स्थानीय नेटवर्क प्रसंस्करण की जांच का उपयोग कर संपर्क मल्टी लैिमनार इलेक्ट्रोड रिकॉर्डिंग

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Neuroscience

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Summary

Cortical circuitry के बारे में हमारी समझ में एक बुनियादी मुद्दा है कैसे अलग cortical परतों में नेटवर्क संवेदी जानकारी सांकेतिक शब्दों में बदलना. यहाँ, हम electrophysiological बहु संपर्क लामिना इलेक्ट्रोड का उपयोग करने के लिए एकल इकाइयों और स्थानीय क्षेत्र क्षमता और वर्तमान के विश्लेषण को रिकॉर्ड करने के लिए cortical परतों की पहचान तकनीक का वर्णन.

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Hansen, B. J., Eagleman, S., Dragoi, V. Examining Local Network Processing using Multi-contact Laminar Electrode Recording. J. Vis. Exp. (55), e2806, doi:10.3791/2806 (2011).

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Abstract

Cortical परतों 1-4 कि अत्यधिक आवर्तक स्थानीय नेटवर्क से मिलकर neocortex भर सर्वव्यापी संरचनाओं हैं. हाल के वर्षों में महत्वपूर्ण प्रगति अलग cortical 5-8 परतों में न्यूरॉन्स की प्रतिक्रिया गुण में किया गया है मतभेदों के बारे में हमारी समझ में बनाया है, अभी तक वहाँ अभी भी एक महान सौदा करने के लिए कि क्या और neuronal कैसे आबादी में एक लामिना विशिष्ट जानकारी सांकेतिक शब्दों में बदलना के बारे में जानने के लिए छोड़ दिया है तरीके से.

मौजूदा बहु इलेक्ट्रोड सरणी तकनीक है, हालांकि cortical सतह के साथ cortical अंतरिक्ष के कई मिलीमीटर भर प्रतिक्रियाओं को मापने के लिए जानकारीपूर्ण है, लामिना cortical सर्किट के मुद्दे दृष्टिकोण के लिए अनुपयुक्त हैं. यहाँ, हम स्थापित करने और व्यक्तिगत न्यूरॉन्स और प्राथमिक दृश्य प्रांतस्था (v1) के cortical परतों के पार स्थानीय क्षेत्र क्षमता (LFPs) बहु संपर्क लामिना इलेक्ट्रोड का उपयोग रिकॉर्डिंग के लिए हमारे विधि प्रस्तुत (चित्रा 1, Plextrode यू - जांच, Plexon इंक).

शामिल तरीकों रिकॉर्डिंग डिवाइस निर्माण, cortical परतों की पहचान, और व्यक्तिगत न्यूरॉन्स के ग्रहणशील क्षेत्रों की पहचान कर रहे हैं. Cortical परतों की पहचान करने के लिए, हम पैदा की प्रतिक्रिया समय श्रृंखला LFP पूरे क्षेत्र छा उत्तेजनाओं का उपयोग क्षमता (ERPs) को मापने. हम तो वर्तमान स्रोत घनत्व विश्लेषण (सीएसडी) का प्रदर्शन polarity उलटा सिंक स्रोत (सिंक 4 परत के अंदर है, बाद में 9-12 बारीक परत के रूप में संदर्भित) 4 परत के आधार पर विन्यास के साथ की पहचान. वर्तमान स्रोत घनत्व उपयोगी है क्योंकि यह स्थान, दिशा, और transmembrane वर्तमान प्रवाह के घनत्व के एक सूचकांक प्रदान करता है, हमें सही सभी परतों के एक एकल प्रवेश में 6, 11, 12 से रिकॉर्ड करने के लिए इलेक्ट्रोड की स्थिति की अनुमति है.

Protocol

1. नेन Microdrive निर्माण

हम नेन इलेक्ट्रोड ड्राइव सिस्टम के साथ संयोजन में यू जांच का उपयोग करें. इस प्रणाली का निर्माण 2-3 घंटे की आवश्यकता है, लेकिन एक बार का निर्माण यह बहुत सरल है संशोधित करने के लिए. हम नेन टॉवर, जो एक आधार 4 - चैनल (2a चित्रा) शामिल कोडांतरण द्वारा शुरू, नेन कक्ष (चित्र 2b), 1 मिमी (चित्रा 2c) रिक्ति, 1-4 पेंच microdrives (चित्र 2d), 1 के साथ ग्रिड -4 गाइड (चित्रा 2e, 500 सुक्ष्ममापी व्यास और के बारे में 5-7 सेमी करने के लिए काट) ट्यूबों, और 1-4 Microdrive टावरों (चित्रा 2 एफ). सादगी के लिए, हम नेन के साथ एक टॉवर और एक यू जांच प्रणाली के निर्माण के लिए प्रक्रिया का वर्णन करेंगे. कुछ प्रशिक्षण के बाद, इस प्रक्रिया आम तौर पर 2-3 घंटे लगते अगर सभी सामग्री उपलब्ध हैं.

  1. नेन इलेक्ट्रोड ड्राइव विधानसभा का निर्माण करने के लिए, पहला उपाय विधानसभा के सभी उपकरण और टुकड़े आप (जैसे पुस्तिका ट्यूबों, गाइड तार, पूरा dremil सेट, नेन उपकरण और भागों और यू जांच) की आवश्यकता होगी. गाइड ट्यूबों उपाय इसलिए जब रिकॉर्डिंग डिवाइस से जुड़ी वे लंबे समय के लिए यह नुकसान पहुँचाए बिना dura के शीर्ष पर आराम करने के लिए पर्याप्त हैं.
  2. नेन इलेक्ट्रोड ड्राइव विधानसभा का निर्माण करने के लिए, पहली रिकॉर्डिंग कक्ष की गहराई को मापने. फिर, के बारे में 5-7 सेमी की लंबाई के साथ मापा गाइड ट्यूबों में कटौती. जबकि गाइड ट्यूबों काटने, एक करने के लिए सुनिश्चित करें कि कोई धातु के टुकड़े ट्यूब के अंदर प्रवेश करने की जरूरत है. एक कड़ी गाइड ट्यूब के अंदर व्यास ट्यूब के अंदर किसी भी धातु के टुकड़े को दूर करने की तुलना में छोटे तार का उपयोग करें.
  3. अगला, नेन आधार नेन ग्रिड में जगह है. दबाना पेंच और ग्रिड पेंच कस. एक बार बेस और ग्रिड सुरक्षित हैं, ब्याज की रिकॉर्डिंग के क्षेत्र की पहचान और नेन ग्रिड के नीचे के माध्यम से गाइड ट्यूब अग्रिम.
  4. ग्रिड के माध्यम से गाइड के ट्यूब दर्रा जब तक यह नेन चैम्बर के बाहर के बारे में 1-2 मिमी. एक बार पुस्तिका ट्यूब वांछित स्थान पर है, नेन Microdrive टॉवर कोडांतरण शुरू करते हैं.
  5. प्रत्येक नेन Microdrive टॉवर पर दो clamps हैं - एक मोटर शीर्ष दबाना ड्राइव, जबकि नीचे दबाना या तो जगह या ढीली में तय किया जा सकता है. यू जांच के सुदृढीकरण ट्यूब शीर्ष दबाना संलग्न. संलग्न गाइड ट्यूब के नीचे दबाना और superglue की एक छोटी राशि लागू पुस्तिका जगह में ट्यूब सुरक्षित. इस प्रणाली दोनों और अधिक स्थिर और अधिक दो clamps कि यू - जांच के सुदृढीकरण ट्यूब से जुड़े होते हैं के कारण सटीक है.
  6. ध्यान गाइड ट्यूब के शीर्ष के साथ यू जांच की नोक संरेखित और गाइड के ट्यूब के माध्यम से यू जांच से गुजारें जब तक आप नेन आधार करने के लिए टावर सुरक्षित कर सकते हैं. Thumbscrew के साथ टॉवर की स्थिति को समायोजित इतना है कि यू जांच या गाइड ट्यूब पर नहीं जोड़ा तनाव है.

2. यू - जांच नसबंदी

लामिना इलेक्ट्रोड या यू - जांच Plextrode Plexon इंक से खरीदा है और के बारे में $ 2000 की एक कीमत पर उपलब्ध है - $ 4000. संपर्क साइटों, साइटों के विन्यास, और प्रत्येक साइट के व्यास की संख्या: मूल्य के तीन मुख्य पहलुओं पर निर्भर करता है. वर्तमान में हम एक रैखिक विन्यास के साथ संस्करण के 16 चैनल और 25 सुक्ष्ममापी के संपर्क व्यास का उपयोग कर रहे हैं. महत्वपूर्ण बात, यू जांच की मोटाई सीधे संपर्क व्यास से संबंधित है. हमारे प्रयोगों में, हम हमेशा 25 सुक्ष्ममापी व्यास संपर्कों, जो एक 360 सुक्ष्ममापी मोटाई के बराबर है का इस्तेमाल किया है. हमारे संस्करण मॉडल के लिए वर्तमान लागत लगभग $ 3500 डॉलर है. यू जांच jumpers और ग्राउंडिंग तार और खरीद से वितरण के लिए नेतृत्व समय लगभग 4-6 सप्ताह है के साथ एक इलेक्ट्रोड मामले में पैक आता है.

  1. सिलेंडर के आधार पर नेन प्रणाली प्लेस और इसी टावरों मोटर केबल कनेक्ट. कई टावरों का उपयोग कर यदि रंग कोडित ज़िप संबंधों मोटर केबल और टावरों के बीच भेद करने में मदद करने के लिए उपयोग किया जाता है.
  2. नेन सॉफ्टवेयर प्रोग्राम का प्रयोग, यू - जांच को आगे बढ़ाने शुरू करने के लिए, या तो एक लक्ष्य की स्थिति है कि स्वचालित रूप से अग्रिम यू जांच या उस स्थान पर क्लिक 'डाउन' नेन सॉफ्टवेयर इंटरफ़ेस पर द्वारा सेट. यू जांच टिप के कम से कम 10 मिमी पर इतना है कि नेन चैम्बर के अंत अतीत गाइड ट्यूब के माध्यम से अग्रिम.
  3. यू जांच MetriCide सक्रिय Dialdehyde समाधान में प्रत्यारोपित रिकॉर्डिंग कक्ष के लिए नेन आधार संलग्न करने से पहले 20-30 मिनट के लिए जगह बाँझ. उसके बाद, बाँझ पानी के साथ यू - जांच और नेन आधार कुल्ला.
  4. Retracting के द्वारा नेन सॉफ्टवेयर स्थानों यू जांच इतना है कि टिप गाइड ट्यूब के अंदर सिर्फ शून्य. नेन सॉफ्टवेयर में सभी पदों पर शून्य क्लिक करें.
  5. प्रत्यारोपित रिकॉर्डिंग कक्ष के लिए नेन आधार देते हैं और सभी चार शिकंजा कस. फिर, एक पिन है कि रिकार्डिंग कक्ष के पक्ष में है के अनुसार आधार संरेखित करें. सभी चार शिकंजा कस और सुनिश्चित करें कि नेन आधार सुरक्षित रिकॉर्डिंग कक्ष से जुड़ा हुआ है.

3. रिकॉर्डिंग के लिए यू जांच आगे बढ़ने

यह देखते हुए कि शक्ति और dura के विषयों के बीच अत्यधिक चर मोटाई है, हम U समर्थक को आगे बढ़ाने के लिए एक सामान्य प्रक्रिया को लागू किया हैनेन Microdrive प्रणाली का उपयोग किया. महत्वपूर्ण बात है, प्रत्येक यू - जांच प्रत्येक संपर्क प्रतिबाधा और यू जांच के लिए समग्र रेंजर की एक विस्तृत विश्लेषण के साथ आता है. हम इलेक्ट्रोड संपर्कों जिसका impedances 0.3-0.5 MΩ से लेकर का इस्तेमाल किया. इस समय वहाँ एक प्रतिबाधा Plexon से खरीद के लिए उपलब्ध परीक्षक लेकिन दुर्भाग्य से, हमारे रिकॉर्डिंग के समय में इस डिवाइस उपलब्ध नहीं था है. एक परिणाम के रूप में, हम प्रतिबाधा का एक विस्तृत विश्लेषण प्रदर्शन करने में असमर्थ किया गया है.

  1. U-जांच छोड़ दिया है फ़्लोटिंग (नीचे connectors पर एक कूदान तार संलग्न है). Headstages यू जांच संबंधक करने के लिए सुरक्षित कर रहे हैं और प्रवर्धक केबल जुड़ा हुआ है और पर आधारित हैं.
  2. के बारे में 1-2 मिमी की प्रारंभिक उन्नति दोनों तेजी से और मजबूत होना चाहिए. 0.2 मिमी / सेकंड और गहराई 0.2 से कदम - 0.3 मिमी 0.1 के रेंज में वेग पैरामीटर सेट. इन मूल्यों को सुनिश्चित करेगा कि यू जांच dura सफाई पंचर करने में सक्षम है और रिकॉर्डिंग में एक महत्वपूर्ण पहला कदम है.
  3. Dura के माध्यम से एक बार, 0.050 मिमी / सेकंड -0.1 वेग को कम करने और 0.05 गहराई कदम कम 0.1 मिमी. लक्ष्य के रूप में चिकनी और ऐसे संभव के रूप में में धीमी गति से कि कोई ऊतक क्षतिग्रस्त है यू जांच अग्रिम है. शोर स्तर (: स्थानीय क्षेत्र की क्षमता पाठ ओवरले) में एक कमी के साथ LFP के आयाम में एक संकेत है कि जांच के मस्तिष्क में प्रवेश किया है की एक बदलाव है.
  4. सत्यापित करें कि इलेक्ट्रोड सभी cortical परतों फैले पूरे क्षेत्र सफेद फ़्लैश उत्तेजना के जवाब में आयाम में परिवर्तन को मापने के. समय के पार LFP आयाम में परिवर्तन पैदा प्रतिक्रिया संभावित विश्लेषण आबाद. यह विश्लेषण cortical परतों की पहचान करने के लिए आधार प्रदान करता है.

4. और cortical परतों की पहचान और सत्यापन

हम पैदा की प्रतिक्रिया (ईआरपी) संभावित प्रतिमान और वर्तमान स्रोत घनत्व विश्लेषण (सीएसडी) का उपयोग cortical परतों की पहचान के लिए एक प्रक्रिया लागू किया है. हम सीएसडी पर भरोसा है क्योंकि यह स्थान, दिशा, और transmembrane वर्तमान प्रवाह के घनत्व के एक सूचकांक प्रदान करता है, हमें सही एक एकल प्रवेश में सभी परतों से रिकॉर्ड करने के लिए इलेक्ट्रोड की स्थिति की अनुमति है. दरअसल, चार्ल्स श्रोएडर और उनके सहयोगियों ने पहले लामिना रिकॉर्डिंग, microlesion और histological ईआरपी / सीएसडी V1 में cortical 9-12 परतों के कार्यात्मक पहचान में विधि की प्रभावशीलता मान्य पुनर्निर्माण संयुक्त है. अन्य तरीकों का उपयोग कर अनायास उत्पन्न दोलनों cortical spindles जैसे cortical गहराई और / राज्यों 13-15 नीचे की पहचान के लिए इस्तेमाल किया गया है.

इस विश्लेषण के लिए, हम MATLAB, (जो यू जांच के समान रूप से स्थान संपर्कों भर LFP समय श्रृंखला के 2 स्थानिक व्युत्पन्न के अनुसार सीएसडी की गणना के लिए iCSD toolbox का उपयोग http://software.incf.org/ सॉफ्टवेयर / / csdplotter घर ) 9,10,16,17.

  1. Cortical परतों की पहचान करने के लिए, एक निष्क्रिय निर्धारण कार्य के दौरान पैदा प्रतिक्रिया संभावित उपाय जबकि एक पूर्ण मैदान काली स्क्रीन है कि 100 एमएस के लिए सफेद चमक के लिए इस विषय को प्रकाश में लाने, और फिर काला करने के लिए रिटर्न. इस अनुक्रम 1 परीक्षण है जो 200 बार दोहराया जाता है का गठन किया.
  2. Plexon Multichannel अधिग्रहण प्रोसेसर सभी सतत डेटा संकेतों को सीधे नेशनल इंस्ट्रूमेंट्स PCI बोर्ड माध्यम रिकॉर्डिंग कंप्यूटर को बचाता है. बाद डेटा सहेजा जाता है, वर्तमान स्रोत घनत्व विश्लेषण के लिए संकेत प्रसंस्करण शुरू करते हैं.
  3. सॉफ्टवेयर FPAlign सुधार Plexon द्वारा प्रदान की LFP headstages में फिल्टर और पूर्व प्रवर्धन - बोर्ड द्वारा प्रेरित संकेतों में समय देरी सही प्रयोग करें.
  4. इस बिंदु पर डेटा Neuroexplorer साथ MATLAB के लिए स्थानांतरित कर रहा है. प्रत्येक LFP चैनल 0.5 हर्ट्ज और 100 हर्ट्ज के cutoff आवृत्तियों के साथ मानक उच्च और कम से गुजारें फिल्टर का उपयोग करने के लिए फ़िल्टर किया जाता है. बाद प्रत्येक इलेक्ट्रोड संपर्क फ़िल्टर्ड किया गया है, प्रत्येक परीक्षण और परीक्षण के पार औसत पहचान के लिए प्रत्येक इलेक्ट्रोड संपर्क के लिए मतलब LFP समय श्रृंखला प्राप्त है. फिर, समय के एक समारोह के रूप में LFP आयाम के साथ एक मैट्रिक्स में प्रत्येक संपर्क का आयोजन.
  5. कार्यक्षेत्र में CSDplotter टाइप करके toolbox MATLAB में: iCSD (वर्तमान स्रोत घनत्व पाठ ओवरले) चलाएँ. यह देखते हुए कि नमूना आवृत्ति सतत डेटा 1 kHz, 1 एमएस dt पैरामीटर सेट. अगला, 0.4 एस / मीटर (इस घन मिलीमीटर प्रति nanoamperes की इकाइयों में वर्तमान स्रोत घनत्व approximates है) cortical चालकता मान सेट और [0.1:0.1:1.6] के एक सदिश के रूप में इलेक्ट्रोड की स्थिति बदलने के संपर्कों की संख्या को प्रतिबिंबित करने के लिए. जब सभी मापदंडों डाला गया है 'यह चलाएँ' क्लिक करें.
  6. CSDplotter इंटरफ़ेस में सीएसडी प्रोफ़ाइल देखें और यह एक नया आंकड़ा चिपकाएँ. परत प्रोफ़ाइल साजिश imagesc जैसे MATLAB में सामान्य कार्यों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, और विभिन्न चौरसाई एल्गोरिदम और सामान्य दिनचर्या सीएसडी डेटा का प्रतिनिधित्व करने और घंटे भर परत की पहचान की तुलना के लिए लागू किया जा सकता हैसत्रों और.
  7. 4 परत के आधार पर विन्यास स्रोत सिंक के साथ polarity उलटा पहचान करने के लिए, पहले, लामिना सीएसडी प्रोफ़ाइल का उपयोग कर बारीक परत में एक प्राथमिक सिंक की उपस्थिति की पुष्टि. सीएसडी साजिश में नकारात्मक polarity संचालित सिंक पता लगाएँ. फिर, दानेदार सिंक के केंद्र के जन गणना.
  8. एक केन्द्रक संपर्क नंबर और समय से मिलकर जब सिंक सबसे बड़ा था विश्लेषण से प्राप्त की है. सिंक केन्द्रक के साथ संपर्क 0 सुक्ष्ममापी पर बारीक परत संदर्भ के रूप में कार्य करता है. Supragranular, बारीक, और infragranular: संदर्भ और तीन संभव परतों के रूप में उन्हें समूह के ऊपर और नीचे सभी संपर्कों का विश्लेषण
  9. इलेक्ट्रोड अस्थायी डोमेन अपरिवर्तित छोड़ने के पदों पर फेरबदल करके बारीक सिंक मान्य. सीएसडी मैट्रिक्स फेरबदल के बाद, केन्द्रक विश्लेषण फिर से गणना. Cortical गहराई के एक समारोह के रूप में इलेक्ट्रोड संपर्क फेरबदल किसी भी लामिना विशिष्टता को नष्ट करना चाहिए.

5. व्यक्तिगत न्यूरॉन्स की पहचान और ग्रहणशील क्षेत्र मानचित्रण

हम अलग और रिकॉर्डिंग यू जांच से एकाधिक एकल इकाइयों के साथ बड़ी सफलता मिली है. एक रिकॉर्डिंग में आम तौर पर, हम 6-10 अच्छी तरह से पृथक इकाइयों और 14-16 स्थानीय क्षेत्र संभावित संकेतों की उम्मीद कर सकते हैं. एकल इकाइयों ढूँढना भी एकल इलेक्ट्रोड की तुलना में यू जांच के साथ और अधिक विश्वसनीय है. यहां तक ​​कि अगर एक के लिए सभी आवश्यक हार्डवेयर का उपयोग करने के लिए ठीक 16 इलेक्ट्रोड अग्रिम थे, वे ठीक के रूप में यू - जांच के साथ cortical परतों के एक समारोह के रूप में नेटवर्क की आबादी का पता लगाने में सक्षम नहीं होगा. अंत में, हम आम तौर पर 30-40 पेनेट्रेशन के लिए यू जांच उसी के साथ रिकॉर्ड कर सकते हैं.

  1. ग्रहणशील क्षेत्रों को खोजने के लिए, मॉनिटर जहां ग्रहणशील क्षेत्रों संभावित स्थित हैं पर एक रिवर्स संबंध प्रोत्साहन पेश द्वारा शुरू. उत्तेजना चार अभिविन्यास gratings के 0, 45, 90, और 135 डिग्री पर शामिल है.
  2. फायरिंग दर नक्शे के क्लस्टर विश्लेषण प्रदर्शन करने के लिए ग्रहणशील क्षेत्र का पता लगाने के लिए. सबसे पहले, प्रत्येक समय में देरी के लिए अधिकतम फायरिंग दर स्थानों और उनके केन्द्रक की गणना. फिर, केन्द्रक और इन अधिकतम फायरिंग दर स्थानों के बीच दूरी की गणना. प्रत्येक न्यूरॉन के लिए 5 ms अंतराल पर 120 एमएस स्वतंत्र प्रत्येक स्थानिक स्थान पर दर के बीच 40 प्रवाहकत्त्व देरी के लिए फायरिंग के नक्शे कंप्यूट.
  3. केन्द्रक और सभी समय देरी पर आसपास अधिकतम फायरिंग दर अंक के बीच कुल दूरी का पता लगाएं. ग्रहणशील क्षेत्र है कि उस दूरी को कम से कम समय में देरी पर है.
  4. एक बार एक ग्रहणशील क्षेत्र पाया जाता है प्रत्येक कोशिका के लिए, एक रिवर्स संबंध सभी ग्रहणशील क्षेत्र दर्ज की आबादी में सभी ग्रहणशील क्षेत्रों अतिव्यापी स्थानों से बड़ा प्रोत्साहन मौजूद हैं. एक वास्तविक समय फायरिंग दर साजिश निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि क्या सही ग्रहणशील क्षेत्र स्थानों की पहचान की गई है.
  5. अन्त में, जो अचानक अपनी प्रतिक्रिया परिवर्तन और केवल आगे के विश्लेषण के लिए स्थिर फायरिंग दर के साथ इकाइयों रखने एकल इकाइयों को हटा दें. इसके अलावा, सबसे अच्छा संकेत से शोर अनुपात के साथ रिकॉर्डिंग साइटों का चयन करें.

6. प्रतिनिधि परिणाम: एकल इकाइयों की रिकॉर्डिंग और cortical परतों में प्राथमिक दृश्य प्रांतस्था से LFPs

लामिना इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हुए विश्लेषण में सबसे महत्वपूर्ण कदमों में से एक को मज़बूती से cortical परतों की पहचान और कई घंटे और सत्र भर में इस पहचान सत्यापित है. इस प्रकार, हम एक पूर्ण क्षेत्र लगीं प्रोत्साहन (चित्र 3a) के जवाब में पैदा लामिना संपर्कों भर LFPs की प्रतिक्रिया क्षमता (ERPs) मापा. चित्रा 3b क्रम में वर्तमान स्रोत (सीएसडी) घनत्व cortical परतों की पहचान की गणना करने के लिए प्राप्त करने की जरूरत है जानकारी के प्रकार का एक उदाहरण प्रदान करता है. हम तो समय - श्रृंखला LFP के सीएसडी विश्लेषण कार्यरत polarity उलटा सिंक स्रोत 4 परत के आधार पर विन्यास के साथ की पहचान. - चित्रा 4a cortical गहराई भर में समय के एक समारोह के रूप में cortical परतों localizing में सीएसडी विश्लेषण supragranular (एसजी), (जी) दानेदार और infragranular परतों (आईजी) रिकॉर्डिंग सत्र शुरू हुआ चार भी घंटों के बाद स्थिर बने रहे की स्थिति दिखाता है. चित्रा 4b सीएसडी निशान है कि एक दिया परत करने के लिए सौंपा उन संपर्कों के औसत का प्रतिनिधित्व करते हैं - इस उदाहरण में, बारीक परत ~ एमएस 50 में सीएसडी आयाम में स्पष्ट कमी आए. इस विश्लेषण बारीक परत के ऊपर और नीचे इलेक्ट्रोड संपर्क supragranular और infragranular परतों को असाइन संदर्भ के रूप में सेवा की, क्रमशः (सबसे बड़ा केंद्र के जन सिंक 0 सुक्ष्ममापी पर बारीक परत संदर्भ के रूप में सेवा के साथ संपर्क).

एक और महत्वपूर्ण लामिना इलेक्ट्रोड विश्लेषण का उपयोग करने के लिए सही पहचान है और 'न्यूरॉन्स ग्रहणशील क्षेत्र स्थानीयकरण. इस प्रक्रिया उत्तेजना न्यूरॉन्स से सबसे मजबूत प्रतिक्रिया उत्पन्न स्थिति के लिए महत्वपूर्ण है. चित्रा 5a प्राथमिक दृश्य Cort में दो न्यूरॉन्स के ग्रहणशील क्षेत्र भूखंडों का एक उदाहरण हैपूर्व (v1). इन भूखंडों के मूल निर्धारण बिंदु है, जो एक छोटे सफेद एक काले कंप्यूटर स्क्रीन पर प्रदर्शित केन्द्र चक्र है. इन भूखंडों में रंग प्रत्येक न्यूरॉन के एक गतिशील रिवर्स सहसंबंध उत्तेजना के जवाब में फायरिंग की दर का प्रतिनिधित्व करता है. हम इस जानकारी का उपयोग करने के लिए एक दिया प्रयोग (जैसे लहर साइन एक झंझरी) के लिए प्रोत्साहन की स्थिति. उत्तेजनाओं प्रस्तुत कर रहे हैं कि औसत ग्रहणशील क्षेत्र के आकार की तुलना में बड़े होते हैं क्रम में करने के लिए सभी एक साथ दर्ज न्यूरॉन्स के ग्रहणशील क्षेत्र स्थानों धरना.

के बाद हम cortical परतों की पहचान और इष्टतम ग्रहणशील क्षेत्र स्थान में उत्तेजना की स्थिति है, हम प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल जिसमें हम मौजूद विभिन्न दृश्य stimuli करने के लिए आगे बढ़ना है, जबकि जानवर या तो निर्धारण या भेदभाव कार्यों प्रदर्शन कर सकते हैं. प्रयोग के बाद, हम हमारे स्पाइक तरंग विश्लेषण प्रदर्शन करने के लिए एकल इकाइयों हम एक ही चैनल को रिकॉर्ड करने में सक्षम थे अलग. यह प्रक्रिया अक्सर मास्टर करने के लिए कुछ समय लगता है और लगातार नए विश्लेषण सॉफ्टवेयर और तकनीक के रूप में उपलब्ध कराया जाता है सुधार किया जा रहा है. चित्रा 5b एक Plexon ऑफ़लाइन सॉर्टर का उपयोग करने के बाद उम्मीद कर सकते हैं उत्पादन के प्रकार का एक उदाहरण है. इस सॉफ्टवेयर, एकल इकाई अलगाव का उपयोग दृश्य निरीक्षण के माध्यम से किया जाता है. पहले और दूसरे प्रमुख घटकों के वजन, कील चौड़ाई, घाटी और शिखर गुणों के आधार पर भिन्न समूहों की पहचान कर रहे हैं.

चित्रा 1
चित्रा 1. मल्टी संपर्क लामिना इलेक्ट्रोड बहु संपर्क लामिना इलेक्ट्रोड का उपयोग, हम एक साथ पृथक व्यक्तिगत और V1 के cortical परतों में न्यूरॉन्स LFP इकाइयों से गतिविधि spiking दर्ज की. प्रत्येक यू - जांच 16 समान रूप से स्थान इलेक्ट्रोड (100 सुक्ष्ममापी) 1.6 मिमी की कुल लंबाई फैले संपर्कों के होते हैं. प्रत्येक इलेक्ट्रोड संपर्क व्यास में 25 सुक्ष्ममापी है और प्लैटिनम iridium से बना है.

चित्रा 2
चित्रा 2. नेन ग्रिड निर्माण नेन Microdrive प्रणाली जोडी स्थिरता और शास्त्रीय पेंच संचालित Microdrive पर सटीक प्रदान करता है. इलेक्ट्रोड के प्रत्येक समूह को स्वतंत्र रूप से XY विमानों में हेरफेर एक उपयोगकर्ता काम कर रहे सीमा परिभाषित के भीतर. इलेक्ट्रोड के प्रत्येक समूह को स्वतंत्र रूप से एक 0.001mm / सेकंड से 0.5 मिमी / सेकंड और 1 सुक्ष्ममापी के एक उच्च संकल्प (100 मिमी) गहराई और चर गति सीमा काम करने के लिए परिभाषित उपयोगकर्ता के भीतर है Z दिशा में चालाकी (क) 4. चैनल आधार, (ख) नेन कक्ष, (ग) 1 मिमी रिक्ति, (घ) 1-4 पेंच microdrives, (ङ) 04/01 गाइड ट्यूबों (500 सुक्ष्ममापी व्यास और के बारे में 5-7 सेमी करने के लिए काट) के साथ ग्रिड (च) 1-4 Microdrive टावरों और (छ) पूरा नेन प्रणाली और सिलेंडर आधार.

चित्रा 3
चित्रा 3. प्रतिक्रिया संभावित प्रतिमान और LFP समय (क) श्रृंखला cortical परतों की पहचान पैदा की है, हम एक निष्क्रिय निर्धारण कार्य के दौरान पैदा प्रतिक्रिया संभावित (ईआरपी) मापा जबकि बंदरों एक पूर्ण मैदान काली स्क्रीन है कि 100 के लिए सफेद (~ 1Hz) लगीं से अवगत कराया गया एमएस, और फिर काला करने के लिए लौट (ख) LFP लामिना का यू - जांच के साथ दर्ज की प्रतिक्रियाएं प्रत्येक संपर्क के लिए ईआरपी निशान प्राप्त करने के लिए प्रोसेस किया गया. बारीक परत के सभी सत्रों में ईआरपी निशान में प्रतिक्रिया के आयाम में एक सिंक संचालित उलटा का पता लगाने, और उपस्थिति द्वारा polarity सिंक स्रोत 4 परत के आधार पर विन्यास के साथ उलटा निर्धारित किया गया था. डॉटेड बॉक्स में समय की अवधि के समय को इंगित करता है जब उलटा हुआ.

चित्रा 4
चित्रा 4. परत वर्तमान स्रोत घनत्व विश्लेषण () घनत्व वर्तमान स्रोत विश्लेषण (LFP समय श्रृंखला के 2 एन डी स्थानिक derivate के आधार पर) का उपयोग पहचान के लिए polarity उलटा सिंक स्रोत के आधार पर विन्यास के साथ की पहचान करने के लिए इस्तेमाल किया गया था बारीक परत है. हम मूल्यांकन कैसे स्थिर cortical परतों की पहचान समय पर बनाए रखा है (दाएं से बाएं). इन उदाहरणों में, वर्तमान सिंक (नीला) बारीक परत और spans ~ 400 सुक्ष्ममापी (ख) प्रत्येक प्लाट के नीचे सीएसडी निशान एक दिया परत करने के लिए सौंपा उन संपर्कों की औसत सीएसडी का प्रतिनिधित्व करते हैं का प्रतिनिधित्व करता है. यह हमारे (इन उदाहरण ~ एमएस 50-60 सीएसडी ट्रेस लिफाफे मानक विचलन का प्रतिनिधित्व करते हैं और काली सलाखों छा प्रोत्साहन (100 एमएस) की अवधि का संकेत है. में प्रारंभिक सिंक के सटीक समय निर्धारित करने की अनुमति दी

चित्रा 5
चित्रा 5. स्पाईक छँटाई और ग्रहणशील क्षेत्र मानचित्रण (क) पहले, आधा दृश्य डिग्री की गणना है और दोगुनी . फिर, रिवर्स सहसंबंध उत्तेजनाओं पैच में एक CRT मॉनिटर ग पर प्रस्तुत कर रहे हैं0, 45, 90, और 135 डिग्री पर उन्मुख gratings के onsisting. प्रत्येक न्यूरॉन के लिए फायरिंग दर को स्वतंत्र रूप से 40 से 120 एमएस के बीच 5 ms अंतराल पर की गणना कर रहे हैं के बाद उत्तेजनाओं प्रत्येक स्थानिक स्थान के लिए प्रस्तुत कर रहे हैं. अधिकतम फायरिंग दरों की गणना और प्रत्येक समय में देरी के लिए कर रहे हैं तो केन्द्रक. फिर, प्रत्येक देरी केन्द्रक और आसन्न फायरिंग दर स्थानों के बीच की दूरी की गणना की जाती है. न्यूनतम दूरी के साथ समय की देरी ग्रहणशील क्षेत्र के रूप में चुना जाता है (ख) स्पाईक पीक ऊंचाई, घाटी गहराई, घाटी समय के लिए चोटी चोटी या घाटी के समय, आदि जैसे तरंग गुण एक ऑफ़लाइन छँटाई सॉफ्टवेयर प्रोग्राम का उपयोग विश्लेषण कर रहे हैं ( Plexon). Spikes समान गुणों के आधार पर हल कर रहे हैं जब तक एक न्यूरॉन से waveforms दूसरे से ओवरलैप के बिना clustered रहे हैं.

चित्रा 6
चित्रा 6. सीएसडी प्रोफ़ाइल shuffled. चित्र 3a में के रूप में समान सम्मेलन लेकिन हम एक फेरबदल प्रक्रिया है कि अनियमित संपर्क मिश्रित स्थानों के साथ एक नया सीएसडी मैट्रिक्स संकलित प्रदर्शन किया . इस विश्लेषण के लिए बेहतर इलेक्ट्रोड अस्थायी डोमेन अपरिवर्तित छोड़ने के पदों पर फेरबदल करके बारीक सिंक को मान्य किया है. समय पर प्रदर्शित इन उदाहरणों से cortical गहराई के एक समारोह के रूप में इलेक्ट्रोड संपर्कों फेरबदल किसी भी लामिना विशिष्टता को नष्ट कर देता है.

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Discussion

बहु - इकाई रिकॉर्डिंग का विश्लेषण कैसे प्रांतस्था में तंत्रिका नेटवर्क प्रोत्साहन जानकारी सांकेतिक शब्दों में बदलना करने के लिए मानक बन गए हैं. इलेक्ट्रोड प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में हाल की प्रगति को देखते हुए, लामिना इलेक्ट्रोड के कार्यान्वयन स्थानीय cortical सर्किट के एक अभूतपूर्व लक्षण वर्णन के लिए सक्षम बनाता है. हालांकि बहु - इलेक्ट्रोड रिकॉर्डिंग तंत्रिका जनसंख्या गतिशीलता के बारे में उपयोगी जानकारी प्रदान करते हैं, कई लामिना इलेक्ट्रोड अधिक से अधिक संकल्प और न्यूरॉन्स के विशिष्ट स्थान के बारे में अधिक जानकारी के लिए सक्षम है. चूंकि प्रांतस्था anatomically अलग निविष्टियाँ और outputs के साथ परतों में आयोजित है, यह कैसे संवेदी जानकारी disparately इन परतों में संसाधित किया जाता है का सवाल उठाता.

हम एक उपन्यास रिकॉर्डिंग बहु संपर्क लामिना इलेक्ट्रोड का उपयोग करने के लिए प्राथमिक दृश्य प्रांतस्था (v1) में cortical परत के एक समारोह के रूप में स्थानीय नेटवर्क गतिविधि रिकॉर्ड विधि प्रस्तुत किया है. महत्वपूर्ण बात है, हम भी पैदा प्रतिक्रिया प्रतिमान के दौरान स्थानीय क्षेत्र की क्षमता का विश्लेषण करने के लिए cortical परतों की पहचान के लिए एक पद्धति लागू किया है. हम भी ग्रहणशील क्षेत्र मानचित्रण प्रक्रियाओं और कील - तरंग विश्लेषण से विस्तृत परिणाम प्रदान की है.

हम स्वीकार करते हैं कि लामिना इलेक्ट्रोड सीमाओं, सबसे विशेष रूप से रिकॉर्डिंग की स्थिरता के बिना नहीं कर रहे हैं. हम धैर्य से इलेक्ट्रोड अग्रिम और मस्तिष्क के लिए उन्नति के बाद बसने के लिए (हम आम तौर पर पिछले अग्रिम के बाद 1 घंटा 45 मिनट के रिकॉर्ड) एक समय की पर्याप्त मात्रा की अनुमति के लिए इस तकनीक का उपयोग उन सलाह. इस समय के दौरान हम कई आंख अंशांकन, ग्रहणशील मानचित्रण, और पैदा प्रतिक्रिया संभावित मानदंड चलेंगे.

हम हमारे रिकॉर्डिंग का उपयोग कर एक गाइड के ट्यूब, जो एक पेंच Microdrive के साथ नेन के आधार पर तय है सुधार करने में सक्षम थे. हम भी 30 से 25 डिग्री से टिप कोण को कम करने के द्वारा संशोधित मानक डिजाइन यू - जांच. एक परिणाम के रूप में, यू जांच तेज था dura के माध्यम से एक चिकनी प्रवेश के लिए अनुमति देता है. यह blunter इलेक्ट्रोड टिप ऊतकों को नुकसान के साथ संभव है और खून बह रहा है होने पर हो सकती है. रक्तस्राव इलेक्ट्रोड संपर्कों को कवर करने और स्वच्छ इकाई अलगाव रोका जा सकता है. हम दोनों 30 और 25 डिग्री टिप कोण और पेनेट्रेशन पर अधिक इकाइयों को हल करने में सक्षम हैं के साथ इस सिद्धांत रिकॉर्डिंग का परीक्षण किया है और भी यू - जांच के जीवन का विस्तार.

के रूप में उल्लेख ऊपर हम शुरुआत में आमतौर पर अधिक अग्रिम और जल्दी से धीमा एक बार हम dura के माध्यम से पारित कर दिया है. हम मानते हैं कि तेज टिप कोण के साथ संयोजन में इस प्रक्रिया में हमें का नेतृत्व किया गया है एक कुछ प्रयोगशालाओं के लिए एकल इकाई यू जांच का उपयोग गतिविधि को हल करने में सक्षम हो. हमारी एकल इकाई गतिविधि और रिकॉर्डिंग के समग्र स्थिरता सीधे समय हम मस्तिष्क यू जांच उन्नति के बाद समझौता करने की अनुमति की लंबाई से संबंधित है.

यह तकनीक ही पनपने के लिए है के रूप में और अधिक प्रयोगशालाओं इन तकनीकों का उपयोग जारी रहेगा. वर्तमान में, और लंबे समय से implantable arrays के डिजाइन और कार्यान्वयन चल रहा है और सबसे अधिक संभावना बहु - इलेक्ट्रोड ग्रिड की जगह लेगा. इसके अतिरिक्त, उनके शाफ्ट (अनिवार्य रूप से कई यू - जांच) के साथ एकाधिक संपर्कों के साथ इलेक्ट्रोड युक्त arrays समानांतर में विकसित किया जा रहा हैं.

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Disclosures

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

Acknowledgments

हम और चर्चा Sorin Pojoga व्यवहार प्रशिक्षण के लिए के लिए सुनो वांग धन्यवाद. NIH यूरेका कार्यक्रम, राष्ट्रीय नेत्र संस्थान, बेंच विद्वान कार्यक्रम, जेम्स एस McDonnell फाउंडेशन (वी डी), और एक NIH विजन प्रशिक्षण अनुदान (BJH) द्वारा समर्थित है.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Nan microdrive system NAN Instruments NAN-S4 Figure 2. Custom clamps are needed to use the U-Probe. Everything mentioned with exception of the U-Probe is provided by NAN instruments.
Screw microdrives MIT Machine shop Anything that is able to secure a guide tube to the NAN grid should be appropriate.
Stainless Steel Guide Tubes Small Parts, Inc. B00137QHNS (1) or B00137QHO2 (5) These are 60 in long and cut to size in the laboratory using a Dremel hand drill
Plexon U-Probe Plexon PLX-UP-16-25ED-100-SE-360-25T-500 See U-Probe specifications available at www.plexon.com Also see Figure 1.
Table 1. Hardware.
NAN software NAN Instruments Computer interface requires an additional serial port to accommodate the Plexon system and the NAN hardware
Offline Sorter, FPAlign, PlexUtil, MATLAB programs Plexon Under ’Installation Packages’
Neur–xplorer NeuroExplorer Under ’Resources’
CSDplotter Version 0.1.1 Klas H. Petterson
Table 2. Software.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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