استخدام العصبية النشاط Spiking لتحريك المحفزات حلقه مغلقه في التجارب الفسيولوجية العصبية
نوفمبر 12, 2019
يوضح هذا البروتوكول كيفيه استخدام نظام إلكتروفيزيولوجي لتحفيز الحلقة المغلقة التي تسببها أنماط نشاط الخلايا العصبية. كما يتم توفير نموذج التعليمات البرمجية Matlab التي يمكن تعديلها بسهوله لأجهزه التحفيز المختلفة.
يمكن استخدام نظام التسجيل العصبي الفسيولوجي القياسي هذا لإجراء تحفيز الحلقة المغلقة وهو مفيد لدراسة التفاعلات السببية في الدماغ. يسمح هذا البروتوكول لعلماء الأعصاب ذوي الخبرة المحدودة فقط في علوم الكمبيوتر بتنفيذ مجموعة متنوعة من التجارب المغلقة بسرعة بتكلفة قليلة. وقد أصبحت تجارب الحلقة المغلقة تتزايد أهمية العلوم الأساسية والبحوث.
على سبيل المثال، أظهرت دراسات الصرع المتعددة أن محفز الخلايا العصبية على بداية النوبات هو نهج فعال للحد من شدة النوبات. لتسهيل اعتماد تجارب الحلقة المغلقة في أبحاث علم الأعصاب ، يوفر هذا البروتوكول رمز MATLAB لتحويل نظام تسجيل كهربائي فيزيولوجيا مفتوح إلى نظام حلقة مغلقة. هذا تطبيق من يغلق حلقة يوضّى تحفيز في فأرة يقظة.
لتثبيت نظام الحصول على البيانات الفهد 6.4، افتح صفحة الويب للبرنامج الذي يتضمن المكتبات للتفاعل مع نظام الاستحواذ الفهد، وتثبيت SpikeSort-3D. تثبيت حزمة تطوير NetCom. قم بتسجيل الدخول إلى حساب MATLAB لتحديد الترخيص الصحيح والإصدار ونظام التشغيل.
ثم، تحميل المكتبة لحدث على الانترنت اثار كما هو مبين واستخراج الملفات إلى مجلد MATLAB الوثائق. للحصول على البيانات، افتح برنامج الفهد وسجل البيانات العالية لملء الأشكال الموجية للقالب. بعد بضع دقائق، إيقاف الحصول على البيانات وتنفيذ SpikeSort على البيانات المسجلة.
بعد ذلك، افتح SpikeSort3-D وانقر فوق قائمة الملفات وتحميل ملف الارتفاع لتحديد ملف ارتفاع من المجلد مع البيانات المسجلة. ثم انقر فوق قائمة الكتلة، autocluster باستخدام كلوستاكويك، وتشغيل. لإجراء تجربة حلقة مغلقة، استئناف الحصول على البيانات في الفهد، وفتح MATLAB.
فتح "الـ"بلت" M وانقر فوق تشغيل. بدلاً من ذلك، تنفيذ حلقة مغلقة في إطار الأوامر.
استعرض للوصول إلى مجلد التسجيل وحدد أحد ملفات البيانات الشائكة لتحميل معلومات الارتفاع المعرفة في التسجيل الأولي. انقر فوق خانات الاختيار المناسبة تحت الطول الموجي المرسوم لتحديد خلية عصبية واحدة أو متعددة من شأنها أن تؤدي التحفيز. تحديد الحد الأدنى لعدد الخلايا العصبية التي من شأنها أن تؤدي التحفيز عن طريق إدخال عدد صحيح في مربع النص يطابق دقيقة وتحديد الإطار الزمني الذي تعتبر المسامير مطابقة أشكال موجية مختلفة coactive عن طريق إدخال رقم في مربع النص نافذة.
ثم، انقر فوق إرسال لبدء تشغيل الأحداث عبر الإنترنت استناداً إلى النشاط ارتفاع الخلايا العصبية المحددة. في هذه التجربة التمثيلية ، كان يستريح الجرذ على وعاء زهور كان مكانًا مألوفًا للراحة أثناء فترات الراحة في التجارب السلوكية. هنا ، يمكن ملاحظة ممثل في وقت واحد تشغيل برنامج التسجيل وبرنامج MATLAB الذي يعرض الطول الموجي الارتفاع المكتسبة في الوقت الحقيقي.
عندما يتم الكشف عن المسامير من الكتل الزناد المعرفة مسبقا، يتم عرض الطول الموجي مع خط اندفاعة جريئة في إطار الشكل MATLAB مما يؤدي إلى لهجة وتوفير نظام حلقة مغلقة. في هذا الشكل، يتم عرض رسم بياني تمثيلي يوضح التأخيرات بين وقت توليد ارتفاع اصطناعي ووقت الحث على إشارة مستحثة. بعد إعداد حيوان، وتثبيت البرنامج، تتكون تجربة الحلقة المغلقة من مرحلتين رئيسيتين، هما الحصول على البيانات الأولية وتحفيز الحلقة المغلقة التي تؤدي الطفرات خلالها إلى تحفيزات خارجية.
هذا البروتوكول يسمح أيضا لعلاج منبهات على أساس نشاط الخلايا العصبية المتعددة وهو أمر مهم لمعالجة الأسئلة حول معالجة المعلومات في الدماغ. مزايا هذا الحل MATLAB هي انخفاض تكلفتها ومرونتها في تحديد أنماط النشاط لتحريك المحفزات التي يمكن أن تساعد في التحقيق في مجموعة متنوعة من الأسئلة العصبية العلمية.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
يوضح هذا البروتوكول استخدام نظام كهروباليزيولوجي للتحفيز في حلقة مغلقة استناداً إلى أنماط النشاط العصبي. وهو يتيح لعلماء الأعصاب، حتى من لديهم خبرة محدودة في علوم الحاسوب، إجراء تجارب الحلقة المغلقة بكفاءة وبتكلفة منخفضة. يتضمن البروتوكول نموذجاً لبرمجية MATLAB للتنفيذ، وهو موضح من خلال تسجيلات من جرذ مستيقظ، مما يبرز التفاعل في الوقت الفعلي بين النبضات العصبية والتحفيز.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- الفيزيولوجيا الكهربائية
- أنظمة الحلقة المغلقة
خلفية علمية
- يعد التحفيز ذو الحلقة المغلقة أمرًا بالغ الأهمية لدراسة التفاعلات السببية في الدماغ.
- هذا النهج مفيد بشكل خاص في أبحاث الصرع للتخفيف من شدة النوبات.
- يعالج هذا البروتوكول الحاجة إلى أنظمة الحلقة المغلقة المتاحة في مجال العلوم العصبية.
الغرض من الدراسة
- توفير طريقة لتنفيذ التحفيز في حلقة مغلقة بأقل تكلفة وخبرة ممكنة.
- تسهيل دراسة النشاط والاستجابات العصبية من خلال التحفيز في الوقت الفعلي.
- تمكين الباحثين من فهم معالجة المعلومات في الدماغ بشكل أفضل.
الطرق المستخدمة
- تعتمد الدراسة على نظام تسجيل فيزيولوجي عصبي قياسي لإجراء تجارب الحلقة المغلقة.
- استُخدم التسجيل من جرذان مستيقظة كنموذج بيولوجي.
- يتم توفير كود MATLAB للتخصيص وتحويل أنظمة الحلقة المفتوحة.
- تشمل الخطوات الرئيسية اكتساب البيانات، وفرز بيانات الومضات العصبية، وتحديد معاملات التحفيز.
- تتضمن تجربة الحلقة المغلقة إطلاق محفزات في الوقت الفعلي بناءً على النشاط العصبي.
النتائج الرئيسية
- يتيح هذا البروتوكول إجراء التحفيز بناءً على نشاط عدة عصبونات، مما يعزز فهم التفاعلات العصبية.
- استُخدمت بيانات الومضات العصبية (Spiking data) لتفعيل محفزات خارجية، مما أظهر تغذية راجعة فعالة في الحلقة المغلقة.
- تم تحقيق التصور الفوري لنشاط العصبونات من خلال واجهة MATLAB.
- تسلط النتائج الرئيسية الضوء على المرونة والفعالية من حيث التكلفة للحل القائم على MATLAB.
الاستنتاجات
- تمكّن هذه الدراسة الباحثين من تنفيذ واعتماد تقنيات التحفيز ذات الحلقة المغلقة بسهولة.
- لهذه النتائج تداعيات على تعزيز فهم الآليات العصبية ووظائف الدماغ.
- تساهم أنماط التحفيز المرنة في معالجة مختلف التساؤلات في مجال العلوم العصبية.
الأسئلة الشائعة
الأهمية الصناعية التنفيذية
تتيح الأنظمة الفيزيولوجية العصبية ذات الحلقة المغلقة الاستقصاء السببي لدوائر الدماغ من خلال ربط أنماط النشاط العصبي بالتحفيز في الوقت الفعلي، مما يدعم التحقق من الأهداف والحد من المخاطر الميكانيكية في أبحاث العلوم العصبية قبل السريرية. يقلل هذا النهج القائم على برنامج MATLAB من العوائق التقنية لتنفيذ تصميمات الحلقة المغلقة، مما يسهل إجراء دراسات قابلة للتطوير وإعادة الإنتاج حول معالجة المعلومات العصبية. ويدعم هذا البروتوكول سير عمل الاكتشافات المبكرة من خلال توفير أداة مرنة وفعالة من حيث التكلفة لتجارب التحفيز القائمة على الفرضيات في النماذج ذات الصلة بالأمراض.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير للمستحضرات الدوائية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- القيمة العلمية: تتيح استقصاء الفرضيات العلاجية عن طريق تحفيز المنبهات بناءً على نشاط تشويقي محدد لعصبون واحد أو عدة عصبونات.
- القيمة التشغيلية: تدعم التحقق الوظيفي من الأهداف من خلال التلاعب السببي في الوقت الفعلي بالدوائر العصبية في نماذج حيوانية مستيقظة.
- القيمة التنبؤية: تعزز الثقة في ارتباط الهدف من خلال إثبات الاستجابات العصبية المستحثة بالمنبه تحت ظروف محكومة ومغلقة الحلقة.
الفحص وتطوير المقايسة
- القيمة العلمية: يجهز أنظمة تسجيل عصبية مصادق عليها لتوحيد المقايسات اللاحقة من خلال تمكين التحفيز الدقيق المعتمد على النشاط.
- القيمة التشغيلية: يحسن قابلية تكرار المقايسة من خلال عتبات كشف النبضات العصبية ونوافذ النشاط المشترك المحددة من قبل المستخدم لضمان إطلاق تحفيز متسق.
- القابلية للتوسع: يسهل إعادة استخدام المنصة عبر التجارب المختلفة من خلال كود MATLAB قابل للتعديل ويمكن تكييفه مع أجهزة تحفيز وإعدادات تسجيل متنوعة.
الأبحاث الانتقالية وما قبل السريرية
- الاستمرارية الترجمية: تم إثباتها في الجرذان اليقظة، مما يدعم الصلة بنماذج الأمراض والتحقق قبل السريري من استراتيجيات التعديل العصبي.
- تقليل المخاطر الميكانيكية: تسمح بدراسة معالجة المعلومات في الدماغ من خلال التعامل مع المحفزات بناءً على أنماط نشاط الخلايا العصبية المتعددة، مما يقلل من الغموض في التفسيرات السببية.
- التقدم المعدل حسب المخاطر: تدعم قرارات المضي قدمًا أو التوقف من خلال توفير تعذية راجعة كمية وفي الوقت الفعلي عن الاستجابات العصبية للتحفيز.
تكامل مسار العمل والتدفق التشغيلي
تتكامل هذه الطريقة مع سير عمل الاكتشاف المبكر من خلال تمكين اختبار الفرضيات عبر التحفيز في الوقت الفعلي الذي يتم تفعيله بواسطة نشاط الارتجافات العصبية، مما يجسّر الفجوة بين الدراسات الفيزيولوجية الكهربائية ودراسات التدخل.
- بيولوجيا الاكتشاف: تدعم توضيح المسارات وتقليل المخاطر البيولوجية من خلال السماح للباحثين باختبار العلاقات السببية بين أنماط النشاط العصبي المحددة والاستجابات اللاحقة.
- الفحص: يعزز جاهزية المقايسة من خلال فرز النبضات القابل للتكرار وتحفيز الأحداث عبر الإنترنت بناءً على العناقيد العصبية التي يحددها المستخدم.
- التحليلات: توفر قياسات كمية للمتغيرات التابعة مثل توقيت التحفيز المثار بالنبضات وتأخيرات الاستجابة الممثلة بيانياً لتحليل الظروف المقارنة.
- الأبحاث الانتقالية: تربط الاستمرارية قبل السريرية من خلال العرض في القوارض المستيقظة، مما يدعم الاستقراء إلى الأنظمة ذات الصلة بالأمراض.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: صيغت كقدرة قابلة لإعادة الاستخدام نظراً لكود MATLAB مفتوح المصدر الذي يمكن تكييفه عبر المختبرات وأنماط التحفيز المختلفة دون الحاجة إلى إعادة هندسة كبرى.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: ثقة تنبؤية في تعديل الهدف، وتقليل الغموض الميكانيكي في دراسات الدوائر العصبية.
- القيمة التشغيلية: التقييس، وقابلية التكرار، والتنفيذ منخفض التكلفة باستخدام أدوات الفيزيولوجيا الكهربائية و MATLAB المتاحة على نطاق واسع.
- القيمة الاستراتيجية: اتخاذ قرارات أفضل بشأن المضي قدماً أو التوقف في التحقق من الأهداف، وكفاءة رأس المال، وتقليل المخاطر البيولوجية في المراحل المتأخرة من برامج التعديل العصبي.
- تأثير المحفظة: تحديد أولويات الأهداف بناءً على المخاطر المعدلة وفقاً للأدلة السببية المستمدة من تجارب التحفيز ذات الحلقة المغلقة.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في الفيزيولوجيا الكهربائية، وفرز النبضات (spike sorting)، وكتابة النصوص البرمجية الأساسية بلغة MATLAB لتكوين المعلمات.
- يعتمد على أجهزة مثل نظام Neuralynx Cheetah وجهاز كمبيوتر متوافق للحصول على البيانات ومعالجتها في الوقت الفعلي.
- يستلزم توحيد معايير عتبات اكتشاف النبضات، ونوافذ النشاط المشترك، ومعلمات الحد الأدنى للمطابقة (min-match) عبر الفرق لضمان تكرار عملية التحفيز.
- يتضمن اعتبارات التكيف عند التطبيق على أنظمة نماذج مختلفة أو أنماط تحفيز تتجاوز مخرجات النغمات أو المنافذ التسلسلية.
- تشمل القيود العملية الاعتماد على فرز مستقر للنبضات والكمون المحتمل في المعالجة في الوقت الفعلي، مما قد يؤثر على الدقة الزمنية للتحفيز.
