开源实时闭环电阈值追踪技术在转化疼痛研究中的应用

该工具可用于研究伤害感受器致敏的不同机制，而这种致敏可引发某些类型的慢性疼痛。自动化的电阈值追踪可对伤害感受器的兴奋性进行可靠、在线、实时的测量。因此，该测量方法提供了一个重要的转化桥梁，使得在人类和动物中均可进行相应的测量。

同样，这使得能够有效评估病理状态和治疗方法。未来，AP Track 可用于慢性疼痛患者，以确认治疗药物是否正在使其致敏的伤害性感受器的兴奋性恢复正常。这将作为疗效的关键生物标志物。

我们预计，我们的开源工具包 AP Track 将对研究不同强度时间循环刺激的电生理学家有所帮助。例如，我们也认为它在光遗传学研究中将具有应用价值。同时管理实验和软件在初期可能具有挑战性，因此我建议用户在开展实验之前，先将预录制的数据加载到 AP Track 中，以熟悉其使用方法。

我们已提供演示数据。首先，使用制造商提供的电缆将采集板连接到计算机，并为其通电。然后，将IO板连接到采集板的模拟输入端，并使用串行外设接口电缆将Intan RHD记录头级连接到采集板。

接下来，将 Pulse Pal 连接到计算机。使用 BNC T 型分路器将 Pulse Pal 输出通道一的信号分路，然后将其连接至恒流刺激器输入端和 IO 板，以便记录模拟电压指令。将 Pulse Pal 输出通道二连接至 IO 板，以记录刺激的 TTL 事件标记。

使用可调式恒流刺激器进行组装时，先开启恒流刺激器电源，然后使用制造商提供的电缆和磁性支架将步进电机控制板与步进电机连接。使用标准的USB-A转USB micro B电缆将控制板直接连接至计算机。将控制板和步进电机连接至定制的安装支架，并将恒流刺激器上的刺激强度调节旋钮设置为0毫安。

然后，将定制的套管适配器连接到步进电机套管上。使用该套管适配器将步进电机及定制安装装置固定到恒流刺激器的刺激强度调节旋钮上，并接通电源。打开AP Track图形用户界面，建立稳定的外周神经电生理记录。

确定皮肤上的感受野，并将刺激电极放置于该位置。在“选项”菜单中，选择“触发通道”，然后选择包含来自 Pulse Pal 输出通道二的电刺激 TTL 标记的 ADC 通道。接着，选择数据通道，并选择包含电生理数据的通道。

单击“连接”以将AP Track连接至Pulse Pal和步进电机装置。此过程可能需要片刻时间。连接成功后，步进电机控制板将自动设置为零位。

在刺激控制面板中，使用滑块设置初始的最小和最大刺激强度。确保当前刺激强度设置为大于零，以生成TTL标记。点击F键加载包含刺激指令的文件，然后点击右箭头以开始执行已加载的刺激范式。

时间栅格图将开始更新，显示对电刺激的响应，每次新的刺激响应将以新列的形式显示在右侧。为了成功检测单个神经元的动作电位，请转到时间栅格图面板，并调整低、检测和高图像阈值。当设置合适的图像阈值后，算法检测到的阈值跨越事件将以绿色编码显示。

系统地将刺激电极在该神经支配的皮肤区域移动。当电极保持在同一刺激位置时，监测时间序列点阵图，观察是否连续出现三次相同潜伏期的阈值跨越事件。这表明已识别出具有恒定潜伏期的外周神经元动作电位。

在时间序列点图上确定单个神经元的动作电位后，移动点图右侧的灰色线性滑块以调整搜索框的位置。然后，使用旋转滑块将搜索框调整至合适的宽度。使搜索框的宽度尽可能窄。

要开始追踪目标动作电位，请点击多单元追踪表格下方的加号。表格中将新增一行，包含目标动作电位的详细信息，包括潜伏期位置、在2到10次刺激中放电的百分比，以及检测到的峰值幅度。此后每次电刺激时，潜伏期追踪算法将自动对该动作电位执行。

在表格中选中轨迹尖峰复选框，将搜索框移动至相应动作电位的适当位置。通过将刺激位点与记录位点之间的距离除以表格中显示的潜伏期，计算外周神经元的传导速度。进行电阈值追踪时，调节刺激控制面板中的递增和递减速率为所需数值。

保持这些数值相等。确保刺激频率设置在适当范围内，通常为 0.25 至 0.5 赫兹。手动调节刺激强度，使其大致达到神经元的电阈值。

然后，在多单元追踪表格中勾选“轨迹阈值”复选框，以启动电阈值追踪算法。在多单元追踪表格中监测放电频率。当放电频率达到50%时，表明已确定近似的电阈值，此时阈值将被更新。

最后，对感受野施加实验性干预，并持续监测电阈值，以量化外周神经元兴奋性的变化。本图展示了在微神经造影实验中记录的人体浅表隐神经C纤维的连续电生理轨迹，以及在皮肤-神经标本分离纤维电生理实验中记录的小鼠隐神经Aδ纤维的连续电生理轨迹。

当检测到动作电位时，迹线被标记为红色，导致刺激强度下降。该软件算法能够有效确定引发50%放电概率所需的刺激强度。本图展示了在对人类C纤维伤害性感受器进行热刺激期间，以0.25赫兹刺激频率进行的电阈值追踪结果。

纵轴表示从实验范式开始起的刺激次数。电刺激后4,000毫秒内的电压轨迹，以及达到阈值的事件，以红色标出。此处显示的是围绕被追踪的动作电位进行放大的电压轨迹。

垂直的蓝色线条表示被追踪神经元的基线潜伏期。本图显示了由AP Track指令的刺激电流。垂直的蓝色线条表示基线电阈值。

此处展示了感受野TCS-II热刺激探针的温度。当该热敏感C纤维的感受野被热刺激器加热时，其电阈值会降低。选择合适的搜索框宽度和检测阈值非常重要，因为它们能显著提升AP Track的性能，减少电噪声的影响。

量化治疗剂对伤害感受器中过度兴奋性的影响，可能有助于我们更深入地理解慢性疼痛的潜在机制。我们希望其他研究人员能够利用这一免费提供的工具，进一步深入了解伤害感受生物学以及伤害感受器致敏过程中发生的变化。