Badanie przetwarzania w lokalnych sieciach za pomocą rejestracji z zastosowaniem wielokontaktowych elektrod laminarnych

Ogólnym celem tej procedury jest opisanie metodologii, która pozwoli nam zbadać, w jaki sposób poszczególne neurony i lokalne potencjały polowe w różnych warstwach kory pierwotnej kory wzrokowej kodują informacje sensoryczne. Procedura rozpoczyna się od opisu konstrukcji sterowanego komputerowo systemu mikroprzesuwu oraz zastosowania wielopunktowej elektrody laminarnej do rejestracji w pierwotnej korze wzrokowej.

Kolejnym krokiem jest przeprowadzenie paradygmatu potencjałów wywołanych po wprowadzeniu elektrody do docelowego obszaru mózgu. Następnie stosuje się analizę gęstości źródła prądu w celu zidentyfikowania warstw korowych na podstawie odwrócenia polaryzacji, przy jednoczesnym uwzględnieniu konfiguracji źródła synchronizacji. Ostatnim etapem procedury jest mapowanie pola recepcyjnego oraz analiza różnic w aktywności neuronalnej w odpowiedzi na stymulację wzrokową.

Ostatecznie można uzyskać wyniki wykazujące specyficzne dla warstw zmiany w kodowaniu informacji sensorycznych. Cześć, nazywam się Sarah Eagleman i jestem doktorantką w University of Texas Medical School w Houston. Główną zaletą tej techniki w stosunku do istniejących metod, takich jak macierze wieloelektrodowe, jest to, że sonda U może rejestrować aktywność neuronalną w obrębie wielu milimetrów kory jednocześnie podczas pojedynczej penetracji.

Witam, nazywam się Brian Hansen. Jestem studentem studiów doktoranckich na University of Texas Medical School w Houston. Metoda ta pozwala odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu neuronauki, badając, czy i w jaki sposób informacje są przetwarzane w sposób specyficzny dla poszczególnych warstw.

Aby skonstruować zespół napędowy elektrody, najpierw przygotuj niezbędne narzędzia i elementy, w tym prowadnice, drut prowadzący, kompletny zestaw Dremel, zestaw narzędzi i części oraz sondę U. Zmierz prowadnice w taki sposób, aby po zamocowaniu do urządzenia rejestrującego były one wystarczająco długie, by spoczywać na twardziWithout uszkadzania jej. Następnie, po zmierzeniu głębokości komory rejestracyjnej, przytnij prowadnice do zmierzonej długości wynoszącej około pięciu do siedmiu centymetrów.

Należy upewnić się, że do wnętrza rurki nie dostały się żadne odłamki metalu. Do usunięcia ewentualnych odłamków metalu z wnętrza rurki należy użyć sztywnego drutu o średnicy mniejszej niż średnica wewnętrzna rurki prowadzącej. Następnie należy umieścić siatkę z imieniem w podstawie na imiona.

Dokręć śrubę zaciskową oraz śrubę siatki. Następnie wyznacz obszar zainteresowania (ROI) do rejestracji i ustaw wieże mikronapędu nad tym obszarem. Po wyznaczeniu obszaru zainteresowania, przesuń rurkę prowadzącą przez dół siatki, aż znajdzie się ona około jeden do dwóch milimetrów poza komorą pomiarową.

Następnie zamontuj dwa zaciski na każdej wieży mikronapędu NA. Silnik napędza górny zacisk, natomiast dolny zacisk może być albo unieruchomiony, albo luźny. Górny zacisk jest przymocowany do rurki wzmacniającej sondy U.

Przymocuj dolny zacisk do rurki prowadzącej i nałóż niewielką ilość superkleju, aby unieruchomić rurkę w miejscu. Dwa zaciski zapewniają stabilność i precyzję systemu. Ostrożnie wyrównaj końcówkę sondy w kształcie litery U z górną krawędzią rurki prowadzącej i przesuń sondę przez rurkę, aż będzie można przymocować wieżę do głównej podstawy.

Dostosuj pozycję wieży za pomocą śruby kciukowej tak, aby nie powstawało dodatkowe napięcie na sondzie U lub rurce prowadzącej. Umieść system name na podstawie cylindra i podłącz kable silnika do odpowiednich wież. W przypadku korzystania z wielu wież, kolorowe opaski zaciskowe służą do rozróżnienia kabli silników i wież; użyj programu komputerowego name, aby rozpocząć wysuwanie sondy U, albo ustawiając pozycję docelową, która automatycznie przesuwa sondę U do tego miejsca, albo klikając w dół w interfejsie oprogramowania name; wysuń sondę U tak, aby co najmniej 10 mm jej końcówki znajdowało się w rurce prowadzącej poza końcem komory name.

Sterylizuj sondę U, umieszczając ją w roztworze aktywowanego aldehydu metro side na 20 do 30 minut przed przymocowaniem podstawy name do wszczepionej komory rejestracyjnej. Następnie przepłucz sondę U oraz podstawę name sterylną wodą zero. Skalibruj położenie w oprogramowaniu name, cofając sondę U tak, aby jej końcówka znajdowała się tuż wewnątrz rurki prowadzącej w oprogramowaniu name.

Kliknij zero dla wszystkich pozycji. Przymocuj podstawę imienną do wszczepionej komory rejestracyjnej i dokręć wszystkie cztery śruby. Następnie wyrównaj podstawę zgodnie z pinu znajdującym się po boku komory rejestracyjnej.

Ponownie dokręć wszystkie cztery śruby i upewnij się, że podstawa z nazwą jest stabilnie przymocowana do komory rejestracyjnej. Aby przygotować się do zaawansowanej rejestracji, sonda U zostaje uziemiona i uznana za pływającą zgodnie z instrukcjami dotyczącymi uziemienia i referencji. Osiąga się to poprzez umieszczenie zworki z dołączonym przewodem.

W dolnych złączach przedwzmacniacze są mocowane do złącza sondy U, a następnie podłączane są i uziemniane kable wzmacniacza. Sonda U jest początkowo wprowadzana na głębokość około jednego do dwóch milimetrów w sposób szybki i zdecydowany. Następnie należy ustawić parametr prędkości w zakresie od 0,1 do 0,2 mm/s oraz krok głębokości od 0,2 do 0,3 mm.

Wartości te zapewniają, że sonda U jest w stanie precyzyjnie przebić oponę twardą, co stanowi istotny pierwszy krok podczas rejestracji. Po przebiciu opony twardej należy zmniejszyć prędkość do 0,50–0,1 milimetra na sekundę oraz zmniejszyć krok głębokości do 0,5–0,1 milimetra. Celem jest tak płynne i powolne wprowadzanie sondy U, aby nie uszkodzić tkanki.

Jednym z wskaźników wprowadzenia sondy do mózgu jest zmiana amplitudy LFP połączona z redukcją poziomu szumów; aby zweryfikować, czy elektroda obejmuje wszystkie warstwy kory, należy zmierzyć zmianę amplitudy w odpowiedzi na bodziec w postaci pełnopolowego błysku białego światła. Zmiany amplitudy LFP w czasie stanowią podstawę analizy potencjałów wywołanych. Analiza ta umożliwia identyfikację warstw kory mózgowej.

Zmierz potencjał odpowiedzi wywołanej podczas zadania pasywnej fiksacji, wystawiając badanego na pełno-polowy czarny ekran, który błyska na biało przez 100 milisekund, a następnie wraca do koloru czarnego. Ta sekwencja stanowi jedną próbę, która jest powtarzana 200 razy. Procesor wielokanałowej akwizycji danych Plex zapisuje wszystkie ciągłe sygnały danych bezpośrednio na komputerze rejestrującym za pomocą karty PCI National Instruments.

Po zapisaniu danych należy rozpocząć przetwarzanie sygnałów w celu analizy gęstości prądu źródłowego. Należy użyć oprogramowania do korekcji FP align dostarczonego przez firmę Plex, aby skorygować opóźnienia czasowe w sygnałach LFP wywołane przez filtry w etapach głowicowych i płytach przedwzmacniaczy. Na tym etapie dane są przenoszone do programu MATLAB za pomocą narzędzia neuro explorer.

Każdy kanał LFP jest filtrowany przy użyciu standardowych filtrów górnoprzepustowych i dolnoprzepustowych o częstotliwościach odcięcia 0.5 hertz i 100 hertz. Po przefiltrowaniu każdego kontaktu elektrody należy zidentyfikować każdą próbę i obliczyć średnią z prób, aby uzyskać średnią szeregi czasowe LFP dla każdego kontaktu elektrody, a następnie uporządkować każdy kontakt w macierzy z amplitudą LFP jako funkcją czasu i uruchomić narzędzia ICSD w programie MATLAB, wpisując CSD plotter w obszarze roboczym. Biorąc pod uwagę, że częstotliwość próbkowania danych ciągłych wynosi one kilohertz, należy ustawić parametr DT na one millisecond.

Następnie ustaw wartość przewodności kory na 0,4 Siemens per meter, co odpowiada gęstości źródła prądu w jednostkach nano peers per cubic millimeter, a następnie zmień pozycję elektrod jako wektor od 0,1 w krokach o 0,1 do 1,6, co stanowi całkowitą liczbę kontaktów. Po wprowadzeniu wszystkich parametrów kliknij run this. Wyświetl profil CSD w interfejsie CSD plotter i wklej go do nowej figury.

W powszechnie stosowane funkcje programu MATLAB, takie jak image SC, mogą zostać wykorzystane do wykreślenia profilu warstw, a różnorodne algorytmy wygładzania i procedury normalizacji mogą zostać zastosowane do reprezentacji danych CSD oraz porównania identyfikacji warstw pomiędzy różnymi godzinami i sesjami. Aby zidentyfikować odwrócenie polaryzacji towarzyszące konfiguracji źródło-ujście u podstawy warstwy czwartej, należy najpierw zweryfikować obecność głównego ujścia w warstwie ziarnistej. Korzystając z laminarnego profilu CSD, należy zlokalizować ujemną polaryzację wywołaną przez ujście na wykresie CSD.

Następnie oblicz środek masy zapadnięcia granularnego. Z analizy uzyskuje się OID, który składa się z liczby kontaktów oraz czasu, w którym zapadnięcie było największe. Kontakt ze środkiem Centro służy jako punkt odniesienia warstwy granularnej przy zero mikrometrach.

Przeanalizuj wszystkie kontakty powyżej i poniżej punktu odniesienia i podziel je na jedną z trzech możliwych warstw. Warstwy supra-ziarnista, ziarnista i infra-ziarnista walidują ujście ziarniste poprzez przetasowanie pozycji elektrod, pozostawiając domenę czasową bez zmian. Po przetasowaniu macierz CSD służy do obliczenia analizy OID.

Ponownie, przemieszanie kontaktów elektrod w funkcji głębokości kory powinno znieść jakąkolwiek specyfikę laminarną. Aby zlokalizować pola recepcyjne, należy rozpocząć od prezentacji bodźca korelacji odwrotnej na monitorze w miejscu, w którym potencjalnie znajdują się pola recepcyjne. Bodziec składa się z czterech stopni orientacji: 45, 0, 90 i 135 stopni.

Przeprowadź analizę skupień na mapach częstotliwości wyładowań, aby zlokalizować pole recepcyjne. Najpierw oblicz położenia maksymalnej częstotliwości wyładowań oraz ich centroid dla każdego opóźnienia czasowego. Następnie oblicz odległości między Centro a tymi położeniami maksymalnej częstotliwości wyładowań.

Oblicz mapy częstotliwości wyładowań dla każdej lokalizacji przestrzennej dla opóźnień przewodzenia od 40 do 120 milisekund w odstępach pięciu milisekund niezależnie dla każdego neuronu. Wyznacz całkowitą odległość między OID a otaczającymi punktami maksymalnej częstotliwości wyładowań dla wszystkich opóźnień czasowych. Pole recepcyjne znajduje się przy opóźnieniu czasowym, które minimalizuje tę odległość.

Po zlokalizowaniu pola recepcyjnego dla każdej komórki, należy zastosować bodziec korelacji odwrotnej większy niż wszystkie lokalizacje pól recepcyjnych, obejmujący wszystkie pola recepcyjne w rejestrowanej populacji. Do określenia, czy poprawnie zidentyfikowano lokalizacje pól recepcyjnych, można wykorzystać wykres częstości wyładowań w czasie rzeczywistym. Na koniec należy przeprowadzić sortowanie kształtów potencjałów czynnościowych za pomocą programu offline sorter firmy plexon, który implementuje klasteryzację kształtów fal na podstawie parametrów takich jak główne składowe impulsu, szerokość doliny i właściwości szczytu.

Należy usunąć jednostki sygnałowe, w których odpowiedzi gwałtownie się zmieniają, i zachować do dalszej analizy przedstawionej tutaj jedynie jednostki o stabilnych częstotliwościach wyładowań. Jako przykład ilustrujący analizę CSD w lokalizacji warstw kory w zależności od głębokości kory i czasu, pozycja warstw supergranularnych, granularnych i infragranularnych pozostaje stabilna nawet cztery godziny po rozpoczęciu sesji rejestracyjnej. Ślady CSD reprezentują średnią z kontaktów przypisanych do danej warstwy.

W tym przykładzie w warstwie ziarnistej następuje wyraźny spadek amplitudy CSD w około 50 milisekundach. Kolejnym krytycznym aspektem analizy przy użyciu elektrody laminarnej jest dokładna identyfikacja i lokalizacja pola recepcyjnego neuronów. Punktem odniesienia dla tych wykresów jest punkt fiksacji, który stanowi małe białe koło wyświetlane centralnie na czarnym ekranie komputera.

Kolor na tych wykresach reprezentuje częstotliwość wyładowań każdego neuronu w odpowiedzi na dynamiczny bodziec korelacji odwróconej. Rysunek ten przedstawia dwa przykłady kształtów fal impulsowych wyizolowanych na tym samym kanale. Analiza skupień została przeprowadzona z wykorzystaniem analizy głównych składowych oraz charakterystyki kształtu fali impulsowej.

Średnie kształty fal iglica-fala są przedstawione linią ciągłą. Odchylenia standardowe są przedstawione linią przerywaną. Podczas wykonywania tych procedur należy pamiętać o ostrożnym posuwaniu elektrody oraz zapewnieniu wystarczającej ilości czasu na ustabilizowanie się mózgu po posuwie.

Nagrywanie rozpoczynamy zazwyczaj około 30 do 45 minut po ostatnim posunięciu, zgodnie z opisaną procedurą. Do badania struktury sieci w obrębie i pomiędzy warstwami korowymi można wykorzystać inne techniki spektralne, takie jak moc LFP oraz synchronizacja impulsowo-polowa.