מכשיר פשוט גירוי ללעורר כמו נקודת מגע גירויים: זרקור לLFP לספייק מעברים
Summary
על מנת להבהיר את המעבר המורכב מפוטנציאלים מקומיים שדה (LFPs) לקוצי ממריץ מתאים לגירויים היקפיים מכאניים אור נבנה. כיישום, פעילות spiking נרשמה מקליפה החושית נותחו על ידי אסטרטגיית אופטימיזציה רב אובייקטיבית. התוצאות הראו כי ממריץ המוצע היה מסוגל לספק גירויי מישושם בדיוק של האלפית שני והמילימטר.
Abstract
יש מחקר נוירופיזיולוגיות הנוכחי במטרה לפתח שיטות כדי לחקור את מסלול אותות מתא העצב לתא עצב, כלומר במעברים מקוצים לפוטנציאל בתחום מקומי (LFPs) ומLFPs לקוצים.
יש לי LFPs תלות מורכבת על פעילות ספייק והקשר שלהם עדיין הבין 1 גרוע. הבהרה של יחסי אות אלה תהיה מועילה הן לאבחון קליני (למשל פרדיגמות גירוי לגירוי המוח עמוק) ולהבנה עמוקה יותר של אסטרטגיות קידוד עצביות בתנאים נורמלים ופתולוגיים (למשל אפילפסיה, מחלת פרקינסון, כאב כרוני). למטרה זו, יש לפתור בעיות טכניות הקשורות למכשירי גירוי, פרדיגמות גירוי וניתוחים חישובית. לכן, מכשיר גירוי מחוייט פותח על מנת לספק גירויים מוסדרים היטב במרחב ובזמן שאינו כרוך בתהודה מכאנית. בהמשך לכך,כהדגמה, קבוצה של יחסי LFP-ספייק אמינים הייתה שחולצה.
הביצועים של המכשיר נחקרו על ידי הקלטות תאיים, במשותף קוצים ותגובות LFP לגירויים המוחלים, מהקליפה החושית העיקרית החולדה. לאחר מכן, באמצעות אסטרטגיית אופטימיזציה רב אובייקטיבית, מודל חיזוי להתרחשות ספייק מבוססים על LFPs נאמד.
היישום של פרדיגמה זו מראה כי המכשיר מתאים במידה מספקת כדי לספק גירוי חוש המישוש בתדירות גבוה, יעלה בביצועי מפעילים פיזואלקטריים משותפים. כהוכחה ליעילותו של המכשיר, את התוצאות הבאות הוצגו: 1) העיתוי והאמינות של תגובות LFP גם להתאים את תגובות ספייק, 2) LFPs רגיש להיסטוריה הגירוי וללכוד את התגובה הממוצעת לא רק, אלא גם תנודות משפט למשפט בפעילות ספייק, ולבסוף, 3) על ידי השימוש בLFP לאותת זה ניתן להעריך o מגווןו מודלים חזוי כי ללכוד היבטים שונים של פעילות ספייק.
Introduction
בהקשר של עיבוד אותות בתגובת הדחף מספק אפיון בסיסי של ההתנהגות של מערכות דינמיות.
למרות שגירוי הדחף האידיאלי הוא כמעט לא בר השגה, זה אפשרי להשיג קירוב סביר של אותו באמצעות אלמנט מפעיל שיוצר התקות בתדירות גבוהה. סוג זה של גירוי חוש המישוש-רטט אור ידוע למקד שני העור העמוק (למשל במהירות להגיב, במהירות התאמת כדוריות Pacinian) 2 וקולטנים שטחיים (למשל עם סף נמוך הסתגלות לאט מבני discoid מרקל) 2.
מכשירים הנוכחיים גירוי, ומפעילים בעיקר פיזואלקטריים, מואשמים במספר החסרונות, לא תהודות לפחות והתקות קטנות. כדי להתגבר על פגמים אלה, יישום חלופה של גירוי כמו דחף מוצע באמצעות קצה קהה (טיפ קקטוס החליק במקרה שלנו) בצורה אנכיתרכוב על מרכז הקרום של חרוט רמקול באמצע טווח. זה מספק את היתרון של התקות גדולות יותר וספקטרום תדרים רחב יותר.
יישום אפקטיבי של מכשיר כזה היה המחקר של הבעיה נוירופיזיולוגיות הרלוונטית של LFPs לקוצי תלות. בגלל הקשר החזק של הזמן הדק בין אירועים החשמליים אלה מכשיר מוסדר היטב היה נחוץ לאספקת גירויים היקפיים. הגירויים היינו צריכים להיות מהיר וכמרחבית סלקטיבית ככל האפשר על מנת להקטין את "רעש הרקע" ולחדד את האותות של עניין. לצורך כך, מכשיר הגירוי והפרוטוקול המסירה הגירוי היו מותאם במשותף למשימה. במאמר זה, אנו מתארים את הטכניקה ולהציג כמה תוצאות נציג.
פרוטוקול גירוי על בסיס אקראי לזווג פולסים תוכנן ומותאם על מנת למנוע התרגלות. פרוטוקול זה הציע את היתרון של זוג קלאסיed קטניות והקטינו את האפשרות של נעילה מזויפת בין גירויים והתפרצויות תקופתיות ספונטניות של פעילות עצבית.
באמצעות זה אקראי דופק לזווג אותו ניתן היה להשיג את תגובות LFP וספייק מהירות ואמינות וכדי ללכוד את התכונה המיוחדת של תגובות אלה הקשורים לתלות של שני LFPs וקוצים על ההיסטוריה הגירוי. ואכן, מתגובות LFP גלם, קבוצה של שלוש תכונות LFP (LFP עצמו, LFP ראשון נגזר ושלב של הנגזרת הראשונה) בחריפות מקשרות עם תגובת ספייק ממוצע, גם היו שחולצה.
שיטות אחדות הוצעו כדי שיתאימו למודלים שמנבאים קוצים מLFPs 3,4. באופן כללי נקודה של תהליך התאמת המודל קריטי, משותף גם לניבוי של אירוע ספייק מן אות הגירוי, הוא היווה ידי הבחירה המתאימה של פונקצית המטרה למקסם / למזער. בעוד מגוון רחב של פונקציות מטרה היה להציעד (מתאם לדוגמא ולכידות) אף אחד 5 מאלה במשותף לוכד את כל המורכבות של תגובות ספייק. בהתאם לכך, מסגרת רומן מבוססת על אופטימיזציה רב אובייקטיבית הוא הציג. אנו מראים כי על ידי שימוש בהציע המציא ומסגרת חישובית זה ניתן להעריך סט של מודלים חיזוי המבוסס על LFP החזק ספייק מערכות יחסים.
Protocol
Representative Results
Discussion
עבודה זו ראשית הציגה מכשיר חדש, פשוט ועלות נמוכה המאפשר לספק גירויים חושיים כמו נקודה במהירות ומרחבית. ואז באופן אקראי פרוטוקול לזווג דופק גירוי ומערכת של ניתוחים חישוביים אומתו. המטרה הכוללת הייתה להקים מסגרת להערכת יחסי LFP-ספייק בקלטות אלקטרו במהלך גירוי חוש המישו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SN וAGZ נתמכו על ידי קרנות VIRTUALAB PON 01-01,297.
Materials
| Microstepper | AB Transvertex (Stockholm, Sweden) | The microstepper used to pull down the electrode matrix | |
| 32 channels Cheetah System | Neuralynx (MT, USA) | The electrophysiological recording system | |
| L293D h-bridge | RS Components (Cinisello Balsamo, Italy) | The bridge used to connect the microcontroller to the speaker | |
| H21A3 Optical Interrupter Switch | Fairchild Semiconductor Corporation (San Jose, California) | The phototransistor used to estabilish the tip displacement | |
| Arduino Uno | Arduino (Duemilanove, Italy) | The microcontroller used to deliver current pulse to the speaker | |
| Microelectrode Matrices GB1 | FHC | ||
| Isoflurane | Rhodia Organique Fine Ltd. | The anaestetic used to prepare animals | |
| Stereotaxic apparatus | Narishighe (Tokyo, Japan) | ||
| Sprague-Dawley male rats | Charles River (Calco, LC, Italy) | ||
| Gallamine thriethiodide | Sigma-Aldrich | The compound used to curarize the animals | |
| Cresyl violet | Sigma-Aldrich | ||
| Topical antiseptics (Betadine 10%) | Meda Pharma (Milanm Italy) | ||
| Heparine | Sigma-Aldrich | ||
| Formaldehyde | Carlo Erba Reagents (Pomigliano Milanese, Milan, Italy) |
References
- Pesaran, B. Uncovering the Mysterious Origins of Local Field Potentials. Neuron. 61 (1-2), (2009).
- Delmas, P., Hao, J., Rodat-Despoix, L. Molecular Mechanisms of Mechanotrasduction in Mammalian Sensory Neurons. Nat. Rev. Neurosci. 12, 139-153 (2011).
- Rasch, M. J., Gretton, A., Murayama, Y., Maass, W., Logothetis, N. K. Inferring spike trains from local field potentials. J. Neurophys. 99 (3), 1461-1476 (2008).
- Galindo-Leon, E. E., Liu, R. C. Predicting stimulus-locked single unit spiking from cortical local field potentials. J. Comput. Neurosci. 29 (3), 581-597 (2010).
- Theunissen, F. E., David, S. V., Singh, N. C., Hsu, A., Vinje, W. E., Gallant, J. L. Estimating spatio-temporal receptive fields of auditory and visual neurons from their responses to natural stimuli. Network. 12 (3), 289 (2001).
- Victor, J. D., Purpura, K. Metric-space analysis of spike trains: theory, algorithms, and application. Network. 8, 127-164 (1997).
- Foffani, G., Chapin, J. K., Moxon, K. A. Computational Role of Large Receptive Fields in the Primary Somatosensory Cortex. J. Neurophysiol. 100 (1), 268-280 (2008).
- Panzeri, S., Senatore, R., Montemurro, M. A., Petersen, R. S. Correcting for the sampling bias problem in spike train information measures. J. Neurophysiol. 98, 1064-1072 (2007).
- Storchi, R., Zippo, A. G., Caramenti, G. C., Valente, M., Biella, G. E. M. Predicting Spike Occurrence and Neuronal Responsiveness from LFPs in Primary Somatosensory Cortex. PLoS ONE. 7 (5), (2012).
- Quiroga, R. Q., Nadasdy, Z., Ben-Shaul, Y. Unsupervised Spike Detection and Sorting with Wavelets and Superparamagnetic Clustering. Neural Comput. 16, 1661-1687 (2004).
- Deb, K., Agrawal, A., Pratab, A., Meyarivan, T. A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-II IEEE. Trans. Evol. Comput. 6 (2), 181-197 (2000).
