Untersuchen Local Network Processing mit Multi-Contact-Laminar Electrode Recording

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Methodik zu beschreiben, die es uns ermöglicht, zu untersuchen, wie einzelne Neuronen und lokale Feldpotentiale in verschiedenen kortikalen Schichten des primären visuellen Kortex sensorische Informationen verarbeiten. Das Verfahren beginnt mit der Beschreibung des Aufbaus des computergesteuerten Mikroantriebssystems und der Verwendung einer mehrkontaktigen laminaren Elektrode zur Ableitung im primären visuellen Kortex.

Der nächste Schritt besteht darin, nachdem die Elektrode in die Zielregion des Gehirns vorgeschoben wurde, ein Paradigma des evozierten Antwortpotentials durchzuführen. Anschließend wird eine Analyse der Stromquellendichte verwendet, um die kortikalen Schichten anhand der Polaritätsinversion in Kombination mit der Sync-Quellkonfiguration zu identifizieren. Der letzte Schritt des Verfahrens ist die Abbildung des rezeptiven Feldes und die Analyse der Unterschiede in der neuronalen Aktivität als Reaktion auf visuelle Reize.

Schließlich können Ergebnisse erzielt werden, die schichtspezifische Veränderungen bei der Kodierung sensorischer Informationen zeigen. Hallo, mein Name ist Sarah Eagleman und ich bin Doktorandin an der Universität von Texas Medical School in Houston. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie Multielektrodenarrays besteht darin, dass die U-Sonde neuronale Aktivität über mehrere Millimeter Kortex gleichzeitig bei einer einzigen Eindringung aufzeichnen kann.

Hallo, mein Name ist Brian Hansen. Ich bin Doktorand an der University of Texas Medical School in Houston. Diese Methode kann zentrale Fragen auf dem Gebiet der Neurowissenschaften beantworten, indem sie untersucht, ob und wie Informationen auf lagen-spezifische Weise verarbeitet werden.

Um zunächst die Name-Elektrodenanordnung zusammenzubauen, sammeln Sie zuerst die erforderlichen Werkzeuge und Einzelteile, einschließlich der Führungsrohre, des Führungsdrahts, des vollständigen Dremels, des Satzes mit Namenswerkzeugen und -teilen sowie der U-Sonde. Messen Sie die Führungsrohre so, dass sie, sobald sie am Aufnahmegerät befestigt sind, lang genug sind, um auf der Dura zu liegen, ohne diese zu beschädigen. Danach schneiden Sie, nachdem Sie die Tiefe der Aufnahmekammer gemessen haben, die Führungsrohre auf die gemessene Länge von etwa fünf bis sieben Zentimetern zu.

Stellen Sie sicher, dass keine Metallfragmente in das Innere des Rohrs gelangen. Verwenden Sie einen starren Draht, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Führungsrohrs, um eventuelle Metallfragmente im Rohr zu entfernen. Danach setzen Sie das Namensgitter in die Namensbasis ein.

Ziehen Sie die Klemmschraube und die Gitterschraube fest. Identifizieren Sie dann den Aufnahmebereich von Interesse und positionieren Sie die Mikroantriebstürme über diesem Bereich. Nachdem der Bereich von Interesse identifiziert wurde, schieben Sie das Führungsröhrchen durch die Unterseite des Gitters vor, bis es etwa ein bis zwei Millimeter außerhalb der Bezeichnungskammer liegt.

Als Nächstes montieren Sie zwei Klemmen an jedem NA-Mikroantriebsturm. Ein Motor treibt die obere Klemme an, während die untere Klemme entweder fest positioniert oder lose sein kann. Die obere Klemme ist mit dem Verstärkungsrohr der U-Sonde verbunden.

Befestigen Sie die untere Klammer an dem Führungsschlauch und tragen Sie eine kleine Menge Sekundenkleber auf, um den Führungsschlauch an Ort und Stelle zu fixieren. Die beiden Klammern verleihen dem System Stabilität und Präzision. Richten Sie die Spitze der U-Sonde sorgfältig mit dem oberen Ende des Führungsschlauchs aus und führen Sie die U-Sonde durch den Führungsschlauch, bis Sie den Turm an der Hauptbasis befestigen können.

Stellen Sie die Position des Turms mit der Daumenschraube so ein, dass keine zusätzliche Spannung auf der U-Sonde oder dem Führungsrohr lastet. Platzieren Sie das Namenssystem auf der Zylinderbasis und schließen Sie die Motorkabel an die entsprechenden Türme an. Wenn mehrere Türme verwendet werden, dienen farbkodierte Kabelbinder zur Unterscheidung zwischen Motorkabeln und Türmen. Verwenden Sie das Namens-Softwareprogramm, um die U-Sonde vorzubewegen, entweder indem Sie eine Zielposition festlegen, zu der die U-Sonde automatisch vorgeschoben wird, oder indem Sie im Namens-Softwareinterface gedrückt halten. Bewegen Sie die U-Sonde so weit vor, dass mindestens 10 Millimeter ihrer Spitze durch das Führungsrohr hindurch und über das Ende der Namenskammer hinausragen.

Sterilisieren Sie die U-Sonde, indem Sie sie vor dem Anbringen der Namen-Basis an die implantierte Ableitungskammer 20 bis 30 Minuten lang in eine aktivierter Aldehydlösung auf der Metro-Seite einlegen. Danach spülen Sie die U-Sonde und die Namen-Basis mit steriler Wasser null ab. Die Namen-Software-Standorte werden bestimmt, indem die U-Sonde so zurückgezogen wird, dass die Spitze gerade innerhalb des Führungsröhrchens in der Namen-Software liegt.

Klicken Sie auf „Nullpositionieren“ für alle Positionen. Befestigen Sie die Namensbasis an der implantierten Ableitungskammer und ziehen Sie alle vier Schrauben fest. Richten Sie anschließend die Basis anhand eines Pins aus, der sich an der Seite der Ableitungskammer befindet.

Ziehen Sie alle vier Schrauben erneut fest und stellen Sie sicher, dass die Namensbasis sicher an der Ableitungskammer befestigt ist. Zur Vorbereitung der Ableitung wird die U-Sonde geerdet und gemäß den Anweisungen zur Erdung und Referenzierung als „floating“ betrachtet. Dies wird erreicht, indem das angeschlossene Drahtjumperstück platziert wird.

An den unteren Anschlüssen werden die Kopfstufen am U-Sonden-Anschluss befestigt, anschließend werden die Verstärkerkabel angeschlossen und geerdet. Die U-Sonde wird zunächst etwa ein bis zwei Millimeter schnell und kräftig vorgeschoben. Stellen Sie den Geschwindigkeitsparameter auf einen Bereich von 0,1 bis 0,2 Millimetern pro Sekunde und die Tiefenstufe auf 0,2 bis 0,3 Millimeter ein.

Diese Werte gewährleisten, dass die U-Sonde die Dura mater sauber durchdringen kann, was einen wichtigen ersten Schritt bei der Ableitung darstellt. Sobald die Dura durchbrochen ist, verringern Sie die Geschwindigkeit auf 0,50 bis 0,1 Millimeter pro Sekunde und reduzieren Sie die Tiefenstufe auf 0,5 bis 0,1 Millimeter. Ziel ist es, die U-Sonde so gleichmäßig und langsam wie möglich vorzuschieben, um eine Schädigung des Gewebes zu vermeiden.

Ein Hinweis darauf, dass die Sonde in das Gehirn eingedrungen ist, ist eine Änderung der Amplitude des LFP, begleitet von einer Verringerung des Rauschpegels. Um zu überprüfen, dass die Elektrode alle kortikalen Schichten durchspannt, messen Sie die Änderung der Amplitude als Reaktion auf einen Ganzfeld-Weißlichtblitz-Reiz. Die zeitlichen Änderungen der LFP-Amplitude bilden die Grundlage für die Analyse des evozierten Antwortpotentials. Diese Analyse liefert die Basis zur Identifizierung der kortikalen Schichten.

Messen Sie das evozierte Antwortpotential während einer Passivfixationsaufgabe, während dem Probanden ein vollflächiger schwarzer Bildschirm präsentiert wird, der für 100 Millisekunden weiß aufblitzt und anschließend wieder schwarz wird. Diese Abfolge stellt einen Durchlauf dar, der 200-mal wiederholt wird. Der Plex auf dem Multikanal-Erfassungsprozessor speichert alle kontinuierlichen Datensignale direkt auf dem Aufnahmecomputer über eine National Instruments PCI-Karte.

Nachdem die Daten gespeichert wurden, beginnen Sie mit der Verarbeitung der Signale für die Analyse der momentanen Quelldichte. Verwenden Sie die von Plex bereitgestellte Softwarekorrektur FP align, um die durch die Filter in den Kopfstufen und den Vorverstärkerplatinen verursachten Zeitverzögerungen in den LFP-Signalen zu korrigieren. An diesem Punkt werden die Daten mit Neuro Explorer an MATLAB übertragen.

Jeder LFP-Kanal wird mit standardmäßigen Hoch- und Tiefpassfiltern mit Grenzfrequenzen von 0,5 Hertz und 100 Hertz gefiltert. Nachdem jeder Elektrodenkontakt gefiltert wurde, identifizieren Sie jede Einzelprobe und mitteln Sie über die Einzelproben, um die mittlere LFP-Zeitreihe für jeden Elektrodenkontakt zu erhalten. Ordnen Sie anschließend jeden Kontakt in einer Matrix an, wobei die LFP-Amplitude als Funktion der Zeit dargestellt wird. Führen Sie dann die ICSD-Toolbox in MATLAB aus, indem Sie „CSD plotter“ im Arbeitsbereich eingeben. Da die Abtastrate der kontinuierlichen Daten ein Kilohertz beträgt, stellen Sie den DT-Parameter auf eine Millisekunde ein.

Als Nächstes stellen Sie den kortikalen Leitfähigkeitswert auf 0,4 Siemens pro Meter ein, was der aktuellen Quelldichte in Einheiten von Nanoampere pro Kubikmillimeter entspricht, und ändern die Elektrodenposition als Vektor von 0,1 in Schritten von 0,1 bis 1,6, was der Gesamtanzahl der Kontakte entspricht. Wenn alle Parameter eingegeben wurden, klicken Sie auf „Dies ausführen“. Zeigen Sie das CSD-Profil in der CSD-Plotter-Oberfläche an und fügen Sie es in eine neue Abbildung ein.

Allgemeine Funktionen in MATLAB, wie beispielsweise image SC, können verwendet werden, um das Schichtenprofil darzustellen, und verschiedene Glättungsalgorithmen sowie Normalisierungsroutinen können angewendet werden, um die CSD-Daten zu repräsentieren und die Schichtenidentifikation über mehrere Stunden und Sitzungen hinweg zu vergleichen. Um die mit der Senke-Quelle-Konfiguration an der Basis der Schicht vier verbundene Polaritätsinversion zu identifizieren, überprüfen Sie zuerst das Vorhandensein einer primären Senke in der granulären Schicht. Nutzen Sie dazu das laminare CSD-Profil und lokalisieren Sie die durch die Senke verursachte negative Polarität im CSD-Plot.

Danach berechnen Sie den Schwerpunkt der körnigen Senke. Ein OID wird aus der Analyse gewonnen, die aus der Kontaktanzahl und der Zeit besteht, zu der die Synchronisation am größten war. Der Kontakt mit dem Syn-Centro dient als Referenz der körnigen Schicht bei null Mikrometern.

Analysieren Sie alle Kontakte oberhalb und unterhalb des Referenzpunkts und gruppieren Sie sie in eine der drei möglichen Schichten. Supra-, granuläre und infra-granuläre Schichten validieren die granuläre Senke durch Vertauschen der Elektrodenpositionen, wobei die zeitliche Domäne unverändert bleibt. Nach dem Mischen berechnet die CSD-Matrix die OID-Analyse.

Auch hier sollte das Zufällig-Verteilen der Elektrodenkontakte in Abhängigkeit von der kortikalen Tiefe jegliche laminare Spezifität zerstören. Um die rezeptiven Felder zu finden, beginnen Sie mit der Präsentation eines Stimulus zur Reverse-Korrelation auf dem Monitor, an den Stellen, an denen sich rezeptive Felder möglicherweise befinden. Der Stimulus besteht aus vier Orientierungsabstufungen bei 45, 0, 90 und 135 Grad.

Führen Sie eine Clusteranalyse anhand der Feuerratenkarten durch, um das rezeptive Feld zu lokalisieren. Berechnen Sie zunächst die Positionen der maximalen Feuerraten und deren Zentroid für jede Zeitverzögerung. Berechnen Sie anschließend die Abstände zwischen dem Centro und diesen Positionen der maximalen Feuerrate.

Berechnen Sie Karten der Feuerraten an jedem räumlichen Ort für Leitungsverzögerungen zwischen 40 und 120 Millisekunden in Fünf-Millisekunden-Intervallen für jedes Neuron unabhängig. Ermitteln Sie den Gesamtabstand zwischen der OID und den umgebenden Punkten mit maximaler Feuerrate bei allen Zeitverzögerungen. Das rezeptive Feld befindet sich bei der Zeitverzögerung, die diesen Abstand minimiert.

Sobald ein rezeptives Feld für jede vorhandene Zelle gefunden wurde, wird ein umgekehrtes Korrelationsstimulus präsentiert, der größer ist als alle rezeptiven Feldpositionen und alle rezeptiven Felder in der aufgezeichneten Population überlappt. Eine Echtzeit-Aktivitätsraten-Aufzeichnung kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob die korrekten Positionen der rezeptiven Felder identifiziert wurden. Abschließend werden die Spikesignale mithilfe des Offline-Sortierprogramms von Plexon sortiert, das eine Wellenform-Clustering-Methode basierend auf Parametern wie Hauptkomponenten, Spikebreite sowie Tal- und Spitzen-Eigenschaften implementiert.

Entfernen Sie unbedingt Signalquellen, die abrupte Reaktionsänderungen verursachen, und behalten Sie nur solche mit stabilen Feuerraten für die hier gezeigte weitere Analyse. Ein Beispiel zur Veranschaulichung der CSD-Analyse bei der Lokalisierung kortikaler Schichten entlang der kortikalen Tiefe als Funktion der Zeit zeigt, dass die Position der supragranulären, granulären und infragranulären Schichten auch vier Stunden nach Beginn der Aufnahmesitzung stabil bleibt. Die CSD-Spuren stellen den Durchschnitt der Kontakte dar, die einer bestimmten Schicht zugeordnet wurden.

In diesem Beispiel zeigt die granuläre Schicht eine deutliche Abnahme der CSD-Amplitude bei etwa 50 Millisekunden. Eine weitere wichtige Analyse bei Verwendung der laminären Elektrode besteht darin, das rezeptive Feld der Neuronen genau zu identifizieren und zu lokalisieren. Der Ursprung dieser Darstellungen ist der Fixationspunkt, ein kleiner weißer Kreis, der zentral auf einem schwarzen Computerbildschirm angezeigt wird.

Die Farbe in diesen Diagrammen stellt die Feuerrate jedes Neurons als Reaktion auf einen dynamischen Reiz mittels Reverse-Korrelation dar. Diese Abbildung zeigt zwei Beispiele von Spike-Wellenformen, die auf demselben Kanal isoliert wurden. Die Clusteranalyse wurde anhand der Hauptkomponentenanalyse und der Merkmale der Spike-Wellenformen durchgeführt.

Die durchschnittlichen Spikesignale sind als durchgezogene Linie dargestellt. Die Standardabweichungen sind als gestrichelte Linie dargestellt. Bei der Durchführung dieser Verfahren ist es wichtig, daran zu denken, vorsichtig voranzuschreiten und ausreichend Zeit zu lassen, damit sich das Gehirn nach jeder Vorwärtsbewegung ausreichend beruhigen kann.

Wir beginnen normalerweise etwa 30 bis 45 Minuten nach dem letzten Vorschub mit der Aufnahme, und zwar gemäß diesem Verfahren. Andere spektrale Techniken wie die LFP-Leistung und die Synchronisation von Spikes und Feldpotentialen können verwendet werden, um die Netzwerkstruktur innerhalb und zwischen kortikalen Schichten zu untersuchen.