מעקב אחר עיניים והקלטות של תא העצב היחיד בחולי אפילפסיה של האדם
17 ביוני 2019
אנו מתארים שיטה לבצע הקלטות של תא העצב בודד עם מעקב העין בו בבני אדם. אנו להדגים את השירות של שיטה זו ולהמחיש כיצד השתמשנו בגישה זו כדי להשיג נוירונים באונה הטמפורלית האנושית האמצעי הקידוד מטרות של חיפוש ויזואלי.
יתרון עקרוני של הטכניקה שלנו הוא שהיא מאפשרת הקלטה בו זמנית של מיקום המקרה, גודל האישון, נוירונים בודדים בחולים מושתלים עם אלקטרודות עומק ליד המיטה. זה מאפשר לנו לקבוע אם יש נוירונים במוח האנושי שפעילותם רגישה לתנועות עיניים ולזהות הגירוי הקיבע כיום. בעוד טכניקה זו אינה מיועדת ללמוד מחלה מסוימת, היא מתאימה היטב ללמוד מחלות נוירולוגיות שתוצאתן תנועות עיניים חריגות או מומים מוטוריים אחרים העין.
להדגים את ההליך יהיו ננד צ'נדראבאדיה וג'יימס לי, עמיתי מחקר מהמעבדה שלי. ואריקה קוואן, טכנאית נוירודיגנוסטית בסידרס-סיני. כדי להתחיל, לחבר את האלקטרודות למערכת ההקלטה ולמקם את המטופל יושב זקוף.
לאחר מכן, חבר את מחשב הגירוי למערכת האלקטרופיזיולוגיה וגשש העיניים. הנח את מערכת המעקב מרחוק הלא פולשנית אחר העיניים באמצעות אינפרא-אדום על עגלה ניידת חזקה. לאחר מכן, חבר זרוע גמישה המחזיקה צג LCD לעגלה.
הצב ספק כוח טעון במלואו ללא הפרעה על עגלת המעקב אחר העיניים וחבר את כל ההתקנים הקשורים למעקב אחר העיניים לאספקת החשמל במקום למקור מתח חיצוני. ודא שהתקן IV המחובר למטופל פועל באמצעות סוללה ולא מחובר לקיר. הפעל את תוכנת המעקב אחר העיניים.
כוונן את המרחק בין המטופל למסך ה-LCD ל-60 עד 70 ס"מ. כמו כן, התאימו את זווית מסך ה-LCD כך שמשטח המסך יהיה מקביל בערך לפנים המטופל. מניחים מדבקה על המצח של המטופל, כך מעקב העיניים יכול להתאים לתנועות ראש.
עכשיו, להתאים את גובה המסך יחסית לראשו של המטופל, כך המצלמה של גשש העין הוא בערך בגובה האף של המטופל. ספק למטופל תיבת כפתור או מקלדת. ודא שפעילים מפעילים ולחיצה על לחצנים מוקלטים כראוי לפני הפעלת הניסוי.
הפעל את תוכנת הרכישה. תחילה, בדוק באופן חזותי את פוטנציאל השדה המקומי בפס רחב וודא שהם אינם מזוהמים על-ידי רעשי קו. אחרת בצע הליכים סטנדרטיים כדי להסיר רעש.
כדי לזהות נוירונים בודדים, הלהקה עוברת לסנן את האות מ 300 הרץ לשמונה קילוהרץ. בחר אחד משמונת המיקרו-חוטים כהפניה לכל חבילת מיקרו-חוטים. אפשר שמירת הנתונים כקובץ nrd לפני ההקלטה.
התאימו את המרחק והזווית בין גשש העיניים למטופל, כך שסמן המטרה, מרחק הראש, האישון והשתקפות הקרנית יסומנו כמוכן. הדבר מוצג בירוק בתוכנת המעקב אחר העיניים. לחץ על העין כדי להיות מוקלט ולהגדיר את שיעור הדגימה ל 500 הרץ.
השתמש בהתאמה האוטומטית של סף השתקפות האישון והקרנת. כייל את עוקב העיניים בשיטת הרשת המובנית בתחילת כל בלוק. אשר את תנוחות העין להירשם יפה כמו רשת.
אחרת, לעשות שוב את הכיול. קבל את הכיול ו בצע את האימות. קבל את האימות אם שגיאת האימות המקסימלית היא פחות משתי מעלות ושגיאת האימות הממוצעת היא פחות ממדרגה אחת.
אחרת, לבצע שוב את האימות. לאחר מכן, לבצע תיקון להיסחף ולהמשיך לניסוי בפועל. במשימה זו חיפוש חזותי, להשתמש בגירויים ממחקר קודם שבוצע על ידי קבוצה זו ובצע את הליך המשימה כמתואר קודם לכן.
ספק הוראות משימה למשתתפים. הנחה את המשתתפים למצוא פריט יעד במערך החיפוש ולהגיב בהקדם האפשרי. הנחה את המשתתפים ללחוץ על הכפתור השמאלי של תיבת תגובה אם הם מוצאים את היעד ולחוץ על הכפתור הימני אם הם חושבים שהמטרה נעדרת.
הנחה במפורש את המשתתפים כי יהיו ניסויים בהווה וביעד. הפעל תוכנת הצגת גירוי והפעל את המשימה. הצג רמז יעד לשנייה אחת והצג את מערך החיפוש באמצעות תוכנת הצגת הגירוי.
הקלט את לחצנים ותספק משוב ניסיון למשתתפים. כדי להמחיש את השימוש בשיטה זו, 228 נוירונים בודדים נרשמו מהאונה הרקתית המדיאלית האנושית בזמן שחולים ביצעו משימת חיפוש חזותית כפי שמוצג כאן. במהלך משימה זו, נחקר אם פעילותם של נוירונים הבדילה בין קיבעונות על מטרות ומסיחי דעת.
כאשר התגובות היו מיושרות בלחצת הכפתור, נמצאו נוירונים שהראו פעילות דיפרנציאלית בין ניסויים בהווה למטרה וניסויים ללא מטרה. קווים שחורים מייצגים את תחילתו והיסטו של תור החיפוש. נוירון זה הגדיל את קצב הירי שלו לניסויים בהווה מטרה, אך לא לניסויים ללא מטרה.
לעומת זאת, נוירון זה הפחית את קצב הירי שלו לניסויים בהווה מטרה, אך לא לניסויים ללא מטרה. קבוצת משנה של נוירונים באונה הרקתית המדיאלית הראתה פעילויות שונות באופן משמעותי בין קיבעונות על מטרות לעומת מסיחי דעת. יתר על כן, סוג אחד של נוירון יעד כזה היה תגובה גדולה יותר למטרות יחסית מסיחי דעת ואילו השני היה תגובה גדולה יותר מסיחי דעת ביחס למטרות.
יחד, תוצאה זו מדגימה כי תת קבוצה של נוירונים האונה הרקתית המדיאלית לקודד אם הקיבעון הנוכחי נחת על מטרה או לא. זה קריטי כדי לוודא כי גשש העין אינו מכניס רעש לתוך ההקלטה. יש להסיר כל רעש לפני ביצוע הניסויים.
אם הרעש נמשך, ודא שלמסך המשמש להצגת הגירוי לנושא יש ספק כוח חיצוני. החלף ספקי כוח עבור ספקי כוח באיכות גבוהה יותר המשמשים בדרך כלל עבור יישומי שמע מתקדמים. בעקבות הליך זה, ניתוח של קוצים ותנועות עיניים מבוצעים כדי לחלץ מידע מהנתונים שיאפשרו לחוקר לחקור את התגובות העצביות לתנועות עיניים.
שיטה זו סוללת את הדרך לחקור שאלות רבות שלא נענו הדורשות ניתוח של קיבעונות, כגון כיצד נוירונים נוהגים באופן קולקטיבי קיבעונות לאובייקטים מעניינים בסצנה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מתאר שיטה לביצוע הקלטות מנוירונים בודדים תוך מעקב סימולטני אחר תנועות עיניים בבני אדם. טכניקה זו מאפשרת לחוקרים לבחון פעילות נוירונלית הקשורה למטרות חיפוש חזותי באונה הרקה המדיאלית (medial temporal lobe) של בני אדם.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- אלקטרופיזיולוגיה
- קוגניציה חזותית
רקע
- הקלטות מנוירונים בודדים מספקות תובנות לגבי תפקוד המוח.
- מעקב עיניים יכול לחשוף כיצד מוקצית הקשב החזותית.
- הבנת התגובות הנוירונליות לגירויים חזותיים היא קריטית עבור מדעי המוח.
- ניתן ליישם שיטה זו במסגרות קליניות עם מטופלים בעלי אלקטרודות עומק.
מטרת המחקר
- להדגים טכניקה למעקב עיניים והקלטות של נוירונים בודדים בו-זמנית.
- לזהות נוירונים הרגישים לתנועות עיניים ולגירויים חזותיים.
- להקל על מחקר של מחלות נוירולוגיות המשפיעות על תנועות העיניים.
שיטות מעבדה שנעשה בהן שימוש
- חברו את האלקטרודות למערכת הקליטה.
- מקמו את המטופל במצב זקוף לקבלת קליטה אופטימלית.
- קלטו את הפעילות העצבית תוך מעקב אחר תנועות העיניים.
- נתחו את הקשר בין הפריקה העצבית לבין מטרות חזותיות.
תוצאות עיקריות
- הוכח את היתכנות השיטה במסגרת קלינית.
- זיהה נוירונים באונה הטמפורלית המדיאלית המגיבים לחיפוש חזותי.
- הראה כיצד תנועות עיניים משפיעות על הפעילות הנוירונלית.
- סיפק בסיס למחקר של הפרעות מוטוריות עיניות.
מסקנות
- הטכניקה יעילה לחקר העיבוד החזותי בבני אדם.
- היא פותחת נתיבים למחקר על מצבים נוירולוגיים.
- מחקרים עתידיים יכולים לנצל שיטה זו להשגת תובנות מעמיקות יותר על תפקוד המוח.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסגרת ניהולית
שיטה זו מגשרת בין נוירופיזיולוגיה של בעלי חיים לבין מדעי המוח הקוגניטיביים של בני אדם, על ידי כך שהיא מאפשרת הקלטות סימולטניות של נוירונים בודדים ומעקב אחר תנועות עיניים בבני אדם בזמן פעילות. היא מספקת קריאה ישירה של מתאמים נוירונליים של קשב חזותי ובחירת מטרה, ובכך תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטית בתהליך תיקוף המטרה עבור הפרעות נוירופסיכיאטריות ונוירודגנרטיביות. גישה זו מגבירה את הביטחון החזוי במודלים פרה-קליניים על ידי תיקוף מנגנונים עצביים רלוונטיים לבני אדם העומדים בבסיס העיבוד החושי וקבלת ההחלטות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות על ידי קישור פעילות של נוירון בודד לזיהוי מטרה חזותית באונה הטמפורלית המדיאלית של בני אדם.
- ערך תפעולי: תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות תצפית ישירה על תגובות נוירונליות לגירויים רלוונטיים למשימה במערכת בעלת רלוונטיות קלינית.
- ערך ניבוי: מזהה נוירוני מטרה שפעילותם משקפת קשב מלמעלה למטה (top-down attention), ובכך מציע סמן ביולוגי לתפקוד רשת הקשב במודלים של מחלות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מכין מדדי תנועת-עין עצביים מתוקפים לסריקת תרכובות בהמשך בבדיקות עיבוד חזותי.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה של הבדיקה באמצעות פלטים מסונכרנים של אלקטרופיזיולוגיה ומעקב עיניים, ובכך מפחית שונות במדידות התגובה העצבית.
- יכולת הרחבה: מאפשר שימוש חוזר בפלטפורמה במשימות קוגניטיביות שונות על ידי שמירה על רכישת אות יציבה מאלקטרודות עומק וממערכות מעקב עיניים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רציפות תרגומית: מקשר בין מנגנוני התייחסות עצבית (neuronal targeting) בשלב הגילוי לבין תיקוף פרה-קליני באמצעות נתיבי קשב שמורים.
- מערכת רלוונטית למחלה: ישימה למידול מצבים נוירולוגיים עם הפרעות מוטוריות עיניות, כגון מחלת פרקינסון או סכיזופרניה, שבהם גירעונות קשב הם שכיחים.
- הפחתת סיכונים מכנית: מבהירה האם תרכובות מועמדות מודולטיביות לאוכלוסיות עצביות ספציפיות המעורבות באפליה בין מטרה למסיח.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת היפותזות בשלבי הגילוי המוקדמים ועד לזיהוי מובילים (leads) באמצעות תיקוף תפקודי של מטרות עצביות המעורבות בקשב חזותי ובקבלת החלטות.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בהבהרת מסלולים באמצעות בידוד של אוכלוסיות נוירונליות המקודדות באופן דיפרנציאלי קיבעות של מטרה לעומת מסיחים במהלך חיפוש חזותי.
- סריקה: מספקת נתונים נוירונליים כמותיים וממויני-ספייקים (spike-sorted) המסונכרנים בזמן לאירועי תנועת עיניים, מה שמאפשר הערכה מהימנה של השפעת תרכובות.
- אנליטיקה: מספקת קצבי פריקה של יחידה בודדת ומדדי תנועת עיניים (מיקום, גודל אישון) כקריאות רשומות במקביל (co-registered) עבור ניתוח קורלציוני וסיבתי.
- מחקר תרגומי: תואמת פיתוח של סמנים ביולוגיים על ידי זיהוי חתימות נוירונליות של עומס קשבי ומעורבות מטרה.
- שימוש חוזר ארגוני: מקימה פלטפורמה נוירופיזיולוגית לשימוש חוזר למחקר קוגניציה חזותית בתחומים טיפוליים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי על ידי תיקוף מנגנונים עצביים אנושיים של קשב, ובכך מפחית את ההסתמכות על מודלים הסקתיים.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של רכישת נתונים מולטי-מודאליים (אלקטרופיזיולוגיה + מעקב עיניים) לשימוש הדיורגון במעבדות שונות.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות go/no-go באמצעות אספקת ראיות מוקדמות למעורבות של המטרה במעגלים עצביים רלוונטיים לבני אדם.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף של תרכובות מותאם-סיכון, בהתבסס על השפעותיהן על רשתות עיבוד קשב.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות באלקטרופיזיולוגיה תוך-גולגולתית, מערכות למעקב אחר העיניים ותכנון משימות התנהגותיות.
- תלוי בחומרת הקלטה מסונכרנת, תוכנה להצגת גירויים ותשתיות חשמל למזעור רעשים (למשל, UPS, ספקי כוח מבודדים).
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין צוותי נוירולוגיה, נוירופיזיולוגיה ומדעי הראייה להבטחת מיקום אלקטרודות וכיול עקביים.
- כולל שיקולי התאמה עבור מיקומי אלקטרודות משתנים מעבר לאונה הטמפורלית המדיאלית, על מנת להעריך ספציפיות אזורית של קידוד קשבי.
- מוגבל על ידי זמינות מטופלים ומידת הפולשנות; מתאים יותר למחקרים מונחי היפותזה מאשר לסריקות בנפח גבוה.
