Tracciamento oculare simultaneo e registrazioni mononeurone nei pazienti affetti da epilessia umana
17 giugno 2019
Descriviamo un metodo per condurre registrazioni mononeurone con tracciamento oculare simultaneo negli esseri umani. Dimostriamo l'utilità di questo metodo e illustriamo come abbiamo usato questo approccio per ottenere neuroni nel lobo temporale mediale umano che codificano gli obiettivi di una ricerca visiva.
Un vantaggio principale della nostra tecnica è che consente la registrazione simultanea della posizione del caso, delle dimensioni della pupilla e dei singoli neuroni nei pazienti impiantati con elettrodi di profondità al capezzale. Questo ci permette di determinare se ci sono neuroni nel cervello umano la cui attività è sensibile ai movimenti oculari e all'identità dello stimolo attualmente fissato. Sebbene questa tecnica non sia progettata per studiare una particolare malattia, è adatta a studiare malattie neurologiche che si traducono in movimenti oculari anomali o altre anomalie motorie oculari.
A dimostrare la procedura saranno Nand Chandravadia e James Lee, ricercatori del mio laboratorio. Ed Erika Quan, un tecnico neurodiagnostico alla Cedars-Sinai. Per iniziare, collegare gli elettrodi al sistema di registrazione e posizionare il paziente seduto in posizione verticale.
Quindi, collegare il computer di stimolo al sistema di elettrofisiologia e al localizzatore oculare. Posizionare il sistema di tracciamento oculare a infrarossi remoto non invasivo su un robusto carrello mobile. Quindi, collegare un braccio flessibile che contiene un display LCD al carrello.
Posizionare un alimentatore ininterrotto completamente carico sul carrello di tracciamento oculare e collegare tutti i dispositivi relativi al tracciamento oculare all'alimentatore anziché a una fonte di alimentazione esterna. Assicurarsi che il dispositivo IV collegato al paziente sia alimentato a batteria e non sia collegato alla parete. Avviare il software di tracciamento oculare.
Regolare la distanza tra il paziente e lo schermo LCD tra 60 e 70 centimetri. Regolare anche l'angolo dello schermo LCD in modo che la superficie dello schermo sia approssimativamente parallela al viso del paziente. Posizionare un adesivo sulla fronte del paziente in modo che l'eye tracker possa adattarsi ai movimenti della testa.
Ora, regola l'altezza dello schermo rispetto alla testa del paziente in modo che la fotocamera dell'eye tracker sia approssimativamente all'altezza del naso del paziente. Fornire al paziente una scatola di pulsanti o una tastiera. Verificare che i trigger e la pressione dei pulsanti siano registrati correttamente prima di iniziare l'esperimento.
Avviare il software di acquisizione. Per prima cosa ispezionare visivamente i potenziali sul campo locale a banda larga e assicurarsi che non siano contaminati dal rumore della linea. In caso contrario, seguire le procedure standard per rimuovere il rumore.
Per identificare i singoli neuroni, il passaggio della banda filtra il segnale da 300 hertz a otto kilohertz. Selezionare uno degli otto microfili come riferimento per ogni fascio di microfili. Abilitare il salvataggio dei dati come file nrd prima della registrazione.
Regolare la distanza e l'angolo tra l'eye tracker e il paziente in modo che il marcatore bersaglio, la distanza della testa, la pupilla e la riflessione corneale siano contrassegnati come pronti. Questo è mostrato in verde nel software di tracciamento oculare. Clicca sull'occhio da registrare e imposta la frequenza di campionamento su 500 hertz.
Utilizzare la regolazione automatica della pupilla e la soglia di riflessione corneale. Calibrare l'eye tracker con il metodo della griglia integrato all'inizio di ogni blocco. Confermare che le posizioni degli occhi si registrino bene come griglia.
In caso contrario, ripetere la calibrazione. Accettare la calibrazione ed eseguire la convalida. Accettare la convalida se l'errore di convalida massima è inferiore a due gradi e l'errore di convalida medio è inferiore a un grado.
In caso contrario, ripetere la convalida. Quindi, eseguire la correzione della deriva e procedere all'esperimento effettivo. In questa attività di ricerca visiva, utilizzare gli stimoli di uno studio precedente eseguito da questo gruppo e seguire la procedura delle attività come descritto in precedenza.
Fornire istruzioni per l'attività ai partecipanti. Indicare ai partecipanti di trovare un elemento di destinazione nell'array di ricerca e rispondere il prima possibile. Istruisci i partecipanti a premere il pulsante sinistro di una casella di risposta se trovano la destinazione e premi il pulsante destro se pensano che la destinazione sia assente.
Istruisi esplicitamente i partecipanti che ci saranno prove presenti e target-assenti. Avviare il software di presentazione degli stimoli ed eseguire l'attività. Presentare un segnale di destinazione per un secondo e presentare l'array di ricerca utilizzando il software di presentazione degli stimoli.
Registrare le pressioni dei pulsanti e fornire la versione di valutazione tramite feedback di prova ai partecipanti. Per illustrare l'uso di questo metodo, 228 singoli neuroni sono stati registrati dal lobo temporale mediale umano mentre i pazienti stavano svolgendo un compito di ricerca visiva come mostrato qui. Durante questo compito, è stato studiato se l'attività dei neuroni si differenziava tra fissazioni su bersagli e distrattori.
Quando le risposte sono state allineate alla pressione del pulsante, sono stati trovati neuroni che hanno mostrato un'attività differenziale tra gli studi target-present e gli studi target-absent. Le linee nere rappresentano l'inizio e l'offset della coda di ricerca. Questo neurone ha aumentato il suo tasso di attivazione per gli studi target-presenti, ma non per gli studi target-assenti.
Al contrario, questo neurone ha diminuito il suo tasso di attivazione per gli studi presenti nel bersaglio, ma non per gli studi target-assenti. Un sottoinsieme di neuroni lobi temporali mediali ha mostrato attività significativamente diverse tra fissazioni su bersagli e distrattori. Inoltre, un tipo di neurone bersaglio di questo tipo ha avuto una risposta maggiore ai bersagli rispetto ai distrattori, mentre l'altro ha avuto una risposta maggiore ai distrattori rispetto ai bersagli.
Insieme, questo risultato dimostra che un sottoinsieme di neuroni lobi temporali mediali codifica se la fissazione attuale è atterrata su un bersaglio o meno. È fondamentale assicurarsi che l'eye tracker non introduca rumore nella registrazione. Qualsiasi rumore deve essere rimosso prima dell'eseguito degli esperimenti.
Se il rumore persiste, assicurarsi che lo schermo utilizzato per visualizzare lo stimolo al soggetto abbia un alimentatore esterno. Scambia alimentatori per alimentatori di alta qualità tipicamente utilizzati per applicazioni audio di fascia alta. Seguendo questa procedura, vengono eseguite analisi di picchi e movimenti oculari per estrarre informazioni dai dati che permetteranno al ricercatore di indagare le risposte neuronali ai movimenti oculari.
Questo metodo apre la strada all'esplorazione di molte domande senza risposta che richiedono l'analisi delle fissazioni, come il modo in cui i neuroni guidano collettivamente le fissazioni verso oggetti interessanti in una scena.
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Panoramica
Questo articolo descrive un metodo per effettuare registrazioni da singoli neuroni mentre contemporaneamente si monitorano i movimenti oculari negli esseri umani. La tecnica consente ai ricercatori di studiare l'attività neuronale associata agli obiettivi della ricerca visiva nel lobo temporale mediale umano.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Elettrofisiologia
- Cognizione visiva
Sfondo
- Le registrazioni da singoli neuroni forniscono informazioni sul funzionamento del cervello.
- Il tracciamento oculare può rivelare come viene allocata l'attenzione visiva.
- Comprendere le risposte neuronali agli stimoli visivi è fondamentale per le neuroscienze.
- Questo metodo può essere applicato in contesti clinici con pazienti dotati di elettrodi a profondità.
Scopo dello studio
- Dimostrare una tecnica per la registrazione simultanea del movimento oculare e di singoli neuroni.
- Identificare neuroni sensibili ai movimenti oculari e agli stimoli visivi.
- Facilitare la ricerca sulle malattie neurologiche che interessano i movimenti oculari.
Metodi Utilizzati
- Collegare gli elettrodi a un sistema di registrazione.
- Posizionare il paziente in posizione eretta per una registrazione ottimale.
- Registrare l'attività neuronale mentre si monitorano i movimenti oculari.
- Analizzare la relazione tra lo scarico neuronale e i bersagli visivi.
Risultati principali
- Dimostrato la fattibilità del metodo in un contesto clinico.
- Identificati neuroni nel lobo temporale mediale responsivi alla ricerca visiva.
- Mostrato come i movimenti oculari influenzino l'attività neuronale.
- Fornita una base per lo studio delle anomalie del movimento oculare.
Conclusioni
- La tecnica è efficace per lo studio dell'elaborazione visiva negli esseri umani.
- Apre nuove strade per la ricerca su condizioni neurologiche.
- Studi futuri potranno sfruttare questo metodo per ottenere approfondimenti più dettagliati sul funzionamento cerebrale.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Contenuto
Questo metodo collega la neurofisiologia animale e le neuroscienze cognitive umane, permettendo registrazioni simultanee di singoli neuroni e il tracciamento oculare in soggetti umani in condizioni di comportamento attivo. Fornisce un'indicazione diretta delle correlate neuronali dell'attenzione visiva e della selezione del target, sostenendo una riduzione del rischio di natura meccanicistica nella validazione degli obiettivi terapeutici per i disturbi neuropsichiatrici e neurodegenerativi. L'approccio migliora la fiducia predittiva nei modelli preclinici, confermando meccanismi neurali rilevanti per l'uomo alla base dell'elaborazione sensoriale e del processo decisionale.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Permette l'analisi di ipotesi terapeutiche collegando l'attività di singoli neuroni all'identificazione di stimoli visivi nel lobo temporale mediale umano.
- Valore operativo: Favorisce la riduzione del rischio biologico mediante l'osservazione diretta delle risposte neuronali a stimoli rilevanti per il compito in un sistema clinicamente rilevante.
- Valore predittivo: Identifica neuroni bersaglio il cui scarico riflette l'attenzione top-down, fornendo un biomarcatore della funzionalità della rete attentiva in modelli di malattia.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Valore scientifico: Prepara letture neuronali e del movimento oculare validate per lo screening di composti successivi in saggi di elaborazione visiva.
- Valore operativo: Garantisce la standardizzazione del saggio mediante l'allineamento simultaneo di uscite di elettrofisiologia e tracciamento oculare, riducendo la variabilità nelle misurazioni delle risposte neuronali.
- Scalabilità: Permette il riutilizzo della piattaforma in diversi compiti cognitivi mantenendo un'acquisizione stabile del segnale da elettrodi profondi e sistemi di tracciamento oculare.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Continuità traslazionale: Collega i meccanismi di targeting neuronale nella fase di scoperta alla validazione preclinica attraverso vie attentive conservate.
- Sistema rilevante per le malattie: Applicabile alla modellizzazione di condizioni neurologiche con anomalie del movimento oculare, come il morbo di Parkinson o la schizofrenia, in cui sono comuni deficit attentivi.
- De-risking meccanicistico: Chiarisce se i composti candidati modulano popolazioni neuronali specifiche coinvolte nella discriminazione tra bersaglio e distrattore.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla verifica dell'ipotesi nella fase iniziale a quella di identificazione del composto promettente, attraverso la validazione funzionale di bersagli neuronali coinvolti nell'attenzione visiva e nel processo decisionale.
- Biologia della scoperta: Supporta la chiarificazione dei percorsi identificando popolazioni neuronali che codificano in modo differenziale le fissazioni del bersaglio rispetto a quelle degli elementi di disturbo durante la ricerca visiva.
- Screening: Fornisce dati neuronali quantitativi, con separazione degli impulsi e sincronizzati agli eventi dei movimenti oculari, consentendo una valutazione affidabile degli effetti dei composti.
- Analisi: Fornisce frequenze di scarica a livello di singola unità e metriche relative ai movimenti oculari (posizione, dimensione della pupilla) come letture concomitanti per analisi correlazionali e causali.
- Ricerca traslazionale: Si allinea allo sviluppo di biomarcatori identificando le firme neuronali del carico attentivo e dell'engagement con il bersaglio.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma neurofisiologica riutilizzabile per lo studio della cognizione visiva in diversi ambiti terapeutici.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva mediante la validazione dei meccanismi neuronali umani dell'attenzione, riducendo la dipendenza da modelli inferenziali.
- Valore operativo: Standardizza l'acquisizione di dati multimodali (elettrofisiologia + eye tracking) per un uso riproducibile tra diversi laboratori.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di tipo go/no-go fornendo evidenze precoci dell'interazione con circuiti neurali rilevanti per l'uomo.
- Impatto sul portafoglio: Permette la priorizzazione di composti in base agli effetti sui circuiti di elaborazione dell'attenzione, adeguandola al livello di rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specialistiche in elettrofisiologia intracranica, sistemi di eye tracking e progettazione di compiti comportamentali.
- Si basa su hardware per la registrazione sincronizzata, software per la presentazione degli stimoli e infrastrutture elettriche che riducono al minimo il rumore (ad esempio, gruppi di continuità, alimentatori isolati).
- Necessita di standardizzazione condivisa tra i team di neurologia, neurofisiologia e scienze della visione per garantire un posizionamento degli elettrodi e una calibrazione coerenti.
- Richiede considerazioni di adattamento per diverse posizioni degli elettrodi al di fuori del lobo temporale mediale, al fine di valutare la specificità regionale della codifica dell'attenzione.
- È limitato dalla disponibilità dei pazienti e dall'invasività; risulta più adatto a studi basati su ipotesi piuttosto che a screening ad alta produttività.
