Gelijktijdige Oogtracering en single-neuron opnames bij humane epilepsiepatiënten
Summary
We beschrijven een methode voor het uitvoeren van single-neuron opnames met gelijktijdige oogtracering bij de mens. We demonstreren het nut van deze methode en illustreren hoe we deze aanpak gebruikt voor het verkrijgen van neuronen in de menselijke mediale temporele kwal die doelen van een visuele zoekopdracht coderen.
Abstract
Intracraniële opnames van patiënten met hardnekkige epilepsie bieden een unieke kans om de activiteit van individuele menselijke neuronen te bestuderen tijdens actief gedrag. Een belangrijk instrument voor het kwantificeren van gedrag is oogtracering, wat een onmisbaar hulpmiddel is voor het bestuderen van visuele aandacht. Oogtracering is echter een uitdaging om gelijktijdig met invasieve elektrofysiologie te gebruiken en deze aanpak is daarom weinig gebruikt. Hier presenteren we een beproefd experimenteel protocol voor het uitvoeren van single-neuron opnames met gelijktijdige oogtracering bij de mens. We beschrijven hoe de systemen zijn aangesloten en de optimale instellingen om neuronen en oogbewegingen op te nemen. Om het nut van deze methode te illustreren, vatten we de resultaten samen die mogelijk zijn gemaakt door deze instelling. Deze gegevens laten zien hoe het gebruik van Eye tracking in een geheugen geleide visuele zoekopdracht ons toeliet om een nieuwe klasse van neuronen genaamd doel neuronen te beschrijven, waarvan de respons een afspiegeling was van de top-down aandacht voor het huidige Zoek doel. Tot slot bespreken we de betekenis en oplossingen voor mogelijke problemen van deze opstelling. Samen, ons protocol en de resultaten suggereren dat single-neuron opnames met gelijktijdige eye tracking bij de mens zijn een effectieve methode voor het bestuderen van de menselijke hersenfunctie. Het biedt een belangrijke ontbrekende schakel tussen dierlijke neurofysiologie en menselijke cognitieve neurowetenschappen.
Introduction
Menselijke single-neuron opnames zijn een unieke en krachtige tool om de functie van het menselijk brein te verkennen met buitengewone ruimtelijke en temporele resolutie1. Onlangs, single-neuron opnames hebben breed gebruik opgedaan op het gebied van cognitieve neurowetenschappen omdat ze het directe onderzoek van cognitieve processen centraal in de menselijke cognitie toestaan. Deze opnames worden mogelijk gemaakt door de klinische noodzaak om de positie van epileptische Foci te bepalen, waarvoor diepte elektroden tijdelijk worden geïmplanteerd in de hersenen van patiënten met vermoedelijke focale epilepsie. Met deze installatie kunnen single-neuron opnames worden verkregen met behulp van micro draden uitsteekt van de punt van de hybride diepte-elektrode (een gedetailleerde beschrijving van de chirurgische methodologie die betrokken is bij het inbrengen van hybride diepte-elektroden is aanwezig in de vorige protocol2). Onder andere, deze methode is gebruikt voor het bestuderen van menselijkgeheugen 3,4, emotie5,6, en aandacht7,8.
Oogtracering meet de positie en oogbewegingen (fixaties en saccades) tijdens cognitieve taken. Video-based oogtrackers gebruiken meestal de hooral reflectie en het midden van de leerling als functies om te volgen in de tijd9. Oogtracering is een belangrijke methode om visuele aandacht te bestuderen, omdat de kijk locatie de focus van aandacht geeft tijdens de meeste natuurlijke gedragingen10,11,12. Eye tracking is uitgebreid gebruikt om visuele aandacht te bestuderen bij gezonde individuen13 en neurologische populaties14,15,16.
Terwijl zowel single-neuron opnames en Eye tracking individueel worden gebruikt op grote schaal bij de mens, weinig studies hebben beide gelijktijdig gebruikt. Als gevolg daarvan, het blijft nog grotendeels onbekend hoe neuronen in het menselijk brein reageren op oogbewegingen en/of ze zijn gevoelig voor de momenteel gefixeerde stimulus. Dit is in tegenstelling tot studies met macaques, waarbij oogtracering met gelijktijdige single-neuron opnames een standaard instrument is geworden. Om de neuronale reactie op oogbewegingen direct te onderzoeken, combineerden we menselijke single-neuron opnames en oogtracering. Hier beschrijven we het protocol om dergelijke experimenten uit te voeren en illustreren de resultaten door een concreet voorbeeld.
Ondanks de gevestigde rol van de menselijke mediaal temporale LOB (mtl) in beide object representatie17,18 en Memory3,19, het blijft grotendeels onbekend of mtl neuronen worden gemoduleerd als een functie van Top-down aandacht voor behavioraal relevante doelen. Het bestuderen van dergelijke neuronen is belangrijk om te beginnen te begrijpen hoe doel-relevante informatie beïnvloedt bottom-up visuele processen. Hier demonstreren we het nut van oogtracering tijdens het opnemen van neuronen met behulp van geleide visuele zoekopdrachten, een bekend paradigma om doelgericht gedrag te bestuderen20,21,22,23, 24 , 25. met behulp van deze methode, we onlangs beschreven een klasse van neuronen genoemd doel neuronen, die aangeeft of de momenteel bijgewoond stimulus is het doel van een lopende zoekopdracht8. In het onderstaande presenteren we het studie protocol dat nodig is om deze eerdere wetenschappelijke studie te reproduceren. Merk op dat in dit voorbeeld het protocol gemakkelijk kan worden aangepast om een willekeurige visuele attentie taak te bestuderen.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit protocol hebben we beschreven hoe u single-neuron opnames met gelijktijdige eye tracking gebruikt en beschreven hoe we deze methode gebruikten om doel neuronen in de humane MTL te identificeren.
De installatie omvat drie computers: één uitvoeren van de taak (stimulus computer), één met de Eye Tracker, en één met het acquisitie systeem. Om te synchroniseren tussen de drie systemen, wordt de parallelle poort gebruikt voor het verzenden van TTL-triggers van de stimulus-computer naar …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We danken alle patiënten voor hun deelname. Dit onderzoek werd ondersteund door het Rockefeller Neuroscience Institute, de autisme Science Foundation en de Dana Foundation (to S.W.), een NSF CAREER Award (1554105 tot U.R.), en de NIH (R01MH110831 en U01NS098961 tot U.R.). De financiers hadden geen rol in studie ontwerp, gegevensverzameling en-analyse, besluit om te publiceren of voorbereiding van het manuscript. We bedanken James Lee, Erika Quan, en het personeel van het Cedars-Sinai Simulation Center voor hun hulp bij het produceren van de demonstratie video.
Materials
| Cedrus Response Box | Cedrus (https://cedrus.com/) | RB-844 | Button box |
| Dell Laptop | Dell (https://dell.com) | Precision 7520 | Stimulus Computer |
| EyeLink Eye Tracker | SR Research (https://www.sr-research.com) | 1000 Plus Remote with laptop host computer and LCD arm mount | Eye tracking |
| MATLAB | MathWorks Inc | R2016a (RRID: SCR_001622) | Data analysis |
| Neuralynx Neurophysiology System | Neuralynx (https://neuralynx.com) | ATLAS 128 | Electrophysiology |
| Osort | Open source | v4.1 (RRID: SCR_015869) | Spike sorting algorithm |
| Psychophysics Toolbx | Open source | PTB3 ( RRID: SCR_002881) | Matlab toolbox to implement psychophysical experiments |
References
- Fried, I., Rutishauser, U., Cerf, M., Kreiman, G. . Single Neuron Studies of the Human Brain: Probing Cognition. , (2014).
- Minxha, J., Mamelak, A. N., Rutishauser, U., Sillitoe, R. V. Surgical and Electrophysiological Techniques for Single-Neuron Recordings in Human Epilepsy Patients. Extracellular Recording Approaches. , 267-293 (2018).
- Rutishauser, U., Mamelak, A. N., Schuman, E. M. Single-Trial Learning of Novel Stimuli by Individual Neurons of the Human Hippocampus-Amygdala Complex. Neuron. 49, 805-813 (2006).
- Rutishauser, U., Ross, I. B., Mamelak, A. N., Schuman, E. M. Human memory strength is predicted by theta-frequency phase-locking of single neurons. Nature. 464, 903-907 (2010).
- Wang, S., et al. Neurons in the human amygdala selective for perceived emotion. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111, E3110-E3119 (2014).
- Wang, S., et al. The human amygdala parametrically encodes the intensity of specific facial emotions and their categorical ambiguity. Nature Communications. 8, 14821 (2017).
- Minxha, J., et al. Fixations Gate Species-Specific Responses to Free Viewing of Faces in the Human and Macaque Amygdala. Cell Reports. 18, 878-891 (2017).
- Wang, S., Mamelak, A. N., Adolphs, R., Rutishauser, U. Encoding of Target Detection during Visual Search by Single Neurons in the Human Brain. Current Biology. 28, 2058-2069 (2018).
- Holmqvist, K., et al. . Eye tracking: A comprehensive guide to methods and measures. , (2011).
- Liversedge, S. P., Findlay, J. M. Saccadic eye movements and cognition. Trends in Cognitive Sciences. 4, 6-14 (2000).
- Rehder, B., Hoffman, A. B. Eyetracking and selective attention in category learning. Cognitive Psychology. 51, 1-41 (2005).
- Blair, M. R., Watson, M. R., Walshe, R. C., Maj, F. Extremely selective attention: Eye-tracking studies of the dynamic allocation of attention to stimulus features in categorization. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition. 35, 1196 (2009).
- Rutishauser, U., Koch, C. Probabilistic modeling of eye movement data during conjunction search via feature-based attention. Journal of Vision. 7, (2007).
- Wang, S., et al. Autism spectrum disorder, but not amygdala lesions, impairs social attention in visual search. Neuropsychologia. 63, 259-274 (2014).
- Wang, S., et al. Atypical Visual Saliency in Autism Spectrum Disorder Quantified through Model-Based Eye Tracking. Neuron. 88, 604-616 (2015).
- Wang, S., Tsuchiya, N., New, J., Hurlemann, R., Adolphs, R. Preferential attention to animals and people is independent of the amygdala. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 10, 371-380 (2015).
- Fried, I., MacDonald, K. A., Wilson, C. L. Single Neuron Activity in Human Hippocampus and Amygdala during Recognition of Faces and Objects. Neuron. 18, 753-765 (1997).
- Kreiman, G., Koch, C., Fried, I. Category-specific visual responses of single neurons in the human medial temporal lobe. Nature Neuroscience. 3, 946-953 (2000).
- Squire, L. R., Stark, C. E. L., Clark, R. E. The Medial Temporal Lobe. Annual Review of Neuroscience. 27, 279-306 (2004).
- Chelazzi, L., Miller, E. K., Duncan, J., Desimone, R. A neural basis for visual search in inferior temporal cortex. Nature. 363, 345-347 (1993).
- Schall, J. D., Hanes, D. P. Neural basis of saccade target selection in frontal eye field during visual search. Nature. 366, 467-469 (1993).
- Wolfe, J. M. What Can 1 Million Trials Tell Us About Visual Search?. Psychological Science. 9, 33-39 (1998).
- Wolfe, J. M., Horowitz, T. S. What attributes guide the deployment of visual attention and how do they do it?. Nature Review Neuroscience. 5, 495-501 (2004).
- Sheinberg, D. L., Logothetis, N. K. Noticing Familiar Objects in Real World Scenes: The Role of Temporal Cortical Neurons in Natural Vision. The Journal of Neuroscience. 21, 1340-1350 (2001).
- Bichot, N. P., Rossi, A. F., Desimone, R. Parallel and Serial Neural Mechanisms for Visual Search in Macaque Area V4. Science. 308, 529-534 (2005).
- Rutishauser, U., Schuman, E. M., Mamelak, A. N. Online detection and sorting of extracellularly recorded action potentials in human medial temporal lobe recordings, in vivo. Journal of Neuroscience Methods. 154, 204-224 (2006).
