Gleichzeitiges Eye Tracking und Single-Neuron-Aufnahmen bei Humanepipsiepatienten
Summary
Wir beschreiben eine Methode zur Durchführung von Einzelneuronenaufnahmen mit gleichzeitiger Augenverfolgung beim Menschen. Wir demonstrieren den Nutzen dieser Methode und veranschaulichen, wie wir diesen Ansatz benutzt haben, um Neuronen im menschlichen medialen Temporallappen zu erhalten, die Ziele einer visuellen Suche kodieren.
Abstract
Intrakranielle Aufnahmen von Patienten mit hartnäckiger Epilepsie bieten eine einzigartige Gelegenheit, die Aktivität einzelner menschlicher Neuronen während des aktiven Verhaltens zu untersuchen. Ein wichtiges Werkzeug zur Quantifizierung von Verhalten ist eye tracking, das ein unverzichtbares Werkzeug für das Studium der visuellen Aufmerksamkeit ist. Eye-Tracking ist jedoch eine Herausforderung, gleichzeitig mit der invasiven Elektrophysiologie zu verwenden, und dieser Ansatz wurde daher wenig genutzt. Hier präsentieren wir ein bewährtes experimentelles Protokoll zur Durchführung von Einzel-Neuron-Aufnahmen mit gleichzeitiger Augenverfolgung beim Menschen. Wir beschreiben, wie die Systeme verbunden sind und die optimalen Einstellungen, um Neuronen und Augenbewegungen aufzuzeichnen. Um den Nutzen dieser Methode zu veranschaulichen, fassen wir Ergebnisse zusammen, die durch diese Einrichtung ermöglicht wurden. Diese Daten zeigen, wie die Verwendung von Eye Tracking in einer speichergesteuerten visuellen Suchaufgabe es uns ermöglichte, eine neue Klasse von Neuronen zu beschreiben, die Als Zielneuronen bezeichnet werden, deren Reaktion die Aufmerksamkeit von oben nach unten auf das aktuelle Suchziel reflektierte. Schließlich diskutieren wir die Bedeutung und die Lösungen für mögliche Probleme dieses Setups. Zusammen deuten unser Protokoll und unsere Ergebnisse darauf hin, dass Einzelneuronenaufnahmen mit gleichzeitiger Augenverfolgung beim Menschen eine effektive Methode zur Untersuchung der menschlichen Gehirnfunktion sind. Es stellt eine wichtige fehlende Verbindung zwischen Tierneurophysiologie und menschlichen kognitiven Neurowissenschaften.
Introduction
Menschliche Einzel-Neuron-Aufnahmen sind ein einzigartiges und leistungsfähiges Werkzeug, um die Funktion des menschlichen Gehirns mit außergewöhnlicher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erforschen1. In letzter Zeit haben Einzel-Neuron-Aufnahmen breite Verwendung im Bereich der kognitiven Neurowissenschaften gewonnen, weil sie die direkte Untersuchung von kognitiven Prozessen ermöglichen, die für die menschliche Kognition von zentraler Bedeutung sind. Diese Aufnahmen werden durch die klinische Notwendigkeit ermöglicht, die Position von epileptischen Brennpunkten zu bestimmen, für die Tiefenelektroden vorübergehend in das Gehirn von Patienten mit Verdacht auf fokale Epilepsie implantiert werden. Mit diesem Setup können Einzel-Neuron-Aufnahmen mit Mikrodrähten gewonnen werden, die von der Spitze der Hybridtiefenelektrode herausragen (eine detaillierte Beschreibung der chirurgischen Methodik, die beim Einsetzen von Hybridtiefenelektroden beteiligt ist, ist in der vorherigen Protokoll2). Unter anderem wurde diese Methode verwendet, um menschliches Gedächtnis zu studieren3,4, Emotion5,6und Aufmerksamkeit7,8.
Eye Tracking misst Die Blickposition und Die Augenbewegungen (Fixierungen und Sakkaden) bei kognitiven Aufgaben. Videobasierte Eyetracker verwenden in der Regel die Hornhautreflexion und das Zentrum der Pupille als Merkmale, um im Laufe der Zeit9zu verfolgen. Eye Tracking ist eine wichtige Methode, um visuelle Aufmerksamkeit zu studieren, da die Sichtposition den Fokus der Aufmerksamkeit während der meisten natürlichen Verhaltensweisen10,11,12anzeigt. Eye-Tracking wurde ausgiebig verwendet, um visuelle Aufmerksamkeit bei gesunden Personen13 und neurologischen Populationen14,15,16zu studieren.
Während sowohl Einzel-Neuron-Aufnahmen als auch Eye-Tracking beim Menschen ausgiebig verwendet werden, haben nur wenige Studien beides gleichzeitig verwendet. Infolgedessen bleibt weitgehend unbekannt, wie Neuronen im menschlichen Gehirn auf Augenbewegungen reagieren und/oder ob sie empfindlich auf den aktuell fixierten Reiz reagieren. Dies steht im Gegensatz zu Studien mit Makaken, bei denen Eye-Tracking mit gleichzeitigen Einzel-Neuron-Aufnahmen zu einem Standardwerkzeug geworden ist. Um die neuronale Reaktion auf Augenbewegungen direkt zu untersuchen, kombinierten wir menschliche Einzelneuronenaufnahmen und Eye-Tracking. Hier beschreiben wir das Protokoll, solche Experimente durchzuführen und dann die Ergebnisse durch ein konkretes Beispiel zu veranschaulichen.
Trotz der etablierten Rolle des humanen medialen Temporallappens (MTL) sowohl in der Objektdarstellung17,18 als auch im Speicher3,19bleibt weitgehend unbekannt, ob MTL-Neuronen als Funktion Aufmerksamkeit von oben nach unten auf verhaltensrelevante Ziele. Das Studium solcher Neuronen ist wichtig zu verstehen, wie zielrelevante Informationen die visuellen Prozesse von unten nach oben beeinflussen. Hier zeigen wir den Nutzen von Eye Tracking bei der Aufzeichnung von Neuronen mit geführter visueller Suche, einem bekannten Paradigma zur Untersuchung von zielgerichtetem Verhalten20,21,22,23, 24 , 25. Mit dieser Methode beschrieben wir vor kurzem eine Klasse von Neuronen genannt Zielneuronen, die signalisiert, ob die derzeit besuchten Stimulus ist das Ziel einer laufenden Suche8. Im Folgenden stellen wir das Studienprotokoll vor, das erforderlich ist, um diese vorherige wissenschaftliche Studie zu reproduzieren. Beachten Sie, dass in diesem Beispiel das Protokoll leicht angepasst werden kann, um eine beliebige visuelle Aufmerksamkeitsaufgabe zu studieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Protokoll beschrieben wir, wie Einzel-Neuron-Aufnahmen mit gleichzeitiger Eye-Tracking verwendet werden, und beschrieben, wie wir diese Methode verwendet haben, um Zielneuronen in der menschlichen MTL zu identifizieren.
Das Setup umfasst drei Computer: einen, der die Aufgabe ausführt (Stimuluscomputer), einen, der den Eyetracker ausführt, und einen, auf dem das Erfassungssystem ausgeführt wird. Zur Synchronisierung zwischen den drei Systemen wird der parallele Port verwendet, um T…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken allen Patienten für ihre Teilnahme. Diese Forschung wurde vom Rockefeller Neuroscience Institute, der Autism Science Foundation und der Dana Foundation (zu S.W.), einem NSF CAREER Award (1554105 an U.R.) und dem NIH (R01MH110831 und U01NS098961 to U.R.) unterstützt. Die Geldgeber spielten keine Rolle bei der Studiengestaltung, Datenerhebung und -analyse, der Entscheidung zur Veröffentlichung oder der Vorbereitung des Manuskripts. Wir danken James Lee, Erika Quan und den Mitarbeitern des Cedars-Sinai Simulation Center für ihre Hilfe bei der Erstellung des Demonstrationsvideos.
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 |
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