 2) LFPs uyarım tarihine karşı duyarlıdır ve ortalama tepki sadece yakalama değil, aynı zamanda başak aktivite ve nihayet, 3) LFP kullanarak deneme-to-deneme dalgalanmalar bir aralık o tahmin etmek mümkündür sinyalf başak aktivite farklı yönlerini yakalamak prediktif modeller.
Giriş
Sinyali bağlamında dürtü yanıtı işlem bir dinamik sistem davranışı temel bir tanımlamasını sağlamaktadır.
Ideal bir darbe uyarıcı pratikte elde değil de, yüksek frekans yer değiştirmeleri üreten bir tahrik elemanı ile bunun tahmini bir bilgi elde etmek mümkündür. Hafif dokunma-titreşimli Bu tür uyarım hem derin cilt (örneğin hızlı, yanıt hızlı Pacinian cisimcikleri uyarlama) 2 ve yüzeysel reseptörleri (örneğin, düşük eşik yavaş Merkel diskoit yapılarını adapte) 2 hedef bilinmektedir.
Mevcut stimülasyon cihazları, özellikle piezoelektrik aktüatörler, sakıncaları bir dizi, en azından yankılar ve küçük değiştirmeler ile tahsil edilir. Bu kusurları üstesinden gelmek için, darbe gibi uyarmanın alternatif uygulama dikey Köreldiğini ipucu (bizim durumumuzda bir kaktüs yumuşatılmış ucu) kullanılarak önerilmiştirBir orta menzilli hoparlör konisi membran merkezine monte edilmiş. Bu daha büyük yer değiştirmeler ve daha geniş frekans spektrumu avantaj sağlar.
Böyle bir cihazın etkin bir uygulama için, bağımlılık ani LFPs ilgili nörofizyolojik sorunun çalışmadır. Çünkü bu elektrikli olaylar arasındaki ince zamansal dernek ince ayarlı cihaz çevresel uyaranlara teslim için gerekli. Uyaranlar "arka plan gürültüsünü" azaltmak ve faiz sinyalleri keskinleştirmek için hızlı ve mümkün olduğu mekansal olarak seçici olmak zorunda. Bu amaçla, uyarım cihazı ve uyarıcı teslim protokolü ortak görev için optimize edilmiştir. Bu yazıda, tekniği tanımlamak ve bazı temsilcisi sonuçları sunmak.
Randomize eşleştirilmiş-bakliyat göre bir uyarma protokolü alışkanlık önlemek amacıyla tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Bu protokol, klasik çift avantajı sundubakliyat ed ve uyarılara ve nöronal aktivitenin kendiliğinden periyodik darbeler arasında geçici kilitleme olasılığı azalır.
Kullanarak bu hızlı ve güvenilir LFP ve başak yanıtları elde etmek ve stimülasyon tarih hem LFPs ve ani bağımlılığı ile ilgili bu tepkilerin özelliğini yakalamak mümkün oldu eşleştirilmiş nabzını randomize. Gerçekten de, ham LFP yanıtlardan, üç işgücüne bir dizi güçlü bir ortalama başak tepki ile korelasyon (LFP kendisi, birinci türevinin LFP birinci türevi ve faz) sahiptir, ayrıca ekstre edilmiştir.
Birkaç yöntem LFPs 3,4 'den ani tahmin modelleri uygun önerilmiştir. Genel olarak, ortak de uyarıcı sinyal başak olayın tahmin, en aza indirmek / üst düzeye çıkarmak için amaç fonksiyonu uygun seçimi ile model uydurma sürecinin kritik bir nokta oluşur. Amaç fonksiyonu bir dizi teklif olsa daBu d (örneğin korelasyon ve akıcılık) 5 hiçbiri ortaklaşa başak tepkilerin bütün karmaşıklığını yakalar. Buna göre, çok amaçlı optimizasyonu dayalı yeni bir çerçeve tanıtıldı. Biz gösteriyor ki önerilen tasarladı ve bu hesaplama framework ilişkileri başak güçlü LFP dayalı öngörü modelleri bir dizi tahmin etmek mümkündür kullanarak.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Protokol
Etik Bildirimi
Duyusal uyaranlar nöronal aktivitenin tarafından nasıl temsil edildiğini incelemek için hayvanların kullanımı ve in vivo yaklaşım kullanımına karşı hiçbir alternatif yoktur. Bütün hayvanlar Bilimsel Araştırma (İtalyanca Biyoetik Komitesi, Araştırma Hayvanların Tedavisinde Hakkında Kanun Hükmünde Kararname, 27 Jan 1992, No 116) hayvan tedavisinde İtalyan ve Avrupa Yasaları boyunca tedavi edilmiştir. Deneyler yapılmıştır Ulusal Araştırma Konseyi, Birleşmiş Milletler Eğitim, Bilim ve Kültür Kuruluşları (UNESCO), Tıp Bilimleri Uluslararası Organizasyonlar Konseyi (adına Laboratuar Hayvan Bilimi Uluslararası Komitesi (ICLAS) yapışır CIOMS ) ve Biyolojik Bilimler Uluslararası Birliği (IUBS). Gibi, hiç bir protokol özgü onayı gerekli oldu. Sağlık Bakanlığı'nın onayı ve Etik Komitesi dosyalarının içine "Biella 1, 3/2011" olarak sınıflandırılırMilan Üniversitesi.
1.. Deney Hayvanlarının hazırlanması
- Erkek, dişi büyüklüğü yaklaşık 300-400 gr seçin.
- Deneysel hazırlanması için sıçan anestezisi.
- Periton boşluğu içine bir barbitürat çözeltisi (indüksiyon için pentobarbital, 50 mg / kg, bakım için 10 mg / kg) enjekte edilir.
- Hiçbir geri çekme refleksi oluşur sağlayan bir pençe üzerinde alçak eşiği ve yüksek eşik mekanik uyaranlarla anestezi seviyesini kontrol edin.
- Doğru ve sonra kranial yüzeyini açığa çıkarmak için bir kesi yapmak kranial tonoz tıraş tarafından kranial cildi hazırlayın.
- Trakea kendi etrafında cerrahi ligasyon ile sabitleme bir trakeal kanül (2 mm ve 2.5 mm arasında bir dış çapa sahip iç çapı) ile, trakea Cannulate.
- Yanal trakeal segmente juguler ven açığa ve kabın çevresinde cerrahi ligasyon ile sabitleme eden bir şınngaya bağlanmış bir kanül (PE10) sokulması da kanüle.
- Stereotaksik aparat üzerine sıçan monte edin.
- Sırtüstü pozisyonda sıçan vücut ve yer güvenli.
- Kulak çubukları ile başını düzeltmek ve burun engellemek. Kulak çubukları yerleştirmeden önce sıçan kulak lokal anestezik (lidokain) bir veya iki damla koyun.
- 37.5 ° C'da sıcaklık muhafaza, bir elektronik olarak kontrollü bir ısıtma yastığı ile stereotaksik pedin sıcaklığını düzenlemek
- Solunum anestezi cihazına trakeal tüp bağlayın.
- 1 inme / s izofluran (% 2.5 0.4-0.8 L / dk) teslim ve O 2 (0.15-0.2 L / dk) solunum anestezi cihazı ayarlayın.
- Povidon-iyot topikal antiseptik tarafından dikkatle kranial tonoz temizleyin.
- Steril bir neşter almak ve oksipital kemiğin açısına burnu temelinde gelen orta hat üzerinde uzunlamasına kesilir.
- Bir ekartör tarafından yara sınırları çatallanmak ve iki küçük cocker forseps ile bunları düzeltmek uygulanan tyara sınırları o.
- Saydam yüzey gözlemleyerek bir kafatası tonoz üzerinde bir ışık işaret ederek periost tanımlayın. Dikkatle kemik tonoz periost kaldırılması ve kemik yüzeyini açığa Scratch.
- Fokal kanamalar, kemik üzerinde görünür eğer kemik yüzey üzerinde bir ucu pamuklu veya cerrahi sünger ile hemostaz sağlayın.
- Ince uçlu kalem ile, mediosagittal ve koronal suturas çapraz noktasında stereotaktik nokta bregma tanımlamak.
- Cerrahi mikroskop denetimi altında, deney (Bregma, AP -0.5 1.2 mm, 2.5 mm LL -2.3) için kullanılan arka pençeye somatosensory korteks Kontralateral kaplayan stereotaktik alanını (S1HL) tanımlar.
- Ince uçlu kalem ile delinecek delik sınırlayan kare çevresini çizin.
- Kemik kiremit çıkarmadan önce tanımlanmış mavi meydanında bir 9 mm 2 delik delin.
- Temizleyin ve potansiyel kemik kanamalara emer.
- Dikkatle dura mater kaldırmak ve 37.5 ° C'de muhafaza yapay beyin omurilik sıvısı batırılmış bir cerrahi sünger ile kortikal yüzeyini kaplayan
- Elektronik bir mikromanipülatör bağlı bir tutucuya elektrot matris düzeltildi.
- Bir microconnector ile ön amplifikatöre matrisin baş bağlayın.
- (Dokunmadan) kortikal yüzeye kadar (cerrahi mikroskop kontrolü altında) elle elektrot matrisi sürün.
- Işitsel sinyali ile amplifikatörler açınız.
- Elektronik kumanda ile sürücü, temas edene kadar kortikal yüzeye dokunmak elektrot matris net bir gürültü ses değişikliği ile bildirilir, ulaşılır.
- 350-400 mikron bir derinlik (kortikal tabaka IV) ulaşılana kadar elektronik kontrollü adımlarla (2 mm / adım) ile elektrot matrisi aşağı çekin.
- Kontralateral posterior pençe üzerinde hafif dokunuşlar ile nöronların yanıt kontrol.
- Net bir engelleyici tepki gözlenir kadar birkaç başka adımlarla derinliğini ayarlayın.
- Intravenöz thriethiodide galamin (20 mg / kg / saat) ile sıçan felç. Kürarizasyon seviyeleri (0,2 ml / 1 saat) muhafaza edilmesi için deney boyunca kırılan dozlar kullanarak.
2. Sinyal Tedavi
- [0.1 6000] Hz yazılım bant geçiren filtre ayarlayın.
- 32 KHz 8 kanal mikroelektrot matris nöronal sinyalleri kaydedin.
- Satın alma bittikten sonra, post-processing için uygun bir ikili biçime kaydedilen sinyalleri ihracat.
- Wave_clus araç kutusu 11 ile başak sıralama prosedürü uygulayın.
3. İmalat ve Uyarım Cihazın Konfigürasyon
- Dik kap sap temelini yapıştırma bir orta menzilli hoparlör yüzeyine (Kör uçlu) bir kaktüs sapı monte edin.
- Programhoparlör için bir sürücü devresine voltaj darbeleri teslim mikroişlemci.
- (Şekil 1C bakınız) mevcut her saniye iki eşleştirilmiş darbeleri sunmak için mikro programı.
- Temel pasif bileşenleri (Şekil 1A bakınız) ile bir L293D h-köprü vasıtasıyla hoparlör ve mikrodenetleyici birleştirin.
- 12 V şarj edilebilir pil için mikrodenetleyici bağlayın.
4. Uyarım Protokol
- Volar yüzeye maruz bırakılması ve eklem büküm kaçınarak katı çerçeveye arka pençesine dorsal yönü Tutkal.
- İstenen uzantı / pençe konumu üzerine uyarım aygıtının ucu yerleştirin.
- Stimülasyon cihazı açın.
Çevrimdışı adımlar:
5. Spike Yanıtların Değerlendirilmesi
- Kaydedilen her bir nöron için, hesaplamak uyaran Shannon Karşılıklı Bilgi (MI) spike aktivitesini uyarılmış (uyarıcı category ya 1, uyarıcı veya 0, hiçbir uyarıcı) 'dir.
- S uyarıcı kategorisini temsil eder ve r sabit bir zaman dilimi içinde yayılan sivri sayısını temsil | koşullu tepki olasılık p (s r) tahmin.
- Karıştırma prosedür 9 açıklanan kullanarak MI tahmin düzeltin.
6. LFP Yanıtların Değerlendirilmesi
- LFP sinyali elde etmek için frekans aralığında [0.1 100] Hz kaydedilen sinyali filtre
- Hesaplayın LFPSNR, referans 10 içinde açıklandığı gibi, LFP yanıt bir ölçüsüdür.
7. Model Tahmini
- Formun bir model oluşturmak
x argümanlar <üç farklı LFP özellikleri (x 1 LFP kendisi temsil eder aşağıdaki gibi em> x 2 türev ve x, 3 Hilbert onun türevinin faz) ve F olarak ifade edilir
g katsayıları lineer bir kombinasyonu ağırlıkları ve f mutlak değerini, gücünü veya her x, i orijinal değerini ya alan bir operatördür. - Uyum i) yerel, deneme-to-deneme temeli, ölçü: aşağıdaki üç nesneleri kullanarak model parametreleri ve operatörleri tahmin etmek NSGAII algoritma kullanın
, N sp ve N r temsil ettiği sırasıyla genel sivri saymak ve yanıt vektörünün uzunluğu; ortalama yanıta göre uyum ii) küresel bir önlemad/50941/50941eq4.jpg "width =" 205 "/> nerede N solunum ortalama yanıtın uzunluğunu temsil eder; iii) modeli karmaşıklık bir ölçü (ayrıca bkz) 10 
.
8. Histolojik Onay
- Sıçan kurban.
- Deneysel kayıtların sonunda, derin gaz anesteziler (Isoflurane 2,% 4, L / dakika) altına koymak ve hayvan intravenöz (pentobarbital> 50 mg / kg), bir barbiturat aşırı dozda enjekte edilir.
- Kalp tutuklama bekleyin.
- Stereotaksik aygıtından sıçan çözün
- Perfüzyon.
- Perfüzyon kan ve sıvıları toplamak için bir havza üzerine bir ızgara üzerine döşeme sıçan yerleştirin.
- Kaburga yapışma yerinden ayrılması sternumu diseksiyon tarafından toraks açın.
- Bir cocker forseps ve devrilme cr ile sternum xiphoid sürecini engellemeanially kalp üzerinde sternum ve ayrılmak kaburga.
- , Sol ventrikül ve sağ atrium tespit ventrikül içine (perfüzyon kanül bağlı) dokuz ölçü köreltilmiş ucu iğne yerleştirin ve cerrahi ince makas ile sağ atrium açın.
- % 4 formalin çözeltisi (250 mi) içinde perfüzyon ardından soğuk (4 ° C) heparinize fizyolojik solüsyon (250 mi) ile perfüzyon başlayın.
- Uygun bir forseps ile kafatası açarak kafatası beyin ekstresi ve% 10 formalin çözeltisi içinde beyin yerleştirin.
- Bir hafta sonra, bir mikrotom (10 mikron kalınlığında) ile histolojik dilimleri hazırlamak.
- Cresyl viyole solüsyonu ile beyin koronal ve sagital bölümleri Leke.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Sonuçlar
İpucu gezi özellikleri
Önerilen uyarıcı cihazın dinamik özelliklerini karakterize etmek için bir deneyler serisi oluşturulmuştur. Bir silikon fototransistör ile birlikte yayan diyot enfraruj bir galyum arsenit oluşan bir özel cihaz ucu yer değiştirme, yer değiştirme süresini ve olası değiştirme gecikmeleri değerlendirmek için kullanıldı. Bu optik ayar anahtarının vasıtasıyla biz yayan diyot delik (yükseklik = 1 mm) kenarında Stimülatör ucu yerleştirilir ve mikro ve phototransistor çıkışları iki...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Tartışma
Bu çalışma öncelikle hızlı ve mekansal noktası gibi duyusal uyaranlara teslim sağlayan, yeni, basit ve düşük maliyetli cihaz sundu. Sonra bir randomize eşleştirilmiş nabız uyarma protokolü ve hesaplamalı analizlerin bir dizi valide edildi. Genel amacı dokunsal uyarılması sırasında elektrofizyolojik kayıtlar LFP-başak ilişkilerin tahmini için bir çerçeve kurmak oldu.
Cihaz, protokol ve analitik yaklaşım ortaklaşa yani LFP-to-başak geçişleri açıklamak ve tahmin etmek mümkün deterministik yakla...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Açıklamalar
Yazarlar herhangi bir mali çıkarlarını beyan.
Teşekkürler
SN ve AGZ PON 01-01297 VIRTUALAB fonları tarafından desteklenmiştir.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Microstepper | AB Transvertex (Stockholm, İsveç) | Elektrot matrisini aşağı çekmek için kullanılan mikrostepper | |
| 32 kanallı Cheetah System | Neuralynx (MT, ABD) | Elektrofizyolojik kayıt sistemi | |
| L293D h-bridge | RS Bileşenleri (Cinisello Balsamo, İtalya)Mikrodenetleyiciyi | hoparlöre bağlamak için kullanılan köprü | |
| H21A3 Optik Kesici Switch | Fairchild Semiconductor Corporation (San Jose, California) | Uç yer değiştirmesini dengelemek için kullanılan fototransistör | |
| Hoparlöre | akım darbesi iletmek için kullanılan mikrodenetleyici | ||
| Mikroelektrot Matrisleri GB1 | FHC | ||
| Isoflurane | Rodia Organique Güzel Ltd | Hayvanları hazırlamak için kullanılan anestezik | |
| Stereotaksik cihaz | Narishighe (Tokyo, Japonya) | ||
| Sprague-Dawley erkek sıçanları | Charles River (Calco, LC, İtalya) | ||
| Gallamin thriethiodide | Sigma-Aldrich | Hayvanları kürleştirmek için kullanılan bileşik | |
| Cresyl violet | Sigma-Aldrich | ||
| Topikal antiseptikler (Betadine %10) | Meda Pharma (Milanm İtalya) | ||
| Heparin | Sigma-Aldrich | ||
| Formaldehit | Carlo Erba Reaktifleri (Pomigliano Milanese, Milano, İtalya) |
Kaynaklar
- Pesaran, B. Uncovering the Mysterious Origins of Local Field Potentials. Neuron. 61 (1-2), (2009).
- Delmas, P., Hao, J., Rodat-Despoix, L. Molecular Mechanisms of Mechanotrasduction in Mammalian Sensory Neurons. Nat. Rev. Neurosci. 12, 139-153 (2011).
- Rasch, M. J., Gretton, A., Murayama, Y., Maass, W., Logothetis, N. K. Inferring spike trains from local field potentials. J. Neurophys. 99 (3), 1461-1476 (2008).
- Galindo-Leon, E. E., Liu, R. C. Predicting stimulus-locked single unit spiking from cortical local field potentials. J. Comput. Neurosci. 29 (3), 581-597 (2010).
- Theunissen, F. E., David, S. V., Singh, N. C., Hsu, A., Vinje, W. E., Gallant, J. L. Estimating spatio-temporal receptive fields of auditory and visual neurons from their responses to natural stimuli. Network. 12 (3), 289 (2001).
- Victor, J. D., Purpura, K. Metric-space analysis of spike trains: theory, algorithms, and application. Network. 8, 127-164 (1997).
- Foffani, G., Chapin, J. K., Moxon, K. A. Computational Role of Large Receptive Fields in the Primary Somatosensory Cortex. J. Neurophysiol. 100 (1), 268-280 (2008).
- Microcontroller website. , Duemilanove, Italy. Available: http://arduino.cc (2014).
- Panzeri, S., Senatore, R., Montemurro, M. A., Petersen, R. S. Correcting for the sampling bias problem in spike train information measures. J. Neurophysiol. 98, 1064-1072 (2007).
- Storchi, R., Zippo, A. G., Caramenti, G. C., Valente, M., Biella, G. E. M. Predicting Spike Occurrence and Neuronal Responsiveness from LFPs in Primary Somatosensory Cortex. PLoS ONE. 7 (5), (2012).
- Quiroga, R. Q., Nadasdy, Z., Ben-Shaul, Y. Unsupervised Spike Detection and Sorting with Wavelets and Superparamagnetic Clustering. Neural Comput. 16, 1661-1687 (2004).
- Deb, K., Agrawal, A., Pratab, A., Meyarivan, T. A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-II IEEE. Trans. Evol. Comput. 6 (2), 181-197 (2000).
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yeniden basım ve izinler
