Seguimiento ocular simultáneo y grabaciones de una sola neurona en pacientes con epilepsia humana
17 de junio de 2019
Describimos un método para llevar a cabo grabaciones de una sola neurona con seguimiento ocular simultáneo en humanos. Demostramos la utilidad de este método e ilustramos cómo usamos este enfoque para obtener neuronas en el lóbulo temporal medial humano que codifican objetivos de una búsqueda visual.
Una ventaja principal de nuestra técnica es que permite el registro simultáneo de la posición de la caja, el tamaño de la pupila y las neuronas individuales en pacientes implantados con electrodos de profundidad al lado de la cama. Esto nos permite determinar si hay neuronas en el cerebro humano cuya actividad es sensible a los movimientos oculares y a la identidad del estímulo actualmente fijado. Si bien esta técnica no está diseñada para estudiar una enfermedad en particular, es adecuada para estudiar enfermedades neurológicas que resultan en movimientos oculares anormales u otras anomalías motoras oculares.
Demostrando el procedimiento serán Nand Chandravadia y James Lee, investigadores asociados de mi laboratorio. Y Erika Quan, una técnico neurodiagnóstica en Cedars-Sinai. Para comenzar, conecte los electrodos al sistema de grabación y coloque al paciente sentado en posición vertical.
A continuación, conecte el ordenador de estímulo al sistema de electrofisiología y al rastreador ocular. Coloque el sistema remoto de seguimiento de ojos infrarrojos no invasivos en un carro móvil robusto. A continuación, coloque un brazo flexible que sostenga una pantalla LCD al carro.
Coloque una fuente de alimentación ininterrumpida completamente cargada en el carro de seguimiento ocular y conecte todos los dispositivos relacionados con el seguimiento ocular a la fuente de alimentación en lugar de a una fuente de alimentación externa. Asegúrese de que el dispositivo IV conectado al paciente esté funcionando con batería y no esté conectado a la pared. Inicie el software de seguimiento ocular.
Ajuste la distancia entre el paciente y la pantalla LCD a entre 60 y 70 centímetros. Ajuste también el ángulo de la pantalla LCD para que la superficie de la pantalla sea aproximadamente paralela a la cara del paciente. Coloque una pegatina en la frente del paciente para que el rastreador ocular pueda ajustarse para los movimientos de la cabeza.
Ahora, ajuste la altura de la pantalla en relación con la cabeza del paciente de manera que la cámara del rastreador ocular esté aproximadamente a la altura de la nariz del paciente. Proporcione al paciente una caja de botones o un teclado. Compruebe que los desencadenadores y la pulsación de botón se registran correctamente antes de iniciar el experimento.
Inicie el software de adquisición. En primer lugar, inspeccione visualmente los potenciales de campo local de banda ancha y asegúrese de que no estén contaminados por el ruido de línea. De lo contrario, siga los procedimientos estándar para eliminar el ruido.
Para identificar neuronas individuales, el paso de banda filtra la señal de 300 hercios a ocho kilohercios. Seleccione uno de los ocho microcó cables como referencia para cada paquete de microcables. Habilite guardar los datos como un archivo nrd antes de grabar.
Ajuste la distancia y el ángulo entre el rastreador ocular y el paciente para que el marcador de destino, la distancia de la cabeza, la pupila y la reflexión corneal estén marcados como listos. Esto se muestra en verde en el software de seguimiento de ojos. Haga clic en el ojo que desea grabar y establezca la frecuencia de muestreo en 500 hercios.
Utilice el ajuste automático de la pupila y el umbral de reflexión corneal. Calibre el rastreador ocular con el método de rejilla incorporado al principio de cada bloque. Confirme que las posiciones oculares se registran bien como una cuadrícula.
De lo contrario, vuelva a hacer la calibración. Acepte la calibración y realice la validación. Acepte la validación si el error de validación máxima es inferior a dos grados y el error de validación promedio es inferior a un grado.
De lo contrario, vuelva a hacer la validación. A continuación, realice la corrección de deriva y continúe con el experimento real. En esta tarea de búsqueda visual, utilice los estímulos de un estudio anterior realizado por este grupo y siga el procedimiento de tarea como se describió anteriormente.
Proporcione instrucciones de tarea a los participantes. Indique a los participantes que busquen un elemento de destino en la matriz de búsqueda y respondan lo antes posible. Indique a los participantes que presionen el botón izquierdo de un cuadro de respuesta si encuentran el objetivo y presionen el botón derecho si creen que el objetivo está ausente.
Instruir explícitamente a los participantes que habrá ensayos de destino presentes y ausentes objetivo. Inicie el software de presentación de estímulo y ejecute la tarea. Presente una señal de destino durante un segundo y presente la matriz de búsqueda utilizando el software de presentación de estímulo.
Grabe las pulsaciones de los botones y proporcione la prueba mediante comentarios de prueba a los participantes. Para ilustrar el uso de este método, se registraron 228 neuronas individuales desde el lóbulo temporal medial humano mientras los pacientes realizaban una tarea de búsqueda visual como se muestra aquí. Durante esta tarea, se investigó si la actividad de las neuronas diferenciaba entre las fijaciones en los objetivos y los distractores.
Cuando las respuestas se alinearon en la pulsación del botón, se encontraron neuronas que mostraron actividad diferencial entre los ensayos de target-present y los ensayos de target-absent. Las líneas negras representan el inicio y el desplazamiento de la cola de búsqueda. Esta neurona aumentó su tasa de disparo para ensayos de target-present, pero no para ensayos de target-absent.
Por el contrario, esta neurona disminuyó su tasa de disparo para ensayos de target-present, pero no para ensayos de target-absent. Un subconjunto de neuronas del lóbulo temporal medial mostró actividades significativamente diferentes entre las fijaciones en los objetivos frente a los distractores. Además, un tipo de esa neurona objetivo tuvo una mayor respuesta a los objetivos en relación con los distractores, mientras que el otro tenía una mayor respuesta a los distractores en relación con los objetivos.
Juntos, este resultado demuestra que un subconjunto de neuronas del lóbulo temporal medial codifica si la fijación actual aterrizó en un objetivo o no. Es fundamental asegurarse de que el rastreador ocular no introduzca ruido en la grabación. Cualquier ruido debe eliminarse antes de realizar los experimentos.
Si el ruido persiste, asegúrese de que la pantalla utilizada para mostrar el estímulo al sujeto tenga una fuente de alimentación externa. Fuentes de alimentación de intercambio para fuentes de alimentación de más alta calidad que se suelen utilizar para aplicaciones de audio de gama alta. Después de este procedimiento, se realiza un análisis de picos y movimientos oculares para extraer información de los datos que permitirán al investigador investigar las respuestas neuronales a los movimientos oculares.
Este método allana el camino para explorar muchas preguntas sin respuesta que requieren el análisis de fijaciones, como cómo las neuronas conducen colectivamente las fijaciones a objetos interesantes en una escena.
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Descripción general
Este artículo describe un método para realizar grabaciones de una sola neurona mientras se rastrean simultáneamente los movimientos oculares en humanos. La técnica permite a los investigadores estudiar la actividad neuronal relacionada con los objetivos de búsqueda visual en el lóbulo temporal medial humano.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Electrofisiología
- Cognición visual
Antecedentes
- Los registros de una sola neurona proporcionan información sobre la función cerebral.
- El seguimiento ocular puede revelar cómo se distribuye la atención visual.
- Comprender las respuestas neuronales a los estímulos visuales es fundamental para la neurociencia.
- Este método puede aplicarse en entornos clínicos con pacientes que tienen electrodos de profundidad.
Objetivo del estudio
- Demostrar una técnica para el rastreo ocular simultáneo y grabaciones de neuronas individuales.
- Identificar neuronas sensibles a los movimientos oculares y a los estímulos visuales.
- Facilitar la investigación sobre enfermedades neurológicas que afectan los movimientos oculares.
Métodos Utilizados
- Conecte los electrodos a un sistema de registro.
- Coloque al paciente en posición vertical para obtener un registro óptimo.
- Registre la actividad neuronal mientras rastrea los movimientos oculares.
- Analice la relación entre la actividad de disparo neuronal y los objetivos visuales.
Resultados principales
- Demostró la viabilidad del método en un entorno clínico.
- Identificó neuronas en el lóbulo temporal medial que responden a la búsqueda visual.
- Mostró cómo los movimientos oculares influyen en la actividad neuronal.
- Proporcionó una base para estudiar las anomalías del movimiento ocular.
Conclusiones
- La técnica es efectiva para estudiar el procesamiento visual en humanos.
- Abre nuevas vías para la investigación sobre condiciones neurológicas.
- Los estudios futuros pueden aprovechar este método para obtener mayores conocimientos sobre la función cerebral.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este método conecta la neurofisiología animal y la neurociencia cognitiva humana al permitir grabaciones simultáneas de neuronas individuales y seguimiento ocular en humanos durante la realización de tareas. Proporciona una lectura directa de los correlatos neuronales de la atención visual y la selección de objetivos, lo que apoya la reducción mecanicista de riesgos en la validación de dianas para trastornos neuropsiquiátricos y neurodegenerativos. El enfoque mejora la confianza predictiva en modelos preclínicos al validar mecanismos neuronales relevantes para el ser humano que subyacen al procesamiento sensorial y la toma de decisiones.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la verificación de hipótesis terapéuticas mediante la vinculación de la actividad de neuronas individuales con la identificación de estímulos visuales en el lóbulo temporal medial humano.
- Valor operativo: Facilita la reducción de riesgos biológicos mediante la observación directa de las respuestas neuronales a estímulos relevantes para la tarea en un sistema clínicamente relevante.
- Valor predictivo: Identifica neuronas diana cuya descarga refleja la atención descendente, ofreciendo un biomarcador de la función de la red atencional en modelos de enfermedad.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Valor científico: Prepara lecturas validadas de neuronas y movimientos oculares para ensayos de cribado de compuestos en pruebas de procesamiento visual.
- Valor operativo: Asegura la estandarización del ensayo mediante salidas sincronizadas de electrofisiología y seguimiento ocular, reduciendo la variabilidad en las mediciones de respuesta neuronal.
- Escalabilidad: Permite la reutilización de la plataforma en distintas tareas cognitivas mediante la adquisición estable de señales provenientes de electrodos de profundidad y sistemas de seguimiento ocular.
Investigación Translacional y Preclínica
- Continuidad Translacional: Conecta los mecanismos de direccionamiento neuronal en fase de descubrimiento con la validación preclínica mediante vías atencionales conservadas.
- Sistema Relevante para la Enfermedad: Aplicable a la modelización de condiciones neurológicas con anomalías motoras oculares, como el Parkinson o la esquizofrenia, en las que son frecuentes los déficits atencionales.
- Reducción Mecanicista de Riesgos: Aclara si los compuestos candidatos modularán poblaciones neuronales específicas implicadas en la discriminación entre objetivos y distractores.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El método se encaja dentro del continuo de descubrimiento, desde la prueba de hipótesis en las primeras etapas del descubrimiento hasta la identificación de compuestos activos mediante la validación funcional de dianas neuronales implicadas en la atención visual y la toma de decisiones.
- Biología del Descubrimiento: Facilita la aclaración de vías al aislar poblaciones neuronales que codifican de manera diferencial las fijaciones al objetivo frente a las distractoras durante la búsqueda visual.
- Selección: Proporciona datos neuronales cuantitativos, clasificados por picos, sincronizados con eventos de movimiento ocular, lo que permite evaluar de forma confiable los efectos de compuestos.
- Análisis: Ofrece tasas de disparo de unidades individuales y métricas de movimiento ocular (posición, tamaño de la pupila) como lecturas co-registradas para análisis correlacionales y causales.
- Investigación Traducional: Se alinea con el desarrollo de biomarcadores al identificar firmas neuronales de la carga atencional y el compromiso con el objetivo.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma neurofisiológica reutilizable para estudiar la cognición visual en diversas áreas terapéuticas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva al validar los mecanismos neuronales humanos de la atención, reduciendo la dependencia de modelos inferenciales.
- Valor operativo: Estandariza la adquisición de datos multimodal (electrofisiología + seguimiento ocular) para su uso reproducible entre laboratorios.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones de ir/no ir al proporcionar evidencia temprana del compromiso del objetivo en circuitos neuronales relevantes para el ser humano.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de compuestos según sus efectos en las redes de procesamiento atencional.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en electrofisiología intracraneal, sistemas de seguimiento ocular y diseño de tareas conductuales.
- Depende de hardware de grabación sincronizado, software de presentación de estímulos e infraestructura eléctrica que minimice el ruido (por ejemplo, SAI, fuentes aisladas).
- Necesita estandarización entre equipos multidisciplinarios de neurología, neurofisiología y ciencias de la visión para lograr una colocación y calibración de electrodos consistentes.
- Implica consideraciones de adaptación para distintas ubicaciones de electrodos más allá del lóbulo temporal medial, a fin de evaluar la especificidad regional del codificación atencional.
- Limitado por la disponibilidad de pacientes y su carácter invasivo; es más adecuado para estudios basados en hipótesis que para cribados de alto rendimiento.
