Um dispositivo simples para Estimulador Evocando Ponto-como estímulos táteis: A Searchlight para LFP a Spike Transitions
Summary
Para elucidar o complexo de transição locais Campo Potenciais (LFPs) para picos um estimulador adequado para estímulos periféricos mecânicos leves foi construído. Como uma aplicação, as atividades spiking gravados a partir de córtex somatosensorial foram analisados por uma estratégia de otimização multi-objetivo. Os resultados demonstraram que o estimulador proposto foi capaz de entregar estímulos táteis com milissegundo e precisões milimétricas.
Abstract
Investigação neurofisiológica atual tem o objetivo de desenvolver metodologias para investigar a rota do sinal de neurônio para neurônio, ou seja, nas transições de picos para locais de Campo Potenciais (LFPs) e de LFPs de spikes.
LFPs têm uma dependência complexa sobre a atividade de pico e sua relação ainda é pouco compreendida 1. A elucidação dessas relações sinal seria útil tanto para o diagnóstico clínico (por exemplo, paradigmas de estimulação para Estimulação Cerebral Profunda) e para uma compreensão mais profunda das estratégias de codificação neural em condições normais e patológicas (por exemplo, epilepsia, doença de Parkinson, dor crônica). Para tal, é preciso resolver questões técnicas relacionadas a dispositivos de estimulação, paradigmas de estimulação e análises computacionais. Portanto, um dispositivo de estimulação feito sob medida foi desenvolvido a fim de entregar estímulos bem regulados no espaço e no tempo que não incorrem em ressonância mecânica. Subsequentemente,como uma exemplificação, um conjunto de relações LFP-pico de confiança foi extraído.
O desempenho do dispositivo foi investigada por gravações extracelular, spikes conjunta e respostas LFP aos estímulos, a partir do rato córtex somatosensorial primário. Em seguida, por meio de uma estratégia de otimização multi-objetivo, foi estimado um modelo preditivo para a ocorrência de pico com base em LFPs.
A aplicação deste paradigma mostra que o dispositivo está devidamente adaptado para oferecer alta estimulação tátil freqüência, superando atuadores piezoelétricos comuns. Como uma prova da eficácia do dispositivo, os seguintes resultados foram apresentados: 1) o tempo e a fiabilidade das respostas LFP bem corresponder as respostas pico, 2) LFPs são sensíveis à história estimulação e capturar não só a resposta média, mas também o teste-a-teste flutuações na actividade de pico e, finalmente, 3), utilizando o sinal LFP é possível estimar uma gama of modelos preditivos que capturam diferentes aspectos da atividade do ponto.
Introduction
No contexto do sinal de processamento da resposta de impulso proporciona uma caracterização fundamental do comportamento de um sistema dinâmico.
Embora o estímulo impulso ideal não é praticamente possível, é possível obter uma aproximação razoável de que através da utilização de um elemento actuador que gera deslocamentos de alta frequência. Este tipo de estimulação tátil-vibratória luz é conhecido por alvo tanto de pele profunda (por exemplo, de resposta rápida, rápida adaptação corpúsculos de Pacini) 2 e receptores superficiais (por exemplo, baixo limiar lentamente adaptando Merkel estruturas discóides) 2.
Aparelhos de estimulação atuais, atuadores piezoelétricos principalmente, são acusados de uma série de inconvenientes, não menos importante, ressonâncias e pequenos deslocamentos. Para superar essas falhas, uma implementação alternativa de estimulação impulso-como é proposto, usando uma ponta embotada (uma dica cactus suavizada no nosso caso) verticalmentemontado sobre o centro da membrana de um alto-falante de cone de gama média. Isto proporciona a vantagem de deslocamentos maiores e mais amplo espectro de frequências.
Uma aplicação eficaz de um tal dispositivo é o estudo do problema neurofisiológicos relevante do LFPs a picos de dependência. Por causa da associação temporal sutil entre esses eventos elétricos era necessário um dispositivo finamente reguladas para a entrega de estímulos periféricos. Os estímulos teve que ser mais rápido e espacialmente selectiva quanto possível, a fim de reduzir o "ruído de fundo" e aguçar os sinais de interesse. Para esta finalidade, o dispositivo de estimulação e o protocolo de entrega de estímulo foram optimizados em conjunto para a tarefa. Neste trabalho, descrevemos a técnica e apresentar alguns resultados representativos.
Um protocolo de estimulação com base em pulsos-aleatória pareada foi projetado e otimizado, a fim de evitar a habituação. Este protocolo oferece a vantagem de par clássicoed pulsos e reduziu a possibilidade de bloqueio espúria entre estímulos e explosões periódicas espontâneas de atividade neuronal.
Ao utilizar este randomizados pulso emparelhado foi possível obter LFP e Spike respostas rápidas e confiáveis e para capturar a característica especial dessas respostas relacionadas com a dependência de ambos os LFPs e picos sobre a história estimulação. Com efeito, a partir das respostas LFP-primas, um conjunto de três LFP apresenta (a própria LFP LFP primeira derivada e fase da primeira derivada) fortemente correlacionando-se com a resposta média de pico, também foi extraído.
Poucos métodos têm sido propostos para ajustar modelos que prevêem picos de LFPs 3,4. Em geral, um ponto crítico do processo de montagem do modelo, comum também para a previsão de eventos de pico do sinal de estímulo, é constituída pela escolha apropriada da função objetivo para maximizar / minimizar. Enquanto uma série de funções objetivo foi propord (por exemplo, correlação e coerência) 5 nenhum deles capta em conjunto toda a complexidade das respostas spike. Assim, é introduzido um quadro romance baseado em otimização multi-objetivo. Mostramos que, usando a proposta concebida e este quadro computacional, é possível estimar um conjunto de modelos de previsão com base em forte LFP a espiga relacionamentos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este trabalho, em primeiro lugar apresentou uma nova, simples e de baixo custo dispositivo que permite entregar os estímulos sensoriais de ponto como rápidos e espacialmente. Em seguida, um par protocolo randomizado estimulação de pulso e um conjunto de análises computacionais foram validados. O objetivo geral foi o de estabelecer um quadro para a estimativa das relações LFP-pico em registros eletrofisiológicos durante a estimulação tátil.
O dispositivo, o protocolo ea abordagem a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SN e AGZ foram apoiados pelos fundos Virtualab PON 01-01297.
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).
