Name: using neuron spiking activity to trigger closed-loop stimuli in neurophysiological experiments
Uploaded: 2019-11-12T11:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using Neuron Spiking Activity to Trigger Closed-Loop Stimuli in Neurophysiological Experiments at JoVE.com

Dit werk werd gesteund door NSERC Discovery Grants aan AL en AG.

Alle hier beschreven procedures werden uitgevoerd onder een dierlijk onderzoeksprotocol goedgekeurd door het dierenwelzijns Comité van de Universiteit van Lethbridge.
1. chirurgie
Opmerking: de chirurgische ingrepen die worden gebruikt voor implantaatsondes voor neurofysiologische opnames zijn gepresenteerd in andere publicaties24,25,26. De precieze details van de operatie v...

<ol>
	<li>Grosenick, L., Marshel, J. H., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Closed-loop+and+activity-guided+optogenetic+control.">Closed-loop and activity-guided optogenetic control.</a> Neuron. 86 (1), 106-139 (2015).</li><li>Armstrong, C., Krook-Magnuson, E., Oijala, M., Soltesz, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Closed-loop+optogenetic+intervention+in+mice.">Closed-loop optogenetic intervention in mice.</a> Nature Protocols. 8 (8), 1475-1493 (2013).</li><li>Siegle, J. H., Wilson, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancement+of+encoding+and+retrieval+functions+through+theta+phase-specific+manipulation+of+hippocampus.">Enhancement of encoding and retrieval functions through theta phase-specific manipulation of hippocampus.</a> Elife. 3, 03061 (2014).</li><li>Paz, J. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Closed-loop+optogenetic+control+of+thalamus+as+a+tool+for+interrupting+seizures+after+cortical+injury.">Closed-loop optogenetic control of thalamus as a tool for interrupting seizures after cortical injury.</a> Nature neuroscience. 16 (1), 64-70 (2013).</li><li>Krook-Magnuson, E., Armstrong, C., Oijala, M., Soltesz, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-demand+optogenetic+control+of+spontaneous+seizures+in+temporal+lobe+epilepsy.">On-demand optogenetic control of spontaneous seizures in temporal lobe epilepsy.</a> Nature Communications. 4, 1376 (2013).</li><li>Ber&#233;nyi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzs&#225;ki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Closed-loop+control+of+epilepsy+by+transcranial+electrical+stimulation.">Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation.</a> Science. 337 (6095), 735-737 (2012).</li><li>Peters, T. E., Bhavaraju, N. C., Frei, M. G., Osorio, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Network+system+for+automated+seizure+detection+and+contingent+delivery+of+therapy.">Network system for automated seizure detection and contingent delivery of therapy.</a> Journal of Clinical Neurophysiology. 18 (6), 545-549 (2001).</li><li>Fountas, K. N., Smith, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Operative Neuromodulation. , 357-362 (2007).</li><li>Heck, C. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-year+seizure+reduction+in+adults+with+medically+intractable+partial+onset+epilepsy+treated+with+responsive+neurostimulation:+final+results+of+the+RNS+System+Pivotal+trial.">Two-year seizure reduction in adults with medically intractable partial onset epilepsy treated with responsive neurostimulation: final results of the RNS System Pivotal trial.</a> Epilepsia. 55 (3), 432-441 (2014).</li><li>Osorio, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+seizure+abatement+in+humans+using+electrical+stimulation.">Automated seizure abatement in humans using electrical stimulation.</a> Annals of Neurology. 57 (2), 258-268 (2005).</li><li>Sun, F. T., Morrell, M. J., Wharen, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Responsive+cortical+stimulation+for+the+treatment+of+epilepsy.">Responsive cortical stimulation for the treatment of epilepsy.</a> Neurotherapeutics. 5 (1), 68-74 (2008).</li><li>Fountas, K. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implantation+of+a+closed-loop+stimulation+in+the+management+of+medically+refractory+focal+epilepsy.">Implantation of a closed-loop stimulation in the management of medically refractory focal epilepsy.</a> Stereotactic and Functional Neurosurgery. 83 (4), 153-158 (2005).</li><li>Abbott, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuroprosthetics:+In+search+of+the+sixth+sense.">Neuroprosthetics: In search of the sixth sense.</a> Nature. 442, (2006).</li><li>Venkatraman, S., Elkabany, K., Long, J. D., Yao, Y., Carmena, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+system+for+neural+recording+and+closed-loop+intracortical+microstimulation+in+awake+rodents.">A system for neural recording and closed-loop intracortical microstimulation in awake rodents.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56 (1), 15-22 (2009).</li><li>Nguyen, T. K. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Closed-loop+optical+neural+stimulation+based+on+a+32-channel+low-noise+recording+system+with+online+spike+sorting.">Closed-loop optical neural stimulation based on a 32-channel low-noise recording system with online spike sorting.</a> Journal of Neural Engineering. 11 (4), 046005 (2014).</li><li>Laxpati, N. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+in+vivo+optogenetic+neuromodulation+and+multielectrode+electrophysiologic+recording+with+NeuroRighter.">Real-time in vivo optogenetic neuromodulation and multielectrode electrophysiologic recording with NeuroRighter.</a> Frontiers in Neuroengineering. 7, 40 (2014).</li><li>Su, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+wireless+32-channel+implantable+bidirectional+brain+machine+interface.">A wireless 32-channel implantable bidirectional brain machine interface.</a> Sensors. 16 (10), 1582 (2016).</li><li>Ciliberti, D., Kloosterman, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Falcon:+a+highly+flexible+open-source+software+for+closed-loop+neuroscience.">Falcon: a highly flexible open-source software for closed-loop neuroscience.</a> Journal of Neural Engineering. 14 (4), 045004 (2017).</li><li>Luczak, A., Bartho, P., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gating+of+sensory+input+by+spontaneous+cortical+activity.">Gating of sensory input by spontaneous cortical activity.</a> The Journal of Neuroscience. 33 (4), 1684-1695 (2013).</li><li>Luczak, A., Barth&#243;, P., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spontaneous+events+outline+the+realm+of+possible+sensory+responses+in+neocortical+populations.">Spontaneous events outline the realm of possible sensory responses in neocortical populations.</a> Neuron. 62 (3), 413-425 (2009).</li><li>Schjetnan, A. G., Luczak, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recording+Large-scale+Neuronal+Ensembles+with+Silicon+Probes+in+the+Anesthetized+Rat.">Recording Large-scale Neuronal Ensembles with Silicon Probes in the Anesthetized Rat.</a> Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).</li><li>Bermudez Contreras, E. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+and+reverberation+of+sequential+neural+activity+patterns+evoked+by+sensory+stimulation+are+enhanced+during+cortical+desynchronization.">Formation and reverberation of sequential neural activity patterns evoked by sensory stimulation are enhanced during cortical desynchronization.</a> Neuron. 79 (3), 555-566 (2013).</li><li>Girardeau, G., Benchenane, K., Wiener, S. I., Buzs&#225;ki, G., Zugaro, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective+suppression+of+hippocampal+ripples+impairs+spatial+memory.">Selective suppression of hippocampal ripples impairs spatial memory.</a> Nature Neuroscience. 12 (10), 1222-1223 (2009).</li><li>Schjetnan, A. G. P., Luczak, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recording+large-scale+neuronal+ensembles+with+silicon+probes+in+the+anesthetized+rat.">Recording large-scale neuronal ensembles with silicon probes in the anesthetized rat.</a> Journal of Visualized Experiments. (56), (2011).</li><li>Vandecasteele, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-scale+recording+of+neurons+by+movable+silicon+probes+in+behaving+rodents.">Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents.</a> Journal of Visualized Experiments. (61), e3568 (2012).</li><li>Sariev, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implantation+of+Chronic+Silicon+Probes+and+Recording+of+Hippocampal+Place+Cells+in+an+Enriched+Treadmill+Apparatus.">Implantation of Chronic Silicon Probes and Recording of Hippocampal Place Cells in an Enriched Treadmill Apparatus.</a> Journal of Visualized Experiments. (128), e56438 (2017).</li><li>Harris, K. D., Henze, D. A., Csicsvari, J., Hirase, H., Buzs&#225;ki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accuracy+of+tetrode+spike+separation+as+determined+by+simultaneous+intracellular+and+extracellular+measurements.">Accuracy of tetrode spike separation as determined by simultaneous intracellular and extracellular measurements.</a> Journal of Neurophysiology. 84 (1), 401-414 (2000).</li><li>Jiang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TaiNi:+Maximizing+research+output+whilst+improving+animals'+welfare+in+neurophysiology+experiments.">TaiNi: Maximizing research output whilst improving animals' welfare in neurophysiology experiments.</a> Scientific Reports. 7 (1), 8086 (2017).</li><li>Gao, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+cortico-cerebellar+loop+for+motor+planning.">A cortico-cerebellar loop for motor planning.</a> Nature. 563 (7729), 113 (2018).</li><li>Neumann, A. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Involvement+of+fast-spiking+cells+in+ictal+sequences+during+spontaneous+seizures+in+rats+with+chronic+temporal+lobe+epilepsy.">Involvement of fast-spiking cells in ictal sequences during spontaneous seizures in rats with chronic temporal lobe epilepsy.</a> Brain. 140 (9), 2355-2369 (2017).</li><li>Gothard, K. M., Skaggs, W. E., Moore, K. M., McNaughton, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Binding+of+hippocampal+CA1+neural+activity+to+multiple+reference+frames+in+a+landmark-based+navigation+task.">Binding of hippocampal CA1 neural activity to multiple reference frames in a landmark-based navigation task.</a> Journal of Neuroscience. 16 (2), 823-835 (1996).</li><li>McNaughton, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Google Patents. , (1999).</li><li>Wilber, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+connectivity+maps+reveal+anatomically+distinct+areas+in+the+parietal+cortex+of+the+rat.">Cortical connectivity maps reveal anatomically distinct areas in the parietal cortex of the rat.</a> Frontiers in Neural Circuits. 8, 146 (2015).</li><li>Mashhoori, A., Hashemnia, S., McNaughton, B. L., Euston, D. R., Gruber, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rat+anterior+cingulate+cortex+recalls+features+of+remote+reward+locations+after+disfavoured+reinforcements.">Rat anterior cingulate cortex recalls features of remote reward locations after disfavoured reinforcements.</a> Elife. 7, 29793 (2018).</li><li>Luczak, A., McNaughton, B. L., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Packet-based+communication+in+the+cortex.">Packet-based communication in the cortex.</a> Nature Reviews Neuroscience. , (2015).</li><li>Luczak, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Analysis and Modeling of Coordinated Multi-neuronal Activity. , 163-182 (2015).</li></ol>

Het protocol dat hier wordt beschreven, laat zien hoe u een standaard neurofysiologisch opnamesysteem gebruikt om een gesloten-loop stimulatie uit te voeren. Dit protocol stelt neurowetenschappers met beperkte expertise in computerwetenschappen in staat om snel een verscheidenheid aan closed-loop experimenten te implementeren met weinig kosten. Dergelijke experimenten zijn vaak nodig om causale interacties in de hersenen te bestuderen.
Na het voorbereiden van een dier en het installeren van de...

Het doel van dit protocol is om te demonstreren hoe de stimulatie van de gesloten lus in neurofysiologische experimenten te implementeren. De typische setup voor gesloten-lus experimenten in neurowetenschappen omvat triggering stimuli op basis van de Online uitlezen van neuronale activiteit. Dit veroorzaakt op zijn beurt wijzigingen in de hersenactiviteit, waardoor de terugkoppelings lus1,2wordtgesloten. Dergelijke closed-loop experimenten bieden meerdere voordelen ten opzichte van standaard open-loop opstellingen, vooral in combinatie met optogenetics, waarmee onderzoekers een specifieke subset van neuronen kunnen targeten. Zo gebruikten Siegle en Wilson closed-loop manipulaties om de rol van theta-oscillaties in informatieverwerking3te bestuderen. Ze toonden aan dat het stimuleren van hippocampal neuronen op de dalende fase van theta-oscillaties verschillende effecten had op het gedrag dan het toepassen van dezelfde stimulatie op de stijgende fase. Ook in preklinische studies worden closed-loop experimenten steeds belangrijker. Bijvoorbeeld, meerdere epilepsie studies hebben aangetoond dat neuronale stimulatie geactiveerd op het begin van een aanval een effectieve benadering is om de ernst van de aanvallen4,5,6te verminderen. Bovendienvertoonden systemen voor automatische epileptische detectie en de voorwaardelijke afgifte van therapie0,7significante voordelen bij epilepsiepatiënten9,10,11,12. Een ander toepassingsgebied met snelle vooruitgang van gesloten-lus methodologieën is de controle van neuro protheses met corticale hersenen – machine-interfaces. Dit is omdat het verstrekken van onmiddellijke feedback aan gebruikers van prothetische apparaten de nauwkeurigheid en capaciteit13aanzienlijk verbetert.
In de afgelopen jaren, verschillende laboratoria hebben aangepaste systemen ontwikkeld voor de gelijktijdige elektrische registratie van neuronale activiteit en levering van stimuli in een gesloten-lus systeem14,15,16,17,18. Hoewel veel van deze opstellingen indrukwekkende kenmerken hebben, is het niet altijd gemakkelijk om ze in andere laboratoria te implementeren. Dit komt doordat de systemen vaak ervaren technici vragen om de vereiste elektronica en andere noodzakelijke hardware-en softwarecomponenten in elkaar te zetten.
Daarom, om de aanneming van closed-loop experimenten in neurowetenschappelijk onderzoek te vergemakkelijken, biedt dit papier een protocol en MATLAB-code om een open-loop elektrofysiologische opname-instelling19,20,21,22 om te zetten in een gesloten-loop systeem2,6,23. Dit protocol is ontworpen om te werken met de digitale lynx Recording Hardware, een populaire laboratoriumsysteem voor neuronale bevolkings opnames. Een typisch experiment bestaat uit de volgende: 1) het opnemen van 5-20 minuten van het stekelige van gegevens; 2) Spike sortering om neuronale templates te maken; 3) met behulp van deze templates om online detectie van neurale activiteit patronen uit te voeren; en 4) triggering stimulatie of experimentele gebeurtenissen wanneer door de gebruiker opgegeven patronen worden gedetecteerd.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Baytril</td>
			<td>Bayer, Mississauga, CA</td>
			<td>DIN 02169428</td>
			<td>antibiotic; 50 mg/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cheetah 6.4</td>
			<td>NeuraLynx, Tucson, AZ</td>
			<td>6.4.0.beta</td>
			<td>Software interfaces for data acquisition&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital Lynx 4SX</td>
			<td>NeuraLynx, Tucson, AZ</td>
			<td>4SX</td>
			<td>recording equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Headstage transmitter</td>
			<td>TBSI</td>
			<td>B10-3163-GK</td>
			<td>transmits the neural signal to the receiver</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>Fresenius Kabi, Toronto, CA</td>
			<td>DIN 02237518</td>
			<td>inhalation anesthetic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Jet Denture Powder &#38; Liqud</td>
			<td>Lang Dental, Wheeling, US</td>
			<td>1230</td>
			<td>dental acrylic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lacri-Lube</td>
			<td>Allergan, Markham, CA</td>
			<td>DIN 00210889</td>
			<td>eye ointment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lido-2</td>
			<td>Rafter 8, Calgary</td>
			<td>DIN 00654639</td>
			<td>local anesthetic; 20 mg/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td>R2018b</td>
			<td>software for signal processing and triggering external events</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metacam</td>
			<td>Boehringer, Ingelheim, DE</td>
			<td>DIN 02240463</td>
			<td>analgesic; 5 mg/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Netcom</td>
			<td>NeuraLynx</td>
			<td>v1</td>
			<td>Application Programming Interface (API) that communicates with Cheetah</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone probe</td>
			<td>Cambridge Neurotech</td>
			<td>ASSY-156-DBC2</td>
			<td>implanted device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SpikeSort 3D&#160;</td>
			<td>NeuraLynx, Tucson, AZ</td>
			<td>SS3D</td>
			<td>spike waveform-to-cell classification tools</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wireless Radio Receiver</td>
			<td>TBSI</td>
			<td>911-1062-00</td>
			<td>transmits the neural signal to the Digital Lynx</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using neuron spiking activity to trigger closed-loop stimuli in neurophysiological experiments

Closed-loop neurofysiologische systemen gebruiken patronen van neuronale activiteit om prikkels te triggeren, wat op zijn beurt de hersenactiviteit beïnvloedt. Dergelijke closed-loop systemen zijn al gevonden in klinische toepassingen, en zijn belangrijke hulpmiddelen voor fundamenteel hersenonderzoek. Een bijzonder interessante recente ontwikkeling is de integratie van closed-loop benaderingen met optogenetica, zodanig dat specifieke patronen van neuronale activiteit optische stimulatie van geselecteerde neuronale groepen kunnen veroorzaken. Het opzetten van een elektrofysiologisch systeem voor closed-loop experimenten kan echter moeilijk zijn. Hier wordt een kant-en-klare MATLAB-code verstrekt voor het triggeren van stimuli op basis van de activiteit van enkelvoudige of meervoudige neuronen. Deze voorbeeldcode kan eenvoudig worden aangepast op basis van individuele behoeften. Het laat bijvoorbeeld zien hoe u geluids prikkels activeert en hoe u deze wijzigt om een extern apparaat te activeren dat is aangesloten op een seriële PC-poort. Het gepresenteerde protocol is ontworpen om te werken met een populair neuronale registratiesysteem voor dierproeven (Neuralynx). De implementatie van de stimulatie van de gesloten kringloop wordt aangetoond bij een wakker rat.

Fisher-Brown Noorwegen ratten geboren en getogen op het terrein werden gewend aan het hanteren van twee weken voorafgaand aan het experiment. Een opname station werd operatief geïmplanteerd, vergelijkbaar met de eerder beschreven methoden28,29,30,31,32,33,34. De neuronale signalen werden op...

Watch this Scientific Journal Video about Using Neuron Spiking Activity to Trigger Closed-Loop Stimuli in Neurophysiological Experiments at JoVE.com

Using Neuron Spiking Activity to Trigger Closed-Loop Stimuli in Neurophysiological Experiments

Dit protocol demonstreert hoe u een elektrofysiologisch systeem gebruikt voor stimulatie met een gesloten kringloop, geactiveerd door neuronale activiteitspatronen. Er is ook een voorbeeld van MATLAB-code beschikbaar die gemakkelijk kan worden aangepast voor verschillende stimulatie apparaten.

Met behulp van neuron spiking activiteit trigger gesloten-lus stimuli in neurofysiologische experimenten

Closed-loop neurophysiological systems use patterns of neuronal activity to trigger stimuli, which in turn affect brain activity. Such closed-loop systems ...

Dit standaard neurofysiologische opnamesysteem kan worden gebruikt om een closed-loop stimulatie uit te voeren die nuttig is voor het bestuderen van causale interacties in de hersenen. Dit protocol maakt het mogelijk neurowetenschappers met slechts beperkte expertise in de informatica om snel een verscheidenheid van closed-loop experimenten met weinig kosten uit te voeren. Closed-loop experimenten zijn steeds belangrijker voor de fundamentele wetenschap en onderzoek.Bijvoorbeeld, meerdere epilepsie studies hebben aangetoond dat neuron stimulatie trigger bij het begin van de aanval is een effectieve aanpak om de ernst van aanvallen te verminderen. Om de adoptie van kringloopexperimenten in neurowetenschappelijk onderzoek te vergemakkelijken, biedt dit protocol MATLAB-code om een open-loop elektrofysiologisch opnamesysteem om te zetten in een gesloten-lussysteem. Deze implementatie van closed-loop stimulatie wordt aangetoond in een wakkere rat.Als u het Cheetah 6.4 Data Acquisition System wilt installeren, opent u de webpagina voor de software met bibliotheken om te communiceren met het Cheetah-aankoopsysteem en installeert u SpikeSort-3D. Installeer het NetCom Development Package. Log in op een MATLAB-account om de juiste licentie, versie en besturingssysteem te selecteren.Download vervolgens de bibliotheek voor het activeren van een online evenement zoals aangegeven en haal de bestanden uit naar de MATLAB-map documenten. Open voor gegevensverwerving de Cheetah-software en neem spiking-gegevens op om de sjabloongolfvormen te vullen. Na een paar minuten stopt u de gegevensverwerving en voert u een SpikeSort uit op de opgenomen gegevens.Open vervolgens SpikeSort3-D en klik op het menu Bestand en laad spike-bestand Om een spike-bestand uit de map met de opgenomen gegevens te selecteren. Klik vervolgens op het clustermenu, autocluster met KlustaKwik en voer deze uit. Als u een kringloopexperiment wilt uitvoeren, hervat u de gegevensverwerving in Cheetah en opent u MATLAB.Open ClosedLoop. M en klik op uitvoeren. U ook gesloten lus uitvoeren in het opdrachtvenster.Blader naar de opnamemap en selecteer een van de spiking-gegevensbestanden om de piekinformatie te laden die in de eerste opname is gedefinieerd. Klik op de juiste selectievakjes onder de uitgezet golfvormen om een of meerdere neuronen te selecteren die stimulatie zullen activeren. Definieer het minimumaantal neuronen dat stimulatie zal activeren door een geheel getal in het tekstvak min-overeenkomsten in te voeren en definieer het tijdvenster waarin de pieken die overeenkomen met de verschillende golfvormen als coactief worden beschouwd door een getal in het tekstvak van het venster in te voeren.Klik vervolgens op verzenden om te beginnen met het online activeren van gebeurtenissen op basis van de stekelactiviteit van de geselecteerde neuronen. In dit representatieve experiment rustte de rat op een bloempot die tijdens pauzes in de gedragsexperimenten een vertrouwde rustplaats was. Hier kan een representatieve gelijktijdige werking van de opnamesoftware en het MATLAB-programma worden waargenomen die in realtime verworven spikegolfvormen weergeeft.Wanneer pieken van vooraf gedefinieerde triggeringclusters worden gedetecteerd, worden de golfvormen weergegeven met een opvallende streepjeslijn in het MATLAB-cijfervenster dat een toon activeert en een gesloten-lussysteem biedt. In deze figuur wordt een representatief histogram weergegeven dat de vertragingen illustreert tussen het genereren van een kunstmatige piek en het tijdstip van het opwekken van een geactiveerd signaal. Na het voorbereiden van een dier en het installeren van de software, bestaat het closed-loop experiment uit twee hoofdfasen, de initiële gegevensverwerving en de closed-loop stimulatie waarbij spikes externe stimuli activeren.Dit protocol maakt het ook mogelijk de behandeling van een stimuli op basis van de activiteit van meerdere neuronen die belangrijk is voor het aanpakken van vragen over informatieverwerking in de hersenen. De voordelen van deze MATLAB-oplossing zijn de lage kosten en flexibiliteit bij het definiëren van de activiteitspatronen om stimuli te activeren die kunnen helpen bij het onderzoeken van een verscheidenheid aan neurowetenschappelijke vragen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

An Experimental Platform to Study the Closed-loop Performance of Brain-machine Interfaces

Een experimenteel platform op de Closed-loop prestaties van Brain-machine-interfaces Study

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine ...

Multi-unit Recording Methods to Characterize Neural Activity in the Locust (Schistocerca Americana) Olfactory Circuits

Multi-unit Recording Methods to Characterize Neural Activity in the Locust Schistocerca Americana Olfactory Circuits

Multi-unit Opname Methoden om neurale activiteit karakteriseren in de Locust (<em&gt; Schistocerca Americana</em&gt;) Olfactorische Circuits

Detection and interpretation of olfactory cues are critical for the survival  of many organisms. Remarkably, species across phyla have strikingly similar ...

The Neuromuscular Junction: Measuring Synapse Size, Fragmentation and Changes in Synaptic Protein Density Using Confocal Fluorescence Microscopy

De neuromusculaire junctie: Meten Synapse Maat, Fragmentatie en Veranderingen in Synaptic Protein dichtheid met behulp van confocale fluorescentie microscopie

The neuromuscular junction (NMJ) is the large, cholinergic relay synapse through which mammalian motor neurons control voluntary muscle contraction. ...

Real-time Electrophysiology: Using Closed-loop Protocols to Probe Neuronal Dynamics and Beyond

Real-time Electrofysiologie: Met behulp van Closed-loop protocollen bij Probe Neuronale Dynamics and Beyond

Experimental neuroscience is witnessing an increased interest in the development and application of novel and often complex, closed-loop protocols, where ...

Closed-loop Neuro-robotic Experiments to Test Computational Properties of Neuronal Networks

Closed-loop Neuro-robot Experimenten om Test computationele eigenschappen van neuronale netwerken

Information coding in the Central Nervous System (CNS) remains unexplored. There is mounting evidence that, even at a very low level, the representation ...

Immunohistochemical Visualization of Hippocampal Neuron Activity After Spatial Learning in a Mouse Model of Neurodevelopmental Disorders

Immunohistochemische Visualisatie van hippocampus Neuron activiteit na Ruimtelijke Leren in een muismodel van Neurodevelopmental Disorders

Induction of phosphorylated extracellular-regulated kinase (pERK) is a reliable molecular readout of learning-dependent neuronal activation. Here, we ...

Using Single Sensillum Recording to Detect Olfactory Neuron Responses of Bed Bugs to Semiochemicals

Met behulp van Single sensillum Opnemen op Olfactorische Neuron Reacties van bedwantsen te semiochemicaliën Detect

The insect olfactory system plays an important role in detecting semiochemicals in the environment. In particular, the antennal sensilla which house ...

Neuron-Macrophage Co-cultures to Activate Macrophages Secreting Molecular Factors with Neurite Outgrowth Activity

Neuron-Macrophage co culturen te activeren van macrofagen afscheidende moleculaire factoren met Neurite uitgroei activiteit

There is strong evidence that macrophages can participate in the regeneration or repair of injured nervous system. Here, we describe a protocol in which ...

Semi-Quantitative Determination of Dopaminergic Neuron Density in the Substantia Nigra of Rodent Models using Automated Image Analysis

Semi-kwantitatieve bepaling van dopaminerge neurondichtheid in de substantia Nigra van knaagdiermodellen met behulp van geautomatiseerde beeldanalyse

Estimation of the number of dopaminergic neurons in the substantia nigra is a key method in pre-clinical Parkinson's disease research. Currently, unbiased ...

In vivo Calcium Imaging of Mouse Geniculate Ganglion Neuron Responses to Taste Stimuli

In vivo calciumbeeldvorming van muis geniculate ganglion neuron reacties op smaakprikkels

Within the last ten years, advances in genetically encoded calcium indicators (GECIs) have promoted a revolution in in vivo functional imaging. Using ...