Nokta gibi Tactile Stimuli çağrıştırıyor için Basit Uyarıcı Cihaz: LFP için Searchlight Geçişler Spike
25 Mart 2014
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 prosedürün genel amacı, hızlı ve nokta şeklinde stimülasyonlar için etkili, düşük maliyetli ve özel yapım bir duyusal stimülasyon cihazı önermektir. Bu, öncelikle stimülasyon cihazının kurulmasıyla gerçekleştirilir. İkinci adım ise, çok elektrotlu matrisin yerleştirilmesine olanak sağlamak amacıyla primer somatosensoriyel alan üzerinde bir kemik penceresi açılarak hayvanın elektrofizyolojik kayıtlar için hazırlanmasıdır.
Prosedürün üçüncü adımı, stimülasyon cihazını daha önce belirlenmiş yanıt veren pati bölgelerine yerleştirmektir. Son adım ise, kendiliğinden oluşan ve stimüle edilen en iyi LFP ve spiking yanıtlarını bulmaktır. Son olarak, spiking ve LFP yanıtları ad hoc algoritmalarla değerlendirilecektir.
Tekniğimizin biyoelektrik stimülatörler gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, cihazımızın ilgi duyulan bölgelerde çok hızlı ve nokta şeklinde stimülasyonlar üretebilmesidir. Bu yöntem, lokal yüzgeç potansiyellerinden spike'lara (dikensel potansiyeller) geçiş ve tersi gibi nörofizyolojideki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Kutup stimülasyonu için hayvan preparasyonunu laboratuvarımdaki doktora öğrencisi Saini gösterecek, cihazın teknik kurulumunu ise laboratuvarımdaki bir asistanımla birlikte Dr. Antonio Zippo gösterecektir.
Bu prosedür programında, her saniye iki çift akım darbesi iletecek şekilde bir mikrodenetleyici programlayın; mikrodenetleyiciyi, breadboard'u, orta menzilli hoparlörü, sürücüyü ve yapıştırıcıyı bir masaya yerleştirin. Ardından, küt uçlu bir kaktüs sapını orta menzilli hoparlörün yüzeyine dik olarak monte edin. Hoparlörü ve mikrodenetleyiciyi, temel pasif bileşenlerle birlikte bir L 293 DH köprüsü aracılığıyla birleştirin.
Ardından, stereotaksik cerrahi için mikrodenetleyiciyi 12 voltluk şarj edilebilir bir bataryaya bağlayın. Barbitürat çözeltisinin IP enjeksiyonu ile anestezi uygulanan sıçanı stereotaksik bir aparata yerleştirdikten sonra, başını kulak barları ve ağızlık ile sabitleyin. Daha sonra, elektronik kontrollü bir ısıtma pedi yardımıyla stereotaksik pedin sıcaklığını 37.5 °C düzeyinde tutun.
Ardından, kafa kubbesini povidon iyot ile dikkatlice temizleyin. Topikal antiseptik uygulamasının ardından, burun tabanından oksipital kemiğe kadar orta hat boyunca kesi yapın ve cildi bir ekartör ile iki küçük cocker pensiyle sabitleyin. Şimdi periostu belirleyin ve ince uçlu bir aletle kemik kubbeden sıyırarak çıkarın.
Medial sagital ve koronal sütürlerin kesişme noktasına kalemle bgma işaretleyin. Ardından, cerrahi mikroskop altında, somatosensör korteks üzerinde yer alan ve deneyde kullanılan arka pençenin kontralateralinde bulunan somatosensör arka ekstremite alanını belirleyin. Delinecek deliği sınırlandırmak için ince uçlu bir kalemle bir kare çizin.
Ardından, önceden işaretlenmiş karenin üzerine dokuz milimetrekarelik bir delik açın. Kemik parçasını çıkartın ve dura mater'i dikkatlice kaldırın. Kortikal yüzeyi 37,5 °C sıcaklıktaki yapay beyin omurilik sıvısına batırılmış cerrahi bir süngerle örtün.
Ardından, elektrot matrisini elektronik bir mikromanipülatöre bağlı bir tutucuya sabitleyin. Matrisin baş kısmını bir mikro konnektör aracılığıyla ön yükseltece bağlayın. Cerrahi mikroskop altında, elektrot matrisini kortikal yüzeye değdirmeden manuel olarak indirin.
Ardından ses amplifikatörlerini açın ve belirgin bir gürültü ile belli olana kadar elektrot matrisini kortikal yüzeye değene kadar indirmeye devam edin. Sonrasında, 350 ila 400 mikron derinlikteki kortikal dördüncü tabakaya ulaşılana kadar elektrot matrisini, adım başına iki mikron olacak şekilde elektronik kontrollü adımlarla indirin. Daha sonra, kontralateral posterior pat üzerine hafif dokunuşlar yaparak nöronların tepkiselliğini kontrol edin.
Net bir spiking yanıtı gözlemlenene kadar derinliği birkaç adım daha ayarlayın. Yazılımın band geçiren filtresini 1,0 ile 6.000 hertz arasına, örnekleme hızını ise 32 kilohertz'e ayarlayın ve nöronal sinyal kaydını başlatın. Beş dakikalık kayıttan sonra deneyi sonlandırın ve kaydedilen verileri son işlem için binary formatında dışa aktarın.
Wave underscore plus araç kutusunu kullanarak spike sorting prosedürünü gerçekleştirin. Bu prosedürde, eklem torsiyonlarından kaçınarak ve LAR yüzeyini açığa çıkararak arka pençenin dorsal kısmını sabit bir çerçeveye yapıştırın. Ardından, stimülasyon cihazının ucunu istenen ekstremite P pençe pozisyonuna yerleştirin ve stimülasyon cihazını açın.
Bu prosedürün ardından araştırmacılar, hem düşük hem de hızlı somatik uyaranlardaki bilgi işlemeyi inceleyebilirler. Bu cihazın geliştirilmesinden sonra araştırmacılar ve klinisyenler, hem normal deneklerde hem de hastalarla hafif dokunma uyaranının sinyal işlemedeki nöral hesaplama farkını ve detaylarını analiz edip anlayabileceklerdir.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, hassas nokta benzeri mekanik stimülasyonlar için tasarlanmış özel yapım bir duyusal stimülasyon cihazını sunmaktadır. Cihazın etkinliği, Yerel Alan Potansiyellerinden (LFPs) spike aktivitelerine geçişe odaklanılarak, primer somatosensoriyel korteksteki elektrofizyolojik kayıtlar aracılığıyla değerlendirilmiştir.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Elektrofizyoloji
- Somatosensoriyel işleme
Arka Plan
- LFP'lerden spike'lara geçişi anlamak nörobilimde kritik öneme sahiptir.
- Mekanik stimülasyonlar önemli nöral yanıtlar uyandırabilir.
- Özel tasarım cihazlar, duyusal stimülasyonun hassasiyetini artırabilir.
- Çok amaçlı optimizasyon stratejileri, spiking aktivitelerini etkili bir şekilde analiz edebilir.
Çalışmanın Amacı
- Düşük maliyetli bir duyusal uyarıcı cihaz geliştirmek.
- Hızlı ve hassas mekanik uyarımlar gerçekleştirmek.
- Somatosensoriyel korteksteki spiking ve LFP yanıtlarını analiz etmek.
Kullanılan Yöntemler
- Özel bir duyusal stimülasyon cihazının yapımı.
- Elektrofizyolojik kayıtlar için hayvanın hazırlanması.
- Stimülasyon cihazının duyarlı pati bölgelerine yerleştirilmesi.
- Ad hoc algoritmalar kullanılarak LFP ve spiking yanıtlarının değerlendirilmesi.
Temel Sonuçlar
- Cihaz, milisaniye hassasiyetinde taktil stimülasyonlar uygulamıştır.
- Somatosensoriyel korteksten spiking aktiviteleri başarıyla kaydedilmiştir.
- Çok amaçlı optimizasyon stratejileri, nöral yanıtlar hakkında içgörüler sağlamıştır.
- Sonuçlar, özel tasarım cihazın etkinliğini ortaya koymuştur.
Sonuçlar
- Özel duyusal stimülasyon cihazı, hassas stimülasyonlar için etkilidir.
- Somatosensoriyel korteksteki nöral yanıtların incelenmesini kolaylaştırır.
- Gelecekteki uygulamalar, duyusal işlemleme konusundaki anlayışımızı geliştirebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Sektörel Uygunluk Özeti
Yerel Alan Potansiyellerinden (LFP'ler) spike aktivitesine geçişin anlaşılması, nörobilim temelli ilaç keşfinde hedef doğrulamanın risklerini azaltmak için kritik öneme sahiptir. Bu özel stimülasyon cihazı, nöral devre dinamiklerini incelemek amacıyla hassas ve yüksek frekanslı taktil stimülasyon sağlayarak, duyusal işlemleme bozukluklarında yer alan hedeflerin mekanistik olarak risklerinin azaltılmasını destekler. Bu yaklaşım, hücre dışı LFP imzalarını spike düzeyindeki nöral çıktılarla ilişkilendirerek, hedef etkileşimi konusunda öngörücü güven sağlar.
Biyofarma Ar-Ge'de Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Kortikal devrelerde LFP dinamikleri ile spike oluşumu arasındaki nedensel ilişkiyi izole ederek terapötik hipotezlerin sorgulanmasına olanak tanır.
- Operasyonel Değer: Nöral yanıt verebilirliği milisaniye hassasiyetinde haritalamak için nokta benzeri stimülasyonlar kullanan, fonksiyonel hedef doğrulaması için tekrarlanabilir bir platform sağlar.
- Öngörücü Değer: Hastalıkla ilgili sistemlerde LFP-spike geçiş modellerini güvenilir şekilde değiştiren hedefleri belirleyerek portföy önceliklendirmesini destekler.
Tarama ve Assay Geliştirme
- Bilimsel Değer: Somatosensör yolaklardaki bileşik taramaları için güçlü biyobelirteçler görevi gören, nicelendirilebilir ve zamana bağlı nöral yanıtlar sağlar.
- Operasyonel Değer: Deneyler genelinde stimülasyon parametrelerini standardize ederek, güvenilir doz-yanıt profillemesi için LFP ve spike okumalarındaki değişkenliği azaltır.
- Ölçeklenebilirlik: Düşük maliyetli ve modüler tasarım, birden fazla elektrofizyoloji düzeneğinde yeniden kullanıma olanak tanıyarak mekanosensitif hedeflerin yüksek kapasiteli validasyonunu destekler.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Translasyonel Uygunluk: LFP sinyalleri aracılığıyla spike aktivitesindeki denemeden denemeye değişen dalgalanmaları yakalayarak, biyobelirteçlerin epilepsi ve Parkinson hastalığı modellerindeki klinik elektrofizyoloji ile uyumlu hale getirilmesini sağlar.
- Preklinik Süreklilik: In vivo ortamda doğal stimülüs-yanıt dinamiklerini koruyarak, in vitro bulguları bozulmamış devre fonksiyonuna bağlar.
- Risk Ayarlı İlerleme: Aday bileşiklerin LFP tarafından öngörülen spike olasılığını gerçek zamanlı olarak nasıl değiştirdiğini nicelleştirerek, devam/dur kararlarını kolaylaştırır.
İş Akışı ve Boru Hattı Entegrasyonu
Bu yöntem, nöral devre fonksiyonlarını incelemek için kontrollü bir girdi sağlayarak erken keşif iş akışlarına entegre olur ve stimülüsle tetiklenen yanıtların objektif ölçümü yoluyla ön aday belirleme sürecini doğrudan destekler.
- Keşif Biyolojisi: Duyusal yolaklardaki nöral hesaplamayı izole etmek için hassas mekanik stimülasyonlar sağlayarak hipotez testlerini destekler.
- Tarama: Denemeler boyunca tutarlı LFP ve spike çıktıları veren kararlı, rezonanssız stimülasyon yoluyla assay hazırlığına olanak tanır.
- Analitik: Nöral tahminin istatistiksel modellerini bilgilendiren kantitatif bağımlı değişkenler (LFP genliği, spike zamanlaması, deneme değişkenliği) üretir.
- Translasyonel Araştırma: Nörolojik bozukluklardaki insan elektrofizyolojik imzalarıyla ilgili LFP-spike ilişkilerini yakalayarak preklinik doğrulama ile uyum sağlar.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Laboratuvarlar ve projeler arasında yeniden kullanılabilir bir stimülasyon modülü olarak işlev görerek mekanosensoriyel hedef doğrulama için yeniden geliştirme maliyetlerini azaltır.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: LFP'den spike'a geçiş dinamiklerine dair doğrudan kanıtlar sunarak hedef doğrulamadaki mekanistik belirsizliği azaltır.
- Operasyonel Değer: Stimülasyonun hassas spatiotemporal kontrolü yoluyla tekrarlanabilirliği sağlar ve elektrofizyolojik analizlerdeki karıştırıcı değişkenleri minimize eder.
- Stratejik Değer: Spike aktivitesinin öngörücü LFP tabanlı modelleri aracılığıyla hedeflerin erken aşamada riskten arındırılmasını sağlayarak sermaye verimliliğini artırır.
- Portföy Etkisi: Güçlü LFP-spike eşleşmesine sahip hedefleri belirleyerek, fonksiyonel modülasyonda daha yüksek güvenilirlik gösteren hedeflere yönelik risk ayarlı önceliklendirmeyi destekler.
Uygulama Hususları
- Stimülasyonla uyarılan yanıtların uygulanması ve yorumlanması için elektrofizyoloji, mikrofabrikasyon ve nöral sinyal işleme konularında uzmanlık gerektirir.
- Taktil stimülasyonların ve nöral aktivitenin iletimi ve kaydı için mikrodenetleyiciler, amplifikatörler ve elektrot matrislerini içeren enstrümantasyona bağlıdır.
- Farklı merkezler arasında tekrarlanabilirliği sağlamak için stimülasyon protokollerinin ve sinyal işleme hatlarının ekipler arası standardizasyonunu gerektirir.
- Cihazın farklı model sistemlere veya somatosensoriyel korteks dışındaki stimülasyon bölgelerine uyarlanması durumunda adaptasyon hususlarını içerir.
- Prosedür iş akışında belirtildiği üzere, uyarılan yanıtları arka plan nöral aktivitesinden izole etmek için gereken cerrahi hazırlık ve sinyal filtreleme ihtiyacı ile sınırlıdır.
