מעקב אחר עיניים והקלטות של תא העצב היחיד בחולי אפילפסיה של האדם
Summary
אנו מתארים שיטה לבצע הקלטות של תא העצב בודד עם מעקב העין בו בבני אדם. אנו להדגים את השירות של שיטה זו ולהמחיש כיצד השתמשנו בגישה זו כדי להשיג נוירונים באונה הטמפורלית האנושית האמצעי הקידוד מטרות של חיפוש ויזואלי.
Abstract
הקלטות בתוך-גולגולתי מחולים עם אפילפסיה סורר לספק הזדמנות ייחודית ללמוד את הפעילות של נוירונים אנושיים בודדים במהלך התנהגות פעילה. כלי חשוב עבור כימות התנהגות היא מעקב אחר העין, שהוא כלי הכרחי לימוד תשומת לב חזותית. עם זאת, מעקב העין הוא מאתגר להשתמש במקביל עם הפיזיולוגיה פולשנית וגישה זו היתה בשימוש כמעט. . עם מעקב אחר עיניים בבני אדם אנו מתארים כיצד המערכות מחוברות ואת ההגדרות האופטימליות כדי להקליט נוירונים ותנועות עיניים. כדי להמחיש את כלי השירות של שיטה זו, אנו מסכמים תוצאות שנעשו אפשריות על-ידי הגדרה זו. נתונים אלה מראים כיצד להשתמש במעקב אחר מעקב אחר זיכרון מונחה משימת חיפוש חזותי אפשרה לנו לתאר מחלקה חדשה של נוירונים הנקראים נוירונים היעד, אשר התגובה שלו היה משקפים של תשומת לב מלמעלה למטה ליעד החיפוש הנוכחי. לבסוף, אנו דנים בחשיבות ובפתרונות לבעיות פוטנציאליות של הגדרה זו. יחד, הפרוטוקול והתוצאות שלנו מצביעים על כך שהקלטות בודדות עם מעקב אחר עיניים בבני אדם הן שיטה יעילה לחקר תפקוד המוח האנושי. הוא מספק קשר חסר מפתח בין נוירופיזיולוגיה של בעלי חיים ומדעי המוח האנושי קוגניטיבי.
Introduction
הקלטות של האדם בעל תא העצב האנושי הן כלי ייחודי ורב עוצמה כדי לחקור את התפקוד של המוח האנושי ברזולוציה יוצאת דופן של המרחב והזמני1. לאחרונה, הקלטות תא העצב היחיד זכו לשימוש נרחב בתחום הפסיכוביולוגיה הקוגניטיבית משום שהם מתירים את החקירה הישירה של תהליכים קוגניטיביים מרכזיים להכרה אנושית. הקלטות אלה מתאפשרת על ידי הצורך הקליני כדי לקבוע את המיקום של מחלת אפילפסיה, אשר אלקטרודות עומק מושתל באופן זמני לתוך המוח של חולים עם חשד מוקד אפילפסיה. עם התקנה זו, הקלטות תא העצב היחיד ניתן להשיג באמצעות המיקרוגל בולטות מקצה אלקטרודה היברידית עומק (תיאור מפורט של מתודולוגיה כירורגית המעורבים החדרת אלקטרודות היברידית העומק מסופק הקודם פרוטוקול2). בין היתר, שיטה זו שימש ללימוד זיכרוןאנושי 3,4, רגש5,6, ותשומת לב7,8.
מעקב אחר העין מודד מיקום ותנועות עיניים (fixcades) במהלך משימות קוגניטיביות. וידאו מבוססי העין עוקבים בדרך כלל להשתמש השתקפות הקרנית ואת מרכז התלמיד כתכונות כדי לעקוב אחרי זמן9. מעקב אחר עיניים היא שיטה חשובה לחקר תשומת לב חזותית מכיוון שמיקום המבט מציין את ההתמקדות של תשומת הלב במהלך התנהגויות טבעיות ביותר10,11,12. מעקב העין נעשה בהרחבה כדי ללמוד תשומת לב חזותית באנשים בריאים13 ואוכלוסיות נוירולוגיות14,15,16.
בעוד הקלטות ומעקב העין הן באופן אינדיבידואלי בשימוש בנפרד בבני אדם, מחקרים מעטים השתמשו בו זמנית. כתוצאה מכך, הוא עדיין אינו ידוע ברובו כיצד נוירונים במוח האנושי מגיבים לתנועות עיניים ו/או אם הם רגישים לגירוי מקובע כרגע. זה בניגוד למחקרים עם מקופי, שם מעקב העין עם הקלטות חד-נוירונים בו הפכה לכלי סטנדרטי. כדי לחקור במישרין את התגובה העצבית לתנועות עיניים, אנו משלבים הקלטות של תא העצב האנושי ומעקב אחר העין. כאן אנו מתארים את הפרוטוקול לערוך ניסויים כאלה ולאחר מכן להמחיש את התוצאות באמצעות דוגמה קונקרטית.
למרות התפקיד הוקם של האונה הטמפורלית הרקתית האנושית (mtl) בשני ייצוג אובייקט17,18 ו זיכרון3,19, זה נשאר בעיקר לא ידוע אם הנוירונים mtl מאופנן כפונקציה של תשומת לב מלמעלה למטה ליעדים רלוונטיים. לימוד נוירונים כאלה חשוב להתחיל להבין כיצד המטרה-מידע רלוונטי משפיע על תהליכים חזותיים מלמטה למעלה. כאן, אנו להדגים את השירות של מעקב העין תוך הקלטת נוירונים באמצעות חיפוש חזותי מודרך, פרדיגמה ידועה ללמוד התנהגות בבימויו של המטרה20,21,22,23, בת 24 , 25. באמצעות שיטה זו, תיארנו לאחרונה מחלקה של נוירונים הנקראים נוירונים היעד, אשר מאותת אם הגירוי הנוכחים כיום הוא המטרה של חיפוש מתמשך8. בהמשך, אנו מציגים את פרוטוקול המחקר הדרוש כדי לשכפל את המחקר המדעי הקודם. שים לב כי בדוגמה זו ניתן לכוונן את הפרוטוקול בקלות כדי ללמוד משימה שרירותית של תשומת לב חזותית.
Protocol
Representative Results
Discussion
בפרוטוקול זה, תיארנו כיצד להעסיק הקלטות חד-הנוירונים עם מעקב עין בו ותיאר כיצד השתמשנו בשיטה זו כדי לזהות נוירונים היעד ב-MTL האנושי.
הכיוונון כולל שלושה מחשבים: אחד המבצע את המשימה (מחשב גירוי), אחד להפעיל את גשש העין, ואחד פועל את מערכת הרכישה. כדי לסנכרן בין שלוש המערכות, היצ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לכל המטופלים על השתתפותם. מחקר זה נתמך על ידי מכון רוקפלר במדעי המוח, הקרן למדע האוטיזם וקרן דנה (כדי S.W.), פרס NSF קריירה (1554105 כדי U.R.), ו-NIH (R01MH110831 וU01NS098961 ל U.R.). לתורמים לא היה כל תפקיד בתכנון לימוד, איסוף נתונים וניתוח, החלטה לפרסם או הכנת כתב היד. אנו מודים לג לי, לאריקה קוואן ולצוות המרכז לסימולציה ארזים-סיני על עזרתם בהפקת סרטון הדגמה.
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).
