Monitoramento simultâneo de olho e single-Neuron gravações em pacientes com epilepsia humana
Summary
Nós descrevemos um método para conduzir gravações do único-Neuron com seguimento simultâneo do olho nos seres humanos. Nós demonstramos a utilidade deste método e ilustramos como nós usamos esta aproximação para obter os neurônios no lóbulo temporal medial humano que codificam alvos de uma busca visual.
Abstract
As gravações intracranial dos pacientes com epilepsia intratável fornecem uma oportunidade original de estudar a atividade de neurônios humanos individuais durante o comportamento ativo. Uma ferramenta importante para quantificar o comportamento é o rastreamento ocular, que é uma ferramenta indispensável para o estudo da atenção Visual. No entanto, o rastreamento ocular é desafiador para uso simultâneo com eletrofisiologia invasiva e essa abordagem tem sido pouco utilizada. Aqui, nós apresentamos um protocolo experimental provado para conduzir gravações do único-Neuron com seguimento simultâneo do olho nos seres humanos. Nós descrevemos como os sistemas são conectados e as configurações ideais para gravar neurônios e movimentos oculares. Para ilustrar a utilidade deste método, nós Resumimos os resultados que foram tornada possíveis por esta instalação. Esses dados mostram como usar o rastreamento ocular em uma tarefa de pesquisa Visual guiada por memória nos permitiu descrever uma nova classe de neurônios chamados neurônios-alvo, cuja resposta era reflexiva da atenção de cima para baixo para o alvo de pesquisa atual. Por fim, discutimos o significado e as soluções para possíveis problemas dessa configuração. Junto, nosso protocolo e resultados sugerem que as gravações do único-Neuron com seguimento simultâneo do olho nos seres humanos sejam um método eficaz para estudar a função humana do cérebro. Fornece uma ligação faltante chave entre a neurofisiologia animal e a neurociência cognitiva humana.
Introduction
As gravações humanas do único-Neuron são uma ferramenta original e poderosa para explorar a função do cérebro humano com a definição espacial e temporal extraordinária1. Recentemente, as gravações do único-Neuron ganharam o uso largo no campo da neurociência cognitiva porque permitem a investigação direta de processos cognitivos centrais à cognição humana. Estas gravações são tornadas possíveis pela necessidade clínica de determinar a posição de focos epileptic, para que os elétrodos da profundidade estão implantados temporariamente nos cérebros dos pacientes com epilepsia focal suspeitada. Com esta configuração, as gravações do único-Neuron podem ser obtidas usando os ferromagnéticos que projetam-se da ponta do elétrodo híbrido da profundidade (uma descrição detalhada da metodologia cirúrgica envolvida na inserção de elétrodos híbridos da profundidade é fornecida no precedente protocolo2). Entre outros, esse método tem sido utilizado para o estudo da memória humana3,4, emoção5,6e atenção7,8.
As medidas de seguimento do olho olham a posição e os movimentos de olho (fixações e saccades) durante tarefas cognitivas. Rastreadores de olho baseados em vídeo normalmente usam a reflexão corneana e o centro da pupila como características para rastrear ao longo do tempo9. O rastreamento ocular é um método importante para estudar a atenção Visual, pois a localização do olhar indica o foco da atenção durante a maioria dos comportamentos naturais10,11,12. O rastreamento ocular tem sido amplamente utilizado para estudar a atenção Visual em indivíduos saudáveis13 e populações neurológicas14,15,16.
Quando ambas as gravações do único-Neuron e o seguimento do olho forem usados individualmente extensivamente nos seres humanos, poucos estudos usaram simultaneamente. Como resultado, ele ainda permanece em grande parte desconhecido como os neurônios no cérebro humano respondem aos movimentos oculares e/ou se eles são sensíveis ao estímulo atualmente fixado. Isto é em contraste com estudos com macaques, onde o olho-seguimento com gravações simultâneas do único-Neuron transformou-se uma ferramenta padrão. A fim investigar diretamente a resposta neuronal aos movimentos de olho, nós combinamos as gravações humanas do único-Neuron e o seguimento do olho. Aqui nós descrevemos o protocolo para conduzir tais experimentos e, em seguida, ilustrar os resultados através de um exemplo concreto.
Apesar do papel estabelecido do lóbulo temporal medial humano (MTL) na respresentação de objeto17,18 e na memória3,19, remanesce pela maior parte desconhecido se os neurônios de MTL são modulados em função de atenção de cima para baixo para objetivos relevantes comportamentais. Estudar esses neurônios é importante para começar a entender como as informações relevantes para o objetivo influenciam os processos visuais de baixo para cima. Aqui, demonstramos a utilidade do rastreamento ocular durante a gravação de neurônios usando a pesquisa Visual guiada, um paradigma bem conhecido para estudar o comportamento direcionado para o objetivo20,21,22,23, 24 de cada , 25. using este método, nós descrevemos recentemente uma classe dos neurônios chamados neurônios do alvo, que sinaliza se o estímulo atualmente atendido é o objetivo de uma busca em curso8. No abaixo, apresentamos o protocolo de estudo necessário para reproduzir este estudo científico anterior. Observe que, ao longo deste exemplo, o protocolo pode ser facilmente ajustado para estudar uma tarefa de atenção Visual arbitrária.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste protocolo, nós descrevemos como empregar gravações do único-neurônio com seguimento simultâneo do olho e descrevemos como nós usamos este método para identificar neurônios do alvo no MTL humano.
A instalação envolve três computadores: um executando a tarefa (computador do estímulo), um que executa o perseguidor do olho, e um que executa o sistema da aquisição. Para sincronizar entre os três sistemas, a porta paralela é usada para enviar gatilhos TTL do computador de est?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a todos os pacientes por sua participação. Esta pesquisa foi apoiada pelo Instituto de neurociência Rockefeller, a Fundação de ciência do autismo e da Fundação Dana (para SW), um prêmio NSF CAREER (1554105 para U.R.), e o NIH (R01MH110831 e U01NS098961 para U.R.). Os financiadores não tiveram papel no desenho do estudo, coleta e análise de dados, decisão de publicar ou preparação do manuscrito. Agradecemos a James Lee, Erika Quan, e a equipe do centro de simulação Cedars-Sinai por sua ajuda na produção do vídeo de demonstração.
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).
