دراسة تصنيع المحلي باستخدام شبكة الاتصال متعدد القطب تسجيل رقائقي

الهدف العام من هذا الإجراء هو وصف المنهجية التي ستسمح لنا بفحص كيفية قيام العصبونات الفردية وجهود المجال المحلي في الطبقات القشرية المختلفة للقشرة البصرية الأولية بتشفير المعلومات الحسية. يبدأ الإجراء بوصف بناء نظام التشغيل الدقيق الذي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر واستخدام قطب كهربائي صفائحي متعدد التلامسات للتسجيل في القشرة البصرية الأولية.

تتمثل الخطوة التالية في إجراء نموذج لإمكانات الاستجابة المستحثة بعد تقديم القطب الكهربائي إلى منطقة الدماغ المستهدفة. ويلي ذلك استخدام تحليل كثافة مصدر التيار لتحديد الطبقات القشرية وفقاً لانعكاس القطبية، مصحوباً بتكوين مصدر المزامنة. أما الخطوة النهائية من الإجراء فهي إجراء رسم خرائط للمجال الاستقبالي وتحليل الاختلافات في النشاط العصبي استجابةً للتحفيز البصري.

في النهاية، يمكن الحصول على نتائج تظهر تغيرات محددة في الطبقات عند ترميز المعلومات الحسية. مرحباً، اسمي سارة إيغلمان وأنا طالبة دراسات عليا في كلية الطب بجامعة تكساس في هيوستن. الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية مثل مصفوفات الأقطاب الكهربائية المتعددة، هي أن مسبار U يمكنه تسجيل النشاط العصبي عبر عدة مليمترات من القشرة المخية في وقت واحد من خلال اختراق واحد.

مرحباً، اسمي برايان هانسن. أنا طالب دراسات عليا أعمل في كلية الطب بجامعة تكساس في هيوستن. يمكن لهذه الطريقة أن تجيب على أسئلة رئيسية في مجال العلوم العصبية، حيث تستكشف ما إذا كانت المعلومات تُعالج بطريقة محددة طبقياً وكيفية حدوث ذلك.

لبناء مجمع تشغيل قطب الاسم أولاً، قم بتجهيز الأدوات والقطع اللازمة، بما في ذلك أنابيب التوجيه، وسلك التوجيه، وجهاز Dremel كاملاً، ومجموعة أدوات وأجزاء الاسم، والمسبار U. قم بقياس أنابيب التوجيه بحيث تكون، عند تثبيتها في جهاز التسجيل، طويلة بما يكفي للاستقرار فوق الجافية دون إتلافها. بعد ذلك، وبعد قياس عمق غرفة التسجيل، قم بقص أنابيب التوجيه إلى الطول المقاس الذي يتراوح بين خمسة إلى سبعة سنتيمترات تقريباً أثناء عملية القص.

احرص على عدم دخول أي شظايا معدنية إلى داخل الأنبوب. استخدم سلكاً صلباً يكون قطره أصغر من القطر الداخلي لأنبوب التوجيه لإزالة أي شظايا معدنية موجودة داخل الأنبوب. بعد ذلك، ضع شبكة الأسماء في قاعدة الأسماء.

أحكم ربط برغي المشبك وبرغي الشبكة. بعد ذلك، حدد منطقة الاهتمام بالتسجيل وضع أبراج المحرك الدقيق فوق تلك المنطقة. وبمجرد تحديد منطقة الاهتمام، قم بتمرير أنبوب التوجيه عبر الجزء السفلي من الشبكة حتى يبرز بنحو 1 إلى 2 مليمتر خارج غرفة الاسم.

بعد ذلك، قم بتركيب مشبكين على كل برج محرك مجهري NA. حيث يقوم محرك بتشغيل المشبك العلوي، بينما يمكن أن يكون المشبك السفلي إما ثابتاً في مكانه أو حراً. يتم تثبيت المشبك العلوي بأنبوب التدعيم الخاص بالمسبار U.

قم بتثبيت المشبك السفلي بأنبوب التوجيه وضع كمية صغيرة من الغراء القوي (super glue) لتأمين أنبوب التوجيه في مكانه. يوفر المشبكان الاستقرار والدقة للنظام. قم بمحاذاة طرف مسبار U بعناية مع الجزء العلوي من أنبوب التوجيه، ثم مرر مسبار U عبر أنبوب التوجيه حتى تتمكن من تثبيت البرج بالقاعدة الرئيسية.

اضبط موضع البرج باستخدام برغي التثبيت بحيث لا يكون هناك أي شد إضافي على مسبار U أو أنبوب التوجيه. ضع نظام name على قاعدة الأسطوانة وقم بتوصيل كابلات المحرك بالأبراج المقابلة. في حال استخدام أبراج متعددة، تُستخدم روابط بلاستيكية مرمزة بالألوان للمساعدة في التمييز بين كابلات المحرك والأبراج، استخدم برنامج name للبدء في تحريك مسبار U للأمام، إما عن طريق تعيين موضع مستهدف يقوم بتحريك مسبار U تلقائياً إلى ذلك الموقع أو عن طريق النقر على خيار down في واجهة برنامج name، حرك مسبار U للأمام بحيث يبرز 10 millimeters على الأقل من طرفه عبر أنبوب التوجيه متجاوزاً نهاية غرفة name.

قم بتعقيم المسبار U بوضعه في محلول الألدهيد المنشط لـ metro side لمدة 20 إلى 30 دقيقة قبل تثبيت القاعدة name في غرفة التسجيل المزروعة. بعد ذلك، اشطف المسبار U والقاعدة name بالماء المعقم zero. حدد مواقع برمجية name عن طريق سحب المسبار U بحيث تكون الطرفية داخل أنبوب التوجيه مباشرة في برمجية name.

اضغط على تصفير جميع المواضع. قم بتثبيت القاعدة بالاسم في غرفة التسجيل المزروعة وأحكم ربط البراغي الأربعة جميعاً. بعد ذلك، قم بمحاذاة القاعدة وفقاً للمسمار الموجود على جانب غرفة التسجيل.

أحكم ربط المسامير الأربعة مرة أخرى وتأكد من تثبيت قاعدة الاسم بإحكام في غرفة التسجيل. وللتحضير لبدء التسجيل، يتم تأريض المسبار U واعتباره عائماً وفقاً لتعليمات التأريض والمرجعية. ويتم تحقيق ذلك عن طريق وضع الوصلة السلكية المرفقة.

يتم تثبيت مراحل الرأس في الموصلات السفلية بموصل مسبار U، ثم يتم توصيل كابلات المضخم وتأريضها. يتم تقديم مسبار U في البداية بحوالي واحد إلى اثنين من المليمترات بطريقة سريعة وقوية. اضبط معيار السرعة في نطاق 0.1 إلى 0.2 مليمتر في الثانية، وخطوة العمق من 0.2 إلى 0.3 مليمتر.

تضمن هذه القيم قدرة المسبار U على ثقب الأم الجافية بدقة، وهي خطوة أولى مهمة في عملية التسجيل. وبمجرد اختراق الأم الجافية، قلل السرعة إلى 0.50 إلى 0.1 ملليمتر في الثانية، وقلل خطوة العمق إلى 0.5 إلى 0.1 ملليمتر. الهدف هو دفع المسبار U بأكبر قدر ممكن من السلاسة والبطء لضمان عدم تلف أي أنسجة.

تعد التغيرات في سعة الجهد الميداني المحلي (LFP) المصحوبة بانخفاض في مستوى الضوضاء من المؤشرات على دخول المسبار إلى الدماغ. وللتحقق من أن القطب الكهربائي يمتد عبر جميع الطبقات القشرية، يتم قياس التغير في السعة استجابةً لمحفز الوميض الأبيض للمجال الكامل. وتُشكل التغيرات في سعة LFP بمرور الوقت الأساس لتحليل جهد الاستجابة المستحثة، حيث يوفر هذا التحليل الأساس اللازم لتحديد الطبقات القشرية.

قم بقياس جهد الاستجابة المستحثة أثناء مهمة تثبيت سلبية مع تعريض الخاضع للتجربة لشاشة سوداء كاملة تومض باللون الأبيض لمدة 100 milliseconds ثم تعود إلى اللون الأسود. يشكل هذا التسلسل تجربة واحدة، يتم تكرارها 200 مرة. يقوم معالج الحصول على البيانات متعدد القنوات plex بحفظ جميع إشارات البيانات المستمرة مباشرة في كمبيوتر التسجيل من خلال لوحة National Instruments PCI.

بعد حفظ البيانات، ابدأ في معالجة الإشارات لتحليل كثافة مصدر التيار. استخدم برنامج التصحيح FP align المقدم من شركة Plex لتصحيح تأخيرات الوقت في إشارات LFP الناتجة عن المرشحات الموجودة في مراحل الرأس ولوحات التضخيم الأولي. عند هذه النقطة، يتم نقل البيانات إلى MATLAB باستخدام neuro explorer.

يتم ترشيح كل قناة من قنوات جهد المجال المحلي (LFP) باستخدام مرشحات تمرير عالي وتمرير منخفض قياسية بترددات قطع تبلغ 0.5 hertz و 100 hertz. وبعد ترشيح كل تلامس قطبي، يتم تحديد كل تجربة وحساب المتوسط عبر التجارب للحصول على السلسلة الزمنية المتوسطة لجهد المجال المحلي لكل تلامس قطبي، ثم يتم تنظيم كل تلامس في مصفوفة تمثل سعة LFP كدالة في الزمن، ثم يتم تشغيل مجموعة أدوات ICSD في برنامج MATLAB عن طريق كتابة CSD plotter في مساحة العمل. ونظراً لأن تردد أخذ العينات للبيانات المستمرة هو one kilohertz، يتم ضبط المعامل DT على one millisecond.

بعد ذلك، قم بضبط قيمة الموصلية القشرية على 0.4 Siemens per meter، وهو ما يقارب كثافة المصدر التيار بوحدات nano peers per cubic millimeter، وقم بتغيير موضع الأقطاب الكهربائية كمتجه يبدأ من 0.1 وبزيادة قدرها 0.1 وصولاً إلى 1.6، وهو العدد الإجمالي لنقاط الاتصال. عند إدخال جميع المعلمات، انقر فوق run this. استعرض ملف CSD في واجهة CSD plotter وقم بنسخه إلى شكل جديد.

يمكن استخدام الوظائف الشائعة في MATLAB مثل image SC لرسم المقطع العرضي للطبقات، كما يمكن تطبيق خوارزميات تنعيم متنوعة وروتينات تسوية لتمثيل بيانات CSD ومقارنة تحديد الطبقات عبر الساعات والجلسات. ولتحديد انعكاس القطبية المصاحب لتكوين المصدر والمصب (sink source configuration) عند قاعدة الطبقة الرابعة، تحقق أولاً من وجود مصب أولي في الطبقة الحبيبية. باستخدام المقطع العرضي لـ CSD الصفائحي، حدد موقع القطبية السالبة الناتجة عن المصب في مخطط CSD.

بعد ذلك، يتم حساب مركز الكتلة للمصرف الحبيبي. ويتم الحصول من التحليل على معرف كائن (OID) يتكون من عدد التلامسات والوقت الذي كان فيه المزامنة في أكبر حالاته. يعمل التلامس مع مركز المزامنة كمرجع للطبقة الحبيبية عند صفر ميكرومتر.

قم بتحليل جميع نقاط التلامس الموجودة فوق وتحت المرجع، وقم بتجميعها في واحدة من ثلاث طبقات ممكنة. يتم التحقق من صحة المصب الحبيبي (granular sink) من خلال تبديل مواضع الأقطاب الكهربائية، مع ترك المجال الزمني دون تغيير. بعد التبديل، تقوم مصفوفة CSD بحساب تحليل OID.

ومرة أخرى، فإن تبديل تلامس القطب الكهربائي كدالة لعمق القشرة من شأنه أن يلغي أي خصوصية صفائحية. ولإيجاد المجالات المستقبلة، ابدأ بتقديم محفز ارتباط عكسي على الشاشة حيث من المحتمل وجود المجالات المستقبلة. يتكون المحفز من أربعة تدرجات توجيه عند 0 و45 و90 و135 درجة.

أجرِ تحليلاً عنقودياً على خرائط معدل الإطلاق لتحديد موقع المجال الاستقبالي. أولاً، احسب مواقع أقصى معدل للإطلاق والمركز الهندسي لها لكل تأخير زمني. ثم احسب المسافات بين المركز وهذه المواقع التي سجلت أقصى معدل للإطلاق.

قم بحساب خرائط معدلات الإطلاق عند كل موقع مكاني لتأخيرات التوصيل التي تتراوح بين 40 و 120 milliseconds بفواصل زمنية قدرها خمسة milliseconds لكل عصبون بشكل مستقل. أوجد المسافة الإجمالية بين OID ونقاط أقصى معدل إطلاق محيطة بها عند جميع تأخيرات الوقت. يكون الحقل الاستقبالي عند تأخير الوقت الذي يقلل تلك المسافة إلى أدنى حد.

بمجرد تحديد الحقل المستقبل لكل خلية، يتم تقديم محفز ارتباط عكسي أكبر من جميع مواقع الحقول المستقبلة التي تتداخل مع جميع الحقول المستقبلة في العينة المسجلة. ويمكن استخدام مخطط معدل إطلاق في الوقت الفعلي لتحديد ما إذا كان قد تم تحديد مواقع الحقول المستقبلة الصحيحة. وأخيراً، يتم فرز أشكال موجات النبضات باستخدام برنامج الفرز غير المتصل بالشبكة (offline sorter) من plex on، والذي ينفذ تجميع الأشكال الموجية استناداً إلى معاملات مثل المكونات الرئيسية للنبضة، والعرض، وخصائص القاع والقمة.

تأكد من إزالة وحدات الإشارة التي تغير الاستجابات بشكل مفاجئ، والاحتفاظ فقط بالوحدات ذات معدلات الوميض المستقرة لإجراء المزيد من التحليلات الموضحة هنا. ولتوضيح تحليل CSD في تحديد الطبقات القشرية عبر العمق القشري كدالة في الزمن، نجد أن مواقع الطبقات فوق الحبيبية، والحبيبية، وتحت الحبيبية تظل مستقرة حتى بعد مرور أربع ساعات على بدء جلسة التسجيل. وتمثل آثار CSD متوسط تلك الاتصالات المخصصة لطبقة معينة.

في هذا المثال، تشهد الطبقة الحبيبية انخفاضاً واضحاً في سعة CSD عند حوالي 50 مللي ثانية. ومن التحليلات الجوهرية الأخرى عند استخدام القطب الصفائحي هي التحديد الدقيق وتعيين موقع المجال الاستقبالي للعصبونات. ونقطة الأصل لهذه المخططات هي نقطة التثبيت، وهي عبارة عن دائرة بيضاء صغيرة تظهر في مركز شاشة حاسوب سوداء.

يمثل اللون في هذه المخططات معدل إطلاق كل عصبون استجابةً لمحفز ارتباط عكسي ديناميكي. يوضح هذا الشكل مثالين لأشكال موجات النبضات التي تم عزلها على القناة ذاتها. وقد أُجري تحليل العنقودة باستخدام تحليل المكونات الرئيسية وخصائص شكل موجة النبضة.

تظهر أشكال موجات الشوكة المتوسطة بخط متصل، بينما تظهر الانحرافات المعيارية بخط متقطع. وأثناء محاولة تنفيذ هذه الإجراءات، من المهم تذكر التقدم بحذر ومنح الدماغ وقتاً كافياً للاستقرار تماماً بعد عملية التقدم.

عادةً ما نبدأ التسجيل بعد حوالي 30 إلى 45 دقيقة من آخر تقدم باتباع هذا الإجراء. ويمكن استخدام تقنيات طيفية أخرى، مثل قدرة LFP ومزامنة المجال الشوكي، لدراسة بنية الشبكة داخل الطبقات القشرية وبينها.