利用神经元放电活动在神经生理学实验中触发闭环刺激
2019年11月12日
本方案演示了如何使用电生理系统，根据神经元活动模式触发闭环刺激。同时还提供了可轻松修改以适配不同刺激设备的示例 Matlab 代码。
这种标准的神经生理记录系统可用于实施闭环刺激，有助于研究大脑中的因果相互作用。本方案使仅具备有限计算机科学知识的神经科学家能够以较低成本快速实现多种闭环实验。闭环实验对于基础科学和研究正变得越来越重要。
例如，多项癫痫研究表明，在癫痫发作起始时对神经元进行刺激是一种有效减轻癫痫发作严重程度的方法。为了促进闭环实验在神经科学研究中的应用，本方案提供了 MATLAB 代码，可将开环电生理记录系统转换为闭环系统。该闭环刺激的实现方法在清醒大鼠中进行了演示。
安装Cheetah 6.4数据采集系统时，打开该软件的网页，其中包含与Cheetah采集系统交互所需的库文件，并安装SpikeSort-3D。安装NetCom开发包。登录MATLAB账户，以选择正确的许可证、版本和操作系统。
然后，按照说明下载用于在线事件触发的库，并将文件解压至文档中的 MATLAB 文件夹。进行数据采集时，打开 Cheetah 软件并记录峰电位数据，以填充模板波形。数分钟后，停止数据采集，并对记录的数据执行 SpikeSort 分析。
接下来，打开 SpikeSort3-D，点击文件菜单并加载脉冲文件，以从包含记录数据的文件夹中选择一个脉冲文件。然后，点击聚类菜单，使用 KlustaKwik 进行自动聚类，并运行。要执行闭环实验，请在 Cheetah 中恢复数据采集，并打开 MATLAB。
打开 ClosedLoop.M 并点击运行。或者，在命令窗口中执行 closed-loop。
浏览至记录文件夹，选择其中一个脉冲数据文件，以加载初始记录中定义的脉冲信息。在绘制的波形图下方勾选相应的复选框，选择一个或多个将触发刺激的神经元。在“min matches”文本框中输入一个整数，以定义触发刺激所需的最少神经元数量；在“window”文本框中输入数值，以定义不同波形脉冲被视为共激活的时间窗口。
然后，单击发送以开始根据所选神经元的放电活动在线触发事件。在此代表性实验中，大鼠静止在一个花盆上，这是行为学实验间歇期间熟悉且常用的休息位置。此处可观察到记录软件与MATLAB程序同步运行的代表性画面，后者可实时显示采集到的神经放电波形。
当检测到来自预定义触发簇的尖峰时，波形将以粗虚线形式显示在 MATLAB 图形窗口中，同时触发一个音调，构成一个闭环系统。该图展示了生成人工尖峰与诱导触发信号之间时间延迟的代表性直方图。在完成动物准备并安装软件后，闭环实验主要包括两个阶段：初始数据采集阶段，以及尖峰触发外部刺激的闭环刺激阶段。
该方案还允许根据多个神经元的活动来施加刺激，这对于研究大脑中的信息处理问题具有重要意义。该 MATLAB 解决方案的优势在于成本低，并且在定义触发刺激的活动模式方面具有灵活性，有助于探究多种神经科学问题。
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概述
本方案演示了基于神经元活动模式的闭环刺激电生理系统的使用方法。该系统使神经科学家即使计算机科学专业知识有限，也能高效且低成本地开展闭环实验。本方案包含用于实现的示例 MATLAB 代码，并以清醒大鼠的记录为例，展示了神经脉冲与刺激之间的实时交互。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 闭环系统
背景
- 闭环刺激对于研究大脑中的因果相互作用至关重要。
- 该方法在癫痫研究中尤为有用，可减轻发作严重程度。
- 该方案解决了神经科学领域对可及性闭环系统的迫切需求。
研究目的
- 提供一种以最低成本和专业知识即可实现闭环刺激的方法。
- 通过实时刺激促进对神经元活动及反应的研究。
- 使研究人员能够更深入地理解大脑中的信息处理机制。
使用方法
- 该研究采用标准的神经生理记录系统进行闭环实验。
- 以清醒大鼠的记录作为生物模型。
- 提供MATLAB代码，用于开环系统的定制和转换。
- 关键步骤包括数据采集、脉冲放电数据的分类以及刺激参数的设定。
- 闭环实验涉及根据神经活动实时触发刺激。
主要结果
- 该方案可根据多个神经元的活动进行刺激，有助于加深对神经元相互作用的理解。
- 利用神经元放电数据触发外部刺激，实现了有效的闭环反馈。
- 通过 MATLAB 接口实现了神经元活动的实时可视化。
- 关键研究结果突显了基于 MATLAB 的解决方案所具备的灵活性和低成本优势。
结论
- 本研究使研究人员能够轻松实施和采用闭环刺激技术。
- 该发现有助于深入理解神经元机制和脑功能。
- 灵活的刺激模式有助于解答多种神经科学问题。
常见问题
行业重要性概述
闭环神经生理学系统通过将神经元活动模式与实时刺激相连接，能够对脑环路进行因果性探究，从而支持临床前神经科学中的靶点验证和机制风险评估。该基于 MATLAB 的方法降低了实施闭环设计的技术门槛，有助于开展可扩展且可重复的神经信息处理研究。本方案通过在与疾病相关的模型中提供一种灵活、经济高效的工具，支持以假设驱动的刺激实验，从而促进早期探索性研究工作流程。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过基于单个或多个神经元特定放电活动的刺激触发，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：通过在清醒动物模型中实时因果性操控神经环路，支持功能靶点的验证。
- 预测价值：在受控的闭环条件下，通过展示刺激诱发的神经反应，增强对靶点参与的信心。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：通过实现精确的、依赖于活动的刺激，为下游检测标准化制备经过验证的神经元记录系统。
- 操作价值：通过用户自定义的尖峰检测阈值和共激活时间窗口，提高检测的可重复性，实现一致的刺激触发。
- 可扩展性：通过可修改的 MATLAB 代码，使平台能够适应不同的刺激设备和记录装置，便于在多个实验中重复使用。
转化与临床前研究
- 转化连续性：在清醒大鼠中得到验证，支持其在疾病模型中的相关性以及神经调控策略的临床前验证。
- 机制性风险降低：通过基于多神经元活动模式的刺激处理，可研究大脑中的信息处理过程，减少因果解释中的不确定性。
- 风险调整式推进：通过提供对刺激所引发神经反应的定量、实时反馈，支持决策推进或终止（go/no-go决策）。
流程与工作流整合
该方法通过神经元放电活动触发的实时刺激实现假设检验，将电生理学与干预研究相结合，从而整合到早期发现的工作流程中。
- 发现生物学：通过允许研究人员测试特定神经活动模式与下游反应之间的因果关系，支持通路阐明和生物学风险降低。
- 筛选：通过基于用户定义神经元簇的可重复性分群和在线事件触发，提升检测准备就绪度。
- 分析：提供定量的因变量测量，例如脉冲触发的刺激时序和直方图化的反应延迟，用于不同条件间的比较分析。
- 转化研究：通过在清醒啮齿类动物中的验证，实现与临床前研究的连续性衔接，支持向疾病相关系统的外推。
- 企业级复用：由于采用开源 MATLAB 代码，可在不同实验室和刺激模式中无需重大重构即可适应性复用，因而被定义为可重复利用的技术能力。
运营与企业影响
- 科学价值：对靶点调控的预测置信度，降低神经环路研究中的机制模糊性。
- 操作价值：利用广泛可用的电生理和 MATLAB 工具实现标准化、可重复性及低成本实施。
- 战略价值：在靶点验证中做出更优的“推进/终止”决策，提高资本使用效率，并降低神经调控项目后期的生物学风险。
- 项目组合影响：基于闭环刺激实验的因果证据，对靶点进行风险校正后的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备电生理学、峰电位分选以及基础 MATLAB 脚本编写方面的专业知识，以进行参数配置。
- 依赖于 Neuralynx Cheetah 系统及兼容计算机等设备，用于实时数据采集与处理。
- 为实现可重复的触发，需在不同研究团队间对峰电位检测阈值、共激活时间窗和最小匹配参数进行统一标准化。
- 在应用于不同模型系统或超出声音刺激或串行端口输出的其他刺激模式时，需考虑相应的适应性调整。
- 实际限制包括对稳定峰电位分选的依赖性，以及实时处理中可能存在的延迟，这会影响刺激的时间精度。
