Nokta gibi Tactile Stimuli çağrıştırıyor için Basit Uyarıcı Cihaz: LFP için Searchlight Geçişler Spike
Summary
Hafif mekanik çevresel uyaranlara uygun bir uyarıcı sivri Yerel Alan Potansiyelleri (LFPs) gelen karmaşık geçişi aydınlatmak için inşa edilmiştir. Bir uygulama olarak, duyusal korteks kaydedilen engelleyici faaliyetler bir çok objektif optimizasyon stratejisi ile analiz edildi. Sonuçlar önerilen stimülatör milisaniye ve milimetre kesinleşmemiş ile dokunsal uyaranlara teslim mümkün olduğunu göstermiştir.
Abstract
Şu nörofizyolojik araştırma ani için yani Yerel Alan Potansiyelleri sivri (LFPs) dan geçişler ve LFPs gelen nöron nöron sinyal yolu, araştırmak için yöntemler geliştirmek amacı vardır.
LFPs başak aktivite karmaşık bir bağımlılığı vardır ve bunların ilişkisi hala tam 1 anlaşılmaktadır. Bu sinyal ilişkilerin aydınlatılması klinik teşhis (Derin beyin stimülasyonu örneğin stimülasyon paradigmalar) ve normal ve patolojik koşullar (örn. epilepsi, Parkinson hastalığı, kronik ağrı) nöral kodlama stratejilerinin daha derin bir anlama için hem yararlı olacaktır. Bu amaçla, bir stimülasyon cihazları, stimülasyon paradigmalar ve hesaplamalı analizler ile ilgili teknik sorunları çözmek için vardır. Bu nedenle, ısmarlama bir uyarım cihazı mekanik rezonans uğramayan de uzay ve zaman içinde düzenlenmiş uyaranlara sunmak için geliştirilmiştir. Daha sonra,bir örnek olarak, güvenilir LFP-başak ilişkilerin bir dizi ekstre edildi.
Cihazın performansı, hücre dışı kayıtları ile araştırılmıştır birlikte ani ve sıçan birincil Somatosensori korteksinden uygulanan uyarımlarına LFP tepkiler. Daha sonra, çok amaçlı optimizasyon stratejisi ile, LFPs göre başak bir meydana geliş için bir tahmin modeli tahmin edilmiştir.
Bu paradigma uygulama cihazın yeterli ortak piezoelektrik aktüatörler daha iyi performans, yüksek frekans dokunma uyarımı sağlamak için uygun olduğunu göstermektedir. Cihazın etkinliği bir kanıtı olarak, aşağıdaki sonuçlar sunulmuştur: 1) LFP yanıtlarının zamanlaması ve güvenilirliği de, büyük çivi yanıtları eşleşen 2) LFPs uyarım tarihine karşı duyarlıdır ve ortalama tepki sadece yakalama değil, aynı zamanda başak aktivite ve nihayet, 3) LFP kullanarak deneme-to-deneme dalgalanmalar bir aralık o tahmin etmek mümkündür sinyalf başak aktivite farklı yönlerini yakalamak prediktif modeller.
Introduction
Sinyali bağlamında dürtü yanıtı işlem bir dinamik sistem davranışı temel bir tanımlamasını sağlamaktadır.
Ideal bir darbe uyarıcı pratikte elde değil de, yüksek frekans yer değiştirmeleri üreten bir tahrik elemanı ile bunun tahmini bir bilgi elde etmek mümkündür. Hafif dokunma-titreşimli Bu tür uyarım hem derin cilt (örneğin hızlı, yanıt hızlı Pacinian cisimcikleri uyarlama) 2 ve yüzeysel reseptörleri (örneğin, düşük eşik yavaş Merkel diskoit yapılarını adapte) 2 hedef bilinmektedir.
Mevcut stimülasyon cihazları, özellikle piezoelektrik aktüatörler, sakıncaları bir dizi, en azından yankılar ve küçük değiştirmeler ile tahsil edilir. Bu kusurları üstesinden gelmek için, darbe gibi uyarmanın alternatif uygulama dikey Köreldiğini ipucu (bizim durumumuzda bir kaktüs yumuşatılmış ucu) kullanılarak önerilmiştirBir orta menzilli hoparlör konisi membran merkezine monte edilmiş. Bu daha büyük yer değiştirmeler ve daha geniş frekans spektrumu avantaj sağlar.
Böyle bir cihazın etkin bir uygulama için, bağımlılık ani LFPs ilgili nörofizyolojik sorunun çalışmadır. Çünkü bu elektrikli olaylar arasındaki ince zamansal dernek ince ayarlı cihaz çevresel uyaranlara teslim için gerekli. Uyaranlar "arka plan gürültüsünü" azaltmak ve faiz sinyalleri keskinleştirmek için hızlı ve mümkün olduğu mekansal olarak seçici olmak zorunda. Bu amaçla, uyarım cihazı ve uyarıcı teslim protokolü ortak görev için optimize edilmiştir. Bu yazıda, tekniği tanımlamak ve bazı temsilcisi sonuçları sunmak.
Randomize eşleştirilmiş-bakliyat göre bir uyarma protokolü alışkanlık önlemek amacıyla tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Bu protokol, klasik çift avantajı sundubakliyat ed ve uyarılara ve nöronal aktivitenin kendiliğinden periyodik darbeler arasında geçici kilitleme olasılığı azalır.
Kullanarak bu hızlı ve güvenilir LFP ve başak yanıtları elde etmek ve stimülasyon tarih hem LFPs ve ani bağımlılığı ile ilgili bu tepkilerin özelliğini yakalamak mümkün oldu eşleştirilmiş nabzını randomize. Gerçekten de, ham LFP yanıtlardan, üç işgücüne bir dizi güçlü bir ortalama başak tepki ile korelasyon (LFP kendisi, birinci türevinin LFP birinci türevi ve faz) sahiptir, ayrıca ekstre edilmiştir.
Birkaç yöntem LFPs 3,4 'den ani tahmin modelleri uygun önerilmiştir. Genel olarak, ortak de uyarıcı sinyal başak olayın tahmin, en aza indirmek / üst düzeye çıkarmak için amaç fonksiyonu uygun seçimi ile model uydurma sürecinin kritik bir nokta oluşur. Amaç fonksiyonu bir dizi teklif olsa daBu d (örneğin korelasyon ve akıcılık) 5 hiçbiri ortaklaşa başak tepkilerin bütün karmaşıklığını yakalar. Buna göre, çok amaçlı optimizasyonu dayalı yeni bir çerçeve tanıtıldı. Biz gösteriyor ki önerilen tasarladı ve bu hesaplama framework ilişkileri başak güçlü LFP dayalı öngörü modelleri bir dizi tahmin etmek mümkündür kullanarak.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma öncelikle hızlı ve mekansal noktası gibi duyusal uyaranlara teslim sağlayan, yeni, basit ve düşük maliyetli cihaz sundu. Sonra bir randomize eşleştirilmiş nabız uyarma protokolü ve hesaplamalı analizlerin bir dizi valide edildi. Genel amacı dokunsal uyarılması sırasında elektrofizyolojik kayıtlar LFP-başak ilişkilerin tahmini için bir çerçeve kurmak oldu.
Cihaz, protokol ve analitik yaklaşım ortaklaşa yani LFP-to-başak geçişleri açıklamak ve tah…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SN ve AGZ PON 01-01297 VIRTUALAB fonları tarafından desteklenmiştir.
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).
