Анализ локальных Обработка сети с помощью Multi-контакт Ламинарный электрода Запись

Общая цель данной процедуры — описать методологию, которая позволит исследовать, как отдельные нейроны и локальные потенциалы поля в различных кортикальных слоях первичной зрительной коры кодируют сенсорную информацию. Процедура начинается с описания конструкции системы микропривода с компьютерным управлением и использования многоконтактного ламинарного электрода для регистрации активности в первичной зрительной коре.

Следующим шагом является проведение парадигмы вызванных потенциалов после продвижения электрода в целевую область мозга. После этого используется анализ плотности источников тока для идентификации слоев коры по инверсии полярности, сопровождаемый конфигурацией синхронного источника. Заключительным этапом процедуры является картирование рецептивного поля и анализ различий в нейронной активности в ответ на зрительную стимуляцию.

В конечном итоге можно получить результаты, демонстрирующие специфические для каждого слоя изменения в кодировании сенсорной информации. Здравствуйте, меня зовут Сара Иглман, я аспирантка Медицинского университета Техаса в Хьюстоне. Основное преимущество этого метода перед существующими, такими как многоэлектродные матрицы, заключается в том, что U-зонд позволяет одновременно регистрировать нейронную активность на протяжении многих миллиметров коры при однократном введении.

Здравствуйте, меня зовут Брайан Хансен. Я аспирант, работающий в Медицинской школе Техасского университета в Хьюстоне. Данный метод позволяет ответить на ключевые вопросы в области нейробиологии, исследуя, обрабатывается ли информация слой-специфичным образом и каким образом это происходит.

Для начала сборки привода электрода соберите необходимые инструменты и детали, включая направляющие трубки, направляющую проволоку, полный набор Dremel, комплект инструментов и деталей, а также U-образный зонд. Измерьте направляющие трубки таким образом, чтобы при установке на регистрирующее устройство их длины было достаточно для опирания на твердую мозговую оболочку без ее повреждения. Затем, измерив глубину регистрирующей камеры, обрежьте направляющие трубки до измеренной длины, составляющей примерно пять–семь сантиметров.

Постарайтесь не допустить попадания металлических фрагментов внутрь трубки. Для удаления любых металлических фрагментов из трубки используйте жесткую проволоку, диаметр которой меньше внутреннего диаметра направляющей трубки. Затем поместите именованную сетку в именованное основание.

Затяните зажимной винт и винт сетки. Затем определите область записи, представляющую интерес, и расположите башни микропривода над этой областью. После определения интересующей области продвиньте направляющую трубку через нижнюю часть сетки, пока она не окажется примерно в одном-двух миллиметрах за пределами камеры.

Затем установите по два зажима на каждую башню микропривода NA. Верхний зажим приводится в движение двигателем, в то время как нижний зажим может быть либо зафиксирован, либо оставлен свободным. Верхний зажим крепится к армирующей трубке U-образного зонда.

Прикрепите нижний зажим к направляющей трубке и нанесите небольшое количество суперклея, чтобы зафиксировать трубку на месте. Два зажима обеспечивают стабильность и точность системы. Осторожно совместите кончик U-образного зонда с верхней частью направляющей трубки и проденьте зонд сквозь трубку до тех пор, пока не сможете закрепить стойку на основном основании.

Отрегулируйте положение башни с помощью винта-барашка так, чтобы на U-образный зонд или направляющую трубку не оказывалось дополнительного натяжения. Установите систему name на основание цилиндра и подключите кабели двигателя к соответствующим башням. При использовании нескольких башен для разграничения кабелей двигателей и башен используются цветовые стяжки; используйте программное обеспечение name, чтобы начать перемещение U-образного зонда, либо задав целевую позицию, при которой зонд переместится в это место автоматически, либо нажимая кнопку «вниз» в интерфейсе программы name. Перемещайте U-образный зонд до тех пор, пока как минимум 10 millimeters его наконечника не пройдут через направляющую трубку за пределы камеры name.

Стерилизуйте U-зонд, поместив его в раствор активированного альдегида Metro Side на 20–30 минут перед прикреплением основания Name к имплантированной записывающей камере. После этого промойте U-зонд и основание Name стерильной водой 0. Определите положение в программном обеспечении Name, отведя U-зонд так, чтобы его кончик находился непосредственно внутри направляющей трубки в программе Name.

Нажмите «zero all positions» (обнулить все позиции). Прикрепите основание с названием к имплантированной регистрационной камере и затяните все четыре винта. Затем выровняйте основание по штифту, расположенному сбоку регистрационной камеры.

Снова затяните все четыре винта и убедитесь, что основание с названием надежно прикреплено к регистрирующей камере. Для подготовки к продвинутой регистрации U-зонд заземляется и считается «плавающим» в соответствии с инструкциями по заземлению и определению опорного потенциала. Это достигается путем установки соединительного провода.

На нижних разъемах головные усилители закрепляются на разъеме U-зонда, после чего подключаются и заземляются кабели усилителя. U-зонд первоначально продвигается примерно на один-два миллиметра быстрым и уверенным движением. Установите параметр скорости в диапазоне от 0,1 до 0,2 мм/с, а шаг глубины — от 0,2 до 0,3 мм.

Эти значения гарантируют, что зонд U сможет чисто проколоть твердую мозговую оболочку, что является важным первым этапом записи. После прохождения твердой мозговой оболочки снизьте скорость до 0,50–0,1 миллиметра в секунду и уменьшите шаг глубины до 0,5–0,1 миллиметра. Цель состоит в том, чтобы продвигать зонд U максимально плавно и медленно, чтобы избежать повреждения тканей.

Одним из признаков того, что зонд вошел в мозг, является изменение амплитуды LFP, сопровождающееся снижением уровня шума; чтобы убедиться, что электрод охватывает все слои коры, измерьте изменение амплитуды в ответ на стимуляцию полнопольной белой вспышкой. Изменения амплитуды LFP во времени лежат в основе анализа вызванного потенциала. Этот анализ служит базой для идентификации слоев коры.

Измерьте вызванный потенциал в ходе задачи с пассивной фиксацией, при которой испытуемый видит полноэкранный черный фон, который вспыхивает белым в течение 100 миллисекунд и затем снова становится черным. Эта последовательность составляет одно испытание, которое повторяется 200 раз. Многоканальный процессор сбора данных Plex сохраняет все непрерывные сигналы данных непосредственно на компьютер для записи через плату National Instruments PCI.

После сохранения данных начните обработку сигналов для анализа плотности тока источника. Используйте программную коррекцию FP align, предоставленную компанией Plex, для устранения временных задержек в сигналах LFP, вызванных фильтрами в головных модулях и платах предварительного усиления. На этом этапе данные переносятся в MATLAB с помощью нейроэксплорера (neuro explorer).

Каждый канал LFP фильтруется с использованием стандартных фильтров высоких и низких частот с частотами среза 0,5 hertz и 100 hertz. После фильтрации данных для каждого электродного контакта определяют каждую пробу и вычисляют среднее значение по пробам для получения среднего временного ряда LFP для каждого контакта; затем данные каждого контакта организуют в матрицу, где амплитуда LFP представлена как функция времени. Запускают инструментарий ICSD в MATLAB, введя CSD plotter в рабочем пространстве. Поскольку частота дискретизации непрерывных данных составляет one kilohertz, параметр DT устанавливают равным one millisecond.

Затем установите значение проводимости коры на 0.4 Siemens per meter, что соответствует плотности тока источника в единицах nano peers per cubic millimeter, и измените положение электродов, задав вектор 0.1 с шагом 0.1 до 1.6, что представляет собой общее количество контактов. После ввода всех параметров нажмите «run this». Просмотрите профиль CSD в интерфейсе CSD plotter и вставьте его на новый рисунок.

Общие функции MATLAB, такие как image SC, могут быть использованы для построения профиля слоев; также могут быть применены различные алгоритмы сглаживания и процедуры нормализации для представления данных CSD и сравнения идентификации слоев между часами и сессиями. Чтобы сначала определить инверсию полярности, сопровождающую конфигурацию «сток-источник» у основания четвертого слоя, подтвердите наличие первичного стока в зернистом слое. Используя ламинарный профиль CSD, найдите на графике CSD отрицательную полярность, обусловленную стоком.

Затем вычислите центр масс гранулярного слоя. В результате анализа получается OID, состоящий из номера контакта и времени, когда синхронизация была максимальной. Контакт с центром синхронизации служит точкой отсчета гранулярного слоя на уровне 0 мкм.

Проанализируйте все контакты выше и ниже референса и распределите их по одному из трех возможных слоев. Supra, granular и infra granular подтверждают наличие гранулярного стока путем перемешивания положений электродов при сохранении неизменной временной области. После перемешивания на основе матрицы CSD проводится анализ OID.

Повторно следует отметить, что перемешивание контактов электродов в зависимости от глубины коры должно привести к исчезновению любой ламинарной специфичности. Для поиска рецептивных полей начните с предъявления на мониторе стимула обратной корреляции в областях, где потенциально расположены рецептивные поля. Стимул состоит из четырех градаций ориентации: 45, 0, 90 и 135 градусов.

Выполните кластерный анализ карт частоты разрядов для локализации рецептивного поля. Сначала определите координаты максимальной частоты разрядов и их центроид для каждой временной задержки. Затем рассчитайте расстояния между Centro и этими точками максимальной частоты разрядов.

Вычислите карты частот разрядов для каждой пространственной локации при задержках проведения от 40 до 120 миллисекунд с интервалом в пять миллисекунд для каждого нейрона независимо. Определите общее расстояние между OID и окружающими точками с максимальной частотой разрядов при всех временных задержках. Рецептивное поле соответствует той временной задержке, при которой это расстояние минимально.

После нахождения рецептивного поля для каждой клетки предъявите стимул обратной корреляции, размер которого превышает все локации рецептивных полей и перекрывает все рецептивные поля в записываемой популяции. Для определения того, правильно ли определены локации рецептивных полей, можно использовать график частоты разрядов в реальном времени. Наконец, проведите сортировку форм спайков с помощью программы offline sorter от plexon, которая реализует кластеризацию форм волн на основе таких параметров, как главные компоненты спайка, ширина, а также характеристики впадины и пика.

Обязательно удалите те единицы сигнала, в которых ответы резко меняются, и для дальнейшего анализа, представленного здесь, оставьте только единицы со стабильной частотой разрядов. В качестве примера для иллюстрации анализа CSD при локализации слоев коры по всей глубине коры в зависимости от времени: положение супергранулярного, гранулярного и инфрагранулярного слоев остается стабильным даже спустя четыре часа после начала сеанса записи. Кривые CSD представляют собой среднее значение по тем контактам, которые были отнесены к данному слою.

В данном примере в гранулярном слое наблюдается выраженное снижение амплитуды CSD примерно через 50 миллисекунд. Еще одним важным аспектом анализа при использовании ламинарного электрода является точная идентификация и локализация рецептивного поля нейронов. Точкой отсчета для этих графиков является точка фиксации, которая представляет собой маленький белый круг, отображаемый в центре черного экрана компьютера.

Цвет на этих графиках отражает частоту разрядов каждого нейрона в ответ на динамический стимул обратной корреляции. На данном рисунке представлены два примера форм спайковых волн, выделенных на одном и том же канале. Кластерный анализ был проведен с использованием метода главных компонентов и характеристик формы спайковой волны.

Средние формы спайк-волн показаны сплошной линией. Стандартные отклонения показаны пунктирной линией. При выполнении данных процедур важно помнить о необходимости осторожного продвижения электрода и предоставлении достаточного времени для стабилизации тканей мозга после его перемещения.

Обычно мы начинаем запись спустя примерно 30–45 минут после последнего продвижения при выполнении данной процедуры. Для изучения структуры сети внутри корковых слоев и между ними могут быть использованы другие спектральные методы, такие как мощность LFP и синхронизация спайков с локальным полевым потенциалом.