ヒトてんかん患者における同時アイトラッキングとシングルニューロン記録
Summary
ヒトにおける同時アイトラッキングを用いて単一ニューロン記録を行う方法について述べた。この方法の有用性を実証し,このアプローチを用いて,視覚検索の標的をコードするヒト中間側頭葉のニューロンを得る方法を示す.
Abstract
難治性てんかん患者からの頭蓋内記録は、活動的な行動中の個々のヒトニューロンの活性を研究するユニークな機会を提供する。行動を定量化するための重要なツールは、視覚的な注意を研究するために不可欠なツールであるアイトラッキングです。しかし、アイトラッキングは侵襲的な電気生理学と同時に使用することは困難であり、その結果、このアプローチはほとんど使用されていません。ここでは、ヒトにおける同時アイトラッキングを用いて単一ニューロン記録を行うための実証済みの実験プロトコルを提示する。システムがどのようにつながっているか、ニューロンや眼球の動きを記録するのに最適な設定について説明します。この方法の有用性を説明するために、この設定によって可能になった結果を要約します。このデータは、メモリガイド付きビジュアル検索タスクでアイトラッキングを使用して、ターゲットニューロンと呼ばれる新しいクラスのニューロンを記述する方法を示しています。最後に、このセットアップの潜在的な問題の重要性と解決策について説明します。我々のプロトコルと結果は、ヒトにおける同時アイトラッキングを伴う単一ニューロン記録が、人間の脳機能を研究する効果的な方法であることを示唆している。これは、動物の神経生理学と人間の認知神経科学の間の重要な欠落リンクを提供します。
Introduction
人間のシングルニューロンの記録は、異常な空間的および時間的分解能1で人間の脳の機能を探索するためのユニークで強力なツールです。最近、単一ニューロンの記録は、人間の認知の中心にある認知プロセスの直接調査を可能にするため、認知神経科学の分野で広く使用されています。これらの記録は、深度電極が一時的に焦点てんかんの疑いのある患者の脳に移植されるてんかん病巣の位置を決定する臨床必要性によって可能である。このセットアップでは、ハイブリッド深度電極の先端から突き出たマイクロワイヤーを使用してシングルニューロン記録を得ることができます(ハイブリッド深度電極の挿入に関与する外科的方法の詳細な説明は、前に提供されていますプロトコル2)とりわけ、この方法は、人間の記憶3、4、感情5、6、および注意7、8を研究するために使用されている。
アイトラッキングは、認知タスク中の視線位置と目の動き(固定とサッカデ)を測定します。ビデオベースのアイトラッカーは、通常、角膜反射と瞳孔の中心を時間の経過とともに追跡する機能として使用します。視線位置は、ほとんどの自然な行動の間に注意の焦点を示すので、アイトラッキングは、視覚的な注意を研究するための重要な方法です10,11,12.アイトラッキングは、健康な個人13および神経集団14、15、16における視覚的注意を研究するために広く使用されている。
シングルニューロンの記録とアイトラッキングの両方が人間で個別に広く使用されていますが、同時に両方を使用する研究はほとんどありません。その結果、人間の脳内のニューロンが目の動きにどのように反応するか、または現在固定された刺激に敏感であるかどうかは、まだほとんど知られていません。これは、同時に単一ニューロン記録を伴うアイトラッキングが標準的なツールとなっているマカクでの研究とは対照的です。眼球運動に対するニューロン反応を直接調べるために、ヒトの単一ニューロン記録とアイトラッキングを組み合わせました。ここでは、このような実験を行うためのプロトコルを説明し、その結果を具体例で説明する。
オブジェクト表現17、18、メモリ3、19の両方におけるヒト中間側頭葉(MTL)の確立された役割にもかかわらず、MTLニューロンが機能として変調されているかどうかはほとんど不明である。行動に関連する目標に対するトップダウンの注意。このようなニューロンを研究することは、目標関連情報がボトムアップの視覚プロセスにどのように影響するかを理解するために重要です。ここでは、ガイド付きビジュアル検索を使用してニューロンを記録しながら、アイトラッキングの有用性を実証し、目標指向行動20、21、22、23を研究するよく知られたパラダイム、24歳,25.この方法を用いて、我々は最近、ターゲットニューロンと呼ばれるニューロンのクラスを説明し、現在出席した刺激が継続的な検索8の目標であるかどうかを示す。以下では、この前の科学的研究を再現するために必要な研究プロトコルを提示する。この例に従って、プロトコルは任意の視覚的な注意タスクを研究するために簡単に調整できることに注意してください。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルでは、同時アイトラッキングを用いて単一ニューロン記録を使用する方法を説明し、この方法を使用してヒトMTLの標的ニューロンを同定する方法を説明した。
セットアップには、タスクを実行するコンピュータ (刺激コンピュータ)、アイ トラッカーを実行するコンピュータ、および取得システムを実行するコンピュータの 3 台が含まれます。3つのシステ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
私たちは、すべての患者さんの参加に感謝します。この研究は、ロックフェラー神経科学研究所、自閉症科学財団、ダナ財団(S.W.)、NSFキャリア賞(1554105~米国)、NIH(R01MH110831およびU01NS098961から米国)によって支援されました。資金提供者は、研究の設計、データ収集と分析、出版の決定、または原稿の準備に役割を持ちはありませんでした。私たちは、ジェームズ・リー、エリカ・クアン、シーダーズ・シナイ・シミュレーション・センターのスタッフに、デモンストレーションビデオの制作に協力してくださったことに感謝します。
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).
