JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يوضح هذا البروتوكول كيفيه استخدام نظام إلكتروفيزيولوجي لتحفيز الحلقة المغلقة التي تسببها أنماط نشاط الخلايا العصبية. كما يتم توفير نموذج التعليمات البرمجية Matlab التي يمكن تعديلها بسهوله لأجهزه التحفيز المختلفة.

Abstract

نظم العصبية حلقه مغلقه استخدام أنماط النشاط العصبية لتحفيز المحفزات ، والتي بدورها تؤثر علي نشاط الدماغ. وهذه النظم المغلقة موجودة بالفعل في التطبيقات السريرية ، وهي أدوات هامه للبحوث الاساسيه في المخ. ومن التطورات الحديثة المثيرة للاهتمام بشكل خاص دمج نهج الحلقات المغلقة مع optogenetics ، بحيث يمكن للأنماط المحددة للنشاط العصبي ان تؤدي إلى تحفيز بصري لمجموعات عصبيه مختاره. ومع ذلك ، قد يكون من الصعب إنشاء نظام إلكتروفيزيولوجي لتجارب الحلقات المغلقة. هنا ، يتم توفير رمز Matlab جاهزه للتطبيق لأثاره المحفزات علي أساس نشاط واحد أو الخلايا العصبية المتعددة. يمكن تعديل نموذج التعليمه البرمجية هذا بسهوله استنادا إلى الاحتياجات الفردية. علي سبيل المثال ، فانه يظهر كيفيه تشغيل محفزات الصوت وكيفيه تغييره لتشغيل جهاز خارجي متصل بمنفذ تسلسلي للكمبيوتر. تم تصميم البروتوكول المعروض للعمل مع نظام تسجيل الخلايا العصبية شعبيه للدراسات الحيوانية (نيوالينيكس). ويتجلى تنفيذ التحفيز حلقه مغلقه في الفئران مستيقظا.

Introduction

والهدف من هذا البروتوكول هو شرح كيفيه تنفيذ التحفيز حلقه مغلقه في التجارب الفسيولوجية العصبية. الاعداد النموذجي للتجارب حلقه مغلقه في علوم الأعصاب ينطوي علي أثاره المحفزات استنادا إلى قراءات علي الإنترنت من نشاط الخلايا العصبية. هذا ، بدوره ، يسبب التعديلات في نشاط الدماغ ، التالي إغلاق حلقه التغذية المرتدة1،2. هذه التجارب حلقه مغلقه توفر فوائد متعددة علي الاجهزه القياسية حلقه مفتوحة ، وخاصه عندما يقترن optogenetics ، الذي يسمح للباحثين لاستهداف مجموعه فرعيه معينه من الخلايا العصبية. علي سبيل المثال ، استخدم سيج وويلسون التلاعبات حلقه مغلقه لدراسة دور التذبذبات ثيتا في معالجه المعلومات3. اظهروا ان تحفيز الخلايا العصبية هيبوكامبال علي المرحلة المتساقطة من التذبذب ثيتا له تاثيرات مختلفه علي السلوك من تطبيق نفس التحفيز علي المرحلة الصاعدة. كما أصبحت التجارب المغلقة ذات اهميه متزايدة في الدراسات قبل السريرية. علي سبيل المثال, وقد أظهرت دراسات الصرع متعددة ان تحفيز الخلايا العصبية الناجمة عن بداية المضبوطات هو نهج فعال للحد من شده المضبوطات4,5,6. وعلاوة علي ذلك ، أظهرت نظم الكشف الألى عن المضبوطات وتسليم الوحدة للعلاج7،8 فوائد كبيره في مرضي الصرع9،10،11،12. مجال تطبيق آخر مع التقدم السريع من منهجيات حلقه مغلقه هو السيطرة علي الأطراف العصبية مع الدماغ القشرية-واجات الجهاز. وذلك لان توفير التغذية المرتدة لحظيه لمستخدمي الاجهزه التعويضية يحسن بشكل كبير من الدقة والقدرة13.

في السنوات الاخيره ، وقد وضعت عده مختبرات نظم مخصصه للتسجيل الكهربائي في وقت واحد من نشاط الخلايا العصبية وتسليم المحفزات في نظام مغلق حلقه14،15،16،17،18. علي الرغم من ان العديد من هذه الاجهزه لها خصائص مثيره للإعجاب ، فانه ليس من السهل دائما لتنفيذها في مختبرات أخرى. وذلك لان الانظمه غالبا ما تطلب من الفنيين ذوي الخبرة لتجميع الكترونيات المطلوبة وغيرها من مكونات الاجهزه والبرمجيات الضرورية.

ولذلك ، من أجل تسهيل اعتماد التجارب حلقه مغلقه في بحوث علوم الأعصاب ، وتوفر هذه الورقة بروتوكول ورمز matlab لتحويل حلقه مفتوحة الكهربائية تسجيل الاعداد19،20،21،22 في حلقه مغلقه نظام2،6،23. تم تصميم هذا البروتوكول للعمل مع الاجهزه الرقمية لينكس تسجيل ، وهو نظام مختبر شعبيه لتسجيلات السكان العصبية. وتتالف التجربة النموذجية مما يلي: 1) تسجيل 5-20 دقيقه من البيانات الشائكة; 2) الفرز سبايك لإنشاء قوالب الخلايا العصبية ؛ 3) استخدام هذه القوالب لأداء الكشف عن أنماط النشاط العصبي علي الإنترنت ؛ و 4) تحريك التحفيز أو الاحداث التجريبية عندما يتم الكشف عن الأنماط المحددة من قبل المستخدم.

Protocol

وقد أجريت جميع الإجراءات الموصوفة هنا ببموجب بروتوكول للبحوث الحيوانية وافقت عليه لجنه رعاية الماشية التابعة لجامعه ليثبريدج.

1-الجراحة

ملاحظه: وقد عرضت إجراءات الجراحة المستخدمة لزرع تحقيقات للتسجيلات الفسيولوجية العصبية في منشورات أخرى24،25،26. التفاصيل الدقيقة للجراحة لتحفيز حلقه مغلقه تعتمد علي نوع من التحقيقات تسجيل المستخدمة ومناطق الدماغ المستهدفة. ولكن في معظم الحالات ، ستتكون الجراحة النموذجية من الخطوات التالية.

  1. إحضار إلى غرفه الجراحة قفص مع الفئران ليتم زرعها مع مسبار سيليكون أو مصفوفة القطب لتسجيل النشاط العصبية.
  2. تخدير القوارض مع 2-2.5 ٪ ايزوفلواني وإصلاح الراس في اطار فراغي. تاكد من ان الحيوانية فاقده الوعي خلال عمليه جراحيه من خلال مراقبه اي رد فعل حركيه لمحفزات اللمس خفيفه25.
  3. ضع مرهم العين للتقليل من الجفاف اثناء الجراحة.
  4. حلق المنطقة الجراحية وتطهير الجلد مع 2 ٪ محلول الكلوركهيكدين و 70 ٪ ايزوبروبيل الكحول.
  5. حقن ليدوكائين (5 مغ/كغ) تحت فروه الراس فوق منطقه الدماغ حيث سيتم زرع الأقطاب الكهربائية.
  6. اجراء شق من فروه الراس علي منطقه زرع في المستقبل ، واستخدام مشرط ومسحه من القطن لمسح السمحم من الجمجمة المعرضة25.
  7. حفر 4-8 ثقوب في الجمجمة لغرس مسامير مرساه (~ 0.5 مم) والدعم الهيكلي للزرع25. نعلق مسامير علي الجمجمة عن طريق ادراجها في الثقوب والتاكد من انها عقدت بحزم في مكانها.
  8. حفر بضع القحف في الإحداثيات المحددة ، وأقحم المجهرية/المسبار زرع.
    ملاحظه: البروتوكول الموصوف لتحفيز الحلقة المغلقة سيعمل لأي منطقه الدماغ التي يتم ادراج الأقطاب الكهربائية.
  9. إصلاح microdrive/المسبار وأي موصل الكهربائية المطلوبة الموصل إلى الجمجمة باستخدام الأكريليك الأسنان. يجب ان يكون مقدار الأكريليك الأسنان كافيه لنعلق بحزم الزرع ، ولكن لا ينبغي ان تاتي في اتصال مع الانسجه الرخوة المحيطة25.
  10. بعد الجراحة ، تراقب عن كثب الحيوانية حتى انها استعادت الوعي الكافي للحفاظ علي الركود العقدي25. النسبة للأيام الثلاثة اللاحقة ، يمكنك أداره جلد مسكن (مثلا ، الملغم ، 1 مغ/كغ) ، ومضاد حيوي للوقاية من العدوى (مثل الانروفلوكساسين ، 10 ملغم/كغ).
    ملاحظه: عاده ما تترك الحيوانية للتعافي من الجراحة لمده أسبوع واحد قبل اي اختبار أو تسجيل.

2-تركيب البرمجيات

ملاحظه: تم اختبار هذا علي Windows 10 ، 64 إصدار بت.

  1. تثبيت برامج الحصول علي البيانات ومعالجتها.
    1. تثبيت نظام الحصول علي البيانات الفهد 6.4 (https://neuralynx.com/software/category/sw-acquisition-control) ، الذي يتضمن المكتبات للتفاعل مع نظام الاستحواذ الفهد.
    2. تثبيت SpikeSort3D (https://neuralynx.com/software/spikesort-3d) أو اي برنامج آخر يستخدم كلوستكويك27 للفرز سبايك. يستخدم برنامج الكشف عبر الإنترنت تعريفات الكتلة من مشغل كلوستكويك. قد يعمل هذا البرنامج علي نفس الكمبيوتر ، أو قد يعمل علي أجهزه كمبيوتر منفصلة موجودة علي نفس الشبكة.
    3. تثبيت NetComDevelopmentPackage (https://github.com/leomol/cheetah-interface/blob/master/NetComDevelopmentPackage_v3.1.0) ، التي يمكن تحميلها أيضا من https://neuralynx.com/software/netcom-development-package.
  2. تثبيت Matlab (https://www.mathworks.com/downloads/؛ تم اختبار التعليمات البرمجية علي Matlab الإصدار R2018a). تاكد من تمكين Matlab في جدار حماية Windows. عاده ما ستظهر نافذه منبثقة اثناء الاتصال الأول.
    1. قم بتسجيل الدخول إلى حساب Matlab. اختر الترخيص. اختر الإصدار. اختر نظام التشغيل.
  3. قم بتنزيل المكتبة التالية لاحداث الحدث عبر الإنترنت من: https://github.com/leomol/cheetah-interface واستخراج الملفات إلى مجلد "المستندات/Matlab" الخاص بالكمبيوتر. يتم توفير نسخه من الرمز في المواد التكميليةالمصاحبة.

3-الحصول علي البيانات الاوليه

  1. بدء الحصول علي البيانات باستخدام برنامج الفهد.
  2. سجل بضع دقائق من البيانات الشائكة لملء نماذج الموجات الموجية.
  3. إيقاف الحصول علي البيانات واجراء الفرز الارتفاع علي البيانات المسجلة.
    1. فتح SpikeSort3D ، انقر فوق ملف | قائمه طعام | تحميل ملف سبايك، وحدد ملف سبايك من المجلد مع البيانات المسجلة.
    2. انقر فوق القائمة الكتلة ثم تلقائيا باستخدام كلوستكويك، ترك الإعدادات الافتراضية ثم انقر فوق تشغيل.

4-تجربه الحلقة المغلقة

  1. استئناف الحصول علي البيانات في الفهد.
  2. افتح ماتلاب.
    1. فتح Closedloop. m وانقر علي تشغيل. بدلا من ذلك ، في اطار الأوامر Matlab تنفيذ ClosedLoop (). تاكد من ان ClosedLoop. m علي مسار Matlab. إذا كان المستخدم يريد استخدام داله مخصصه للاتصال علي كل مشغل ، تنفيذ ClosedLoop ('-رد الاتصال ' ، customFunction) بدلا من ذلك ، حيث customFunction هو مؤشر إلى تلك الدالة.
    2. تحميل المعلومات سبايك المحددة علي التسجيل الاولي عن طريق النقر علي تحميل، والاستعراض إلى مجلد التسجيل ، واختيار واحد من ملفات البيانات ارتفاع (. تي تي ،. nse).
    3. حدد واحد أو الخلايا العصبية المتعددة التي من شانها ان تحفز التحفيز عن طريق النقر علي مربع الاختيار تحت الموجي المرسومة.
    4. تحديد الحد الأدنى لعدد من الخلايا العصبية التي من شانها ان تؤدي إلى تحفيز عن طريق كتابه رقما صحيحا في مربع النص "المباراات دقيقه" ; وتحديد الإطار الزمني الذي المسامير مطابقه الموجات الموجية المختلفة تعتبر المشتركة النشطة عن طريق كتابه رقم في مربع النص "نافذه".
    5. انقر فوق إرسال للبدء. وهذا سوف تبدا علي الإنترنت اثار الاحداث (نغمات كافتراضي) استنادا إلى النشاط ارتفاع من الخلايا العصبية المختارة.

النتائج

فيشر براون النرويج الفئران التي ولدت وترعرعت في الموقع وتعود إلى التعامل معها لمده أسبوعين قبل التجربة. تم زرع محرك التسجيل جراحيا ، علي غرار الأساليب الموصوفة سابقا28،29،30،31،32،33

Discussion

البروتوكول الموصوف هنا ، يوضح كيفيه استخدام نظام تسجيل نيوروفيسيولوجي قياسي لاجراء تنشيط الحلقة المغلقة. هذا البروتوكول يسمح أعصاب مع خبره محدوده في علوم الكمبيوتر لتنفيذ سريع مجموعه متنوعة من التجارب حلقه مغلقه مع القليل من التكلفة. وغالبا ما تكون هذه التجارب ضرورية لدراسة التفاعلات ا?...

Disclosures

ولا يوجد لدي المؤلفين اي تضارب في المصالح يتعلق بهذا العمل.

Acknowledgements

تم دعم هذا العمل من قبل NSERC المنح ديسكفري لل و AG.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
BaytrilBayer, Mississauga, CADIN 02169428antibiotic; 50 mg/mL
Cheetah 6.4NeuraLynx, Tucson, AZ6.4.0.betaSoftware interfaces for data acquisition 
Digital Lynx 4SXNeuraLynx, Tucson, AZ4SXrecording equipment
Headstage transmitterTBSIB10-3163-GKtransmits the neural signal to the receiver
IsofluraneFresenius Kabi, Toronto, CADIN 02237518inhalation anesthetic
Jet Denture Powder & LiqudLang Dental, Wheeling, US1230dental acrylic
Lacri-LubeAllergan, Markham, CADIN 00210889eye ointment
Lido-2Rafter 8, CalgaryDIN 00654639local anesthetic; 20 mg/mL
MatlabMathworksR2018bsoftware for signal processing and triggering external events
MetacamBoehringer, Ingelheim, DEDIN 02240463analgesic; 5 mg/mL
NetcomNeuraLynxv1Application Programming Interface (API) that communicates with Cheetah
Silicone probeCambridge NeurotechASSY-156-DBC2implanted device
SpikeSort 3D NeuraLynx, Tucson, AZSS3Dspike waveform-to-cell classification tools
Wireless Radio ReceiverTBSI911-1062-00transmits the neural signal to the Digital Lynx

References

  1. Grosenick, L., Marshel, J. H., Deisseroth, K. Closed-loop and activity-guided optogenetic control. Neuron. 86 (1), 106-139 (2015).
  2. Armstrong, C., Krook-Magnuson, E., Oijala, M., Soltesz, I. Closed-loop optogenetic intervention in mice. Nature Protocols. 8 (8), 1475-1493 (2013).
  3. Siegle, J. H., Wilson, M. A. Enhancement of encoding and retrieval functions through theta phase-specific manipulation of hippocampus. Elife. 3, 03061 (2014).
  4. Paz, J. T., et al. Closed-loop optogenetic control of thalamus as a tool for interrupting seizures after cortical injury. Nature neuroscience. 16 (1), 64-70 (2013).
  5. Krook-Magnuson, E., Armstrong, C., Oijala, M., Soltesz, I. On-demand optogenetic control of spontaneous seizures in temporal lobe epilepsy. Nature Communications. 4, 1376 (2013).
  6. Berényi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzsáki, G. Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation. Science. 337 (6095), 735-737 (2012).
  7. Peters, T. E., Bhavaraju, N. C., Frei, M. G., Osorio, I. Network system for automated seizure detection and contingent delivery of therapy. Journal of Clinical Neurophysiology. 18 (6), 545-549 (2001).
  8. Fountas, K. N., Smith, J. . Operative Neuromodulation. , 357-362 (2007).
  9. Heck, C. N., et al. Two-year seizure reduction in adults with medically intractable partial onset epilepsy treated with responsive neurostimulation: final results of the RNS System Pivotal trial. Epilepsia. 55 (3), 432-441 (2014).
  10. Osorio, I., et al. Automated seizure abatement in humans using electrical stimulation. Annals of Neurology. 57 (2), 258-268 (2005).
  11. Sun, F. T., Morrell, M. J., Wharen, R. E. Responsive cortical stimulation for the treatment of epilepsy. Neurotherapeutics. 5 (1), 68-74 (2008).
  12. Fountas, K. N., et al. Implantation of a closed-loop stimulation in the management of medically refractory focal epilepsy. Stereotactic and Functional Neurosurgery. 83 (4), 153-158 (2005).
  13. Abbott, A. Neuroprosthetics: In search of the sixth sense. Nature. 442, (2006).
  14. Venkatraman, S., Elkabany, K., Long, J. D., Yao, Y., Carmena, J. M. A system for neural recording and closed-loop intracortical microstimulation in awake rodents. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (1), 15-22 (2009).
  15. Nguyen, T. K. T., et al. Closed-loop optical neural stimulation based on a 32-channel low-noise recording system with online spike sorting. Journal of Neural Engineering. 11 (4), 046005 (2014).
  16. Laxpati, N. G., et al. Real-time in vivo optogenetic neuromodulation and multielectrode electrophysiologic recording with NeuroRighter. Frontiers in Neuroengineering. 7, 40 (2014).
  17. Su, Y., et al. A wireless 32-channel implantable bidirectional brain machine interface. Sensors. 16 (10), 1582 (2016).
  18. Ciliberti, D., Kloosterman, F. Falcon: a highly flexible open-source software for closed-loop neuroscience. Journal of Neural Engineering. 14 (4), 045004 (2017).
  19. Luczak, A., Bartho, P., Harris, K. D. Gating of sensory input by spontaneous cortical activity. The Journal of Neuroscience. 33 (4), 1684-1695 (2013).
  20. Luczak, A., Barthó, P., Harris, K. D. Spontaneous events outline the realm of possible sensory responses in neocortical populations. Neuron. 62 (3), 413-425 (2009).
  21. Schjetnan, A. G., Luczak, A. Recording Large-scale Neuronal Ensembles with Silicon Probes in the Anesthetized Rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
  22. Bermudez Contreras, E. J., et al. Formation and reverberation of sequential neural activity patterns evoked by sensory stimulation are enhanced during cortical desynchronization. Neuron. 79 (3), 555-566 (2013).
  23. Girardeau, G., Benchenane, K., Wiener, S. I., Buzsáki, G., Zugaro, M. B. Selective suppression of hippocampal ripples impairs spatial memory. Nature Neuroscience. 12 (10), 1222-1223 (2009).
  24. Schjetnan, A. G. P., Luczak, A. Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat. Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).
  25. Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. Journal of Visualized Experiments. (61), e3568 (2012).
  26. Sariev, A., et al. Implantation of Chronic Silicon Probes and Recording of Hippocampal Place Cells in an Enriched Treadmill Apparatus. Journal of Visualized Experiments. (128), e56438 (2017).
  27. Harris, K. D., Henze, D. A., Csicsvari, J., Hirase, H., Buzsáki, G. Accuracy of tetrode spike separation as determined by simultaneous intracellular and extracellular measurements. Journal of Neurophysiology. 84 (1), 401-414 (2000).
  28. Jiang, Z., et al. TaiNi: Maximizing research output whilst improving animals' welfare in neurophysiology experiments. Scientific Reports. 7 (1), 8086 (2017).
  29. Gao, Z., et al. A cortico-cerebellar loop for motor planning. Nature. 563 (7729), 113 (2018).
  30. Neumann, A. R., et al. Involvement of fast-spiking cells in ictal sequences during spontaneous seizures in rats with chronic temporal lobe epilepsy. Brain. 140 (9), 2355-2369 (2017).
  31. Gothard, K. M., Skaggs, W. E., Moore, K. M., McNaughton, B. L. Binding of hippocampal CA1 neural activity to multiple reference frames in a landmark-based navigation task. Journal of Neuroscience. 16 (2), 823-835 (1996).
  32. McNaughton, B. L. . Google Patents. , (1999).
  33. Wilber, A. A., et al. Cortical connectivity maps reveal anatomically distinct areas in the parietal cortex of the rat. Frontiers in Neural Circuits. 8, 146 (2015).
  34. Mashhoori, A., Hashemnia, S., McNaughton, B. L., Euston, D. R., Gruber, A. J. Rat anterior cingulate cortex recalls features of remote reward locations after disfavoured reinforcements. Elife. 7, 29793 (2018).
  35. Luczak, A., McNaughton, B. L., Harris, K. D. Packet-based communication in the cortex. Nature Reviews Neuroscience. , (2015).
  36. Luczak, A. . Analysis and Modeling of Coordinated Multi-neuronal Activity. , 163-182 (2015).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

153

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved