Name: using neuron spiking activity to trigger closed-loop stimuli in neurophysiological experiments
Uploaded: 2019-11-12T11:00:00
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Diese Arbeit wurde durch NSERC Discovery-Stipendien an AL und AG unterstützt.

Alle hier beschriebenen Verfahren wurden im Rahmen eines Tierforschungsprotokolls durchgeführt, das vom Tierschutzausschuss der Universität Lethbridge genehmigt wurde.
1. Chirurgie
HINWEIS: Die chirurgischen Verfahren zur Implantation von Sonden für neurophysiologische Aufzeichnungen wurden in anderen Publikationen24,25,26vorgestellt. Die genauen Details der Operation zur ...

<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>

Das hier beschriebene Protokoll zeigt, wie ein standardneurophysiologisches Aufzeichnungssystem verwendet wird, um eine geschlossene Stimulation durchzuführen. Dieses Protokoll ermöglicht es Neurowissenschaftlern mit begrenztem Fachwissen in der Informatik, schnell eine Vielzahl von geschlossenen Experimenten mit geringen Kosten durchzuführen. Solche Experimente sind oft notwendig, um kausale Wechselwirkungen im Gehirn zu untersuchen.
Nach der Vorbereitung eines Tieres und der Installation ...

Ziel dieses Protokolls ist es, zu zeigen, wie in neurophysiologischen Experimenten eine geschlossene Stimulation implementiert wird. Das typische Setup für Closed-Loop-Experimente in der Neurowissenschaft beinhaltet das Auslösen von Reizen basierend auf der Online-Auslesung neuronaler Aktivität. Dies wiederum bewirkt Veränderungen in der Hirnaktivität und schließt so die Rückkopplungsschleife1,2. Solche Closed-Loop-Experimente bieten mehrere Vorteile gegenüber Standard-Open-Loop-Setups, insbesondere in Kombination mit Optogenetik, die es Forschern ermöglicht, eine bestimmte Teilmenge von Neuronen anzusprechen. Siegle und Wilson verwendeten beispielsweise geschlossene Schleifenmanipulationen, um die Rolle der Theta-Oszillationen in der Informationsverarbeitung zu untersuchen3. Sie zeigten, dass die Stimulierung von Hippocampus-Neuronen in der fallende Phase der Theta-Oszillationen andere Auswirkungen auf das Verhalten hatte als die Anwendung der gleichen Stimulation auf die aufsteigende Phase. Auch in präklinischen Studien werden geschlossene Experimente immer wichtiger. Zum Beispiel haben mehrere Epilepsie-Studien gezeigt, dass neuronale Stimulation ausgelöst bei Anfall-Beginn ist ein effektiver Ansatz, um die Schwere der Anfälle zu reduzieren4,5,6. Darüber hinaus zeigten Systeme zur automatisierten Anfallserkennung und die bedingte Durchführung der Therapie7,8 signifikante Vorteile bei Epilepsiepatienten9,10,11,12. Ein weiterer Anwendungsbereich mit der schnellen Weiterentwicklung von Closed-Loop-Methoden ist die Steuerung der Neuroprothetik mit kortikalen Gehirn-Maschine-Schnittstellen. Dies liegt daran, dass die sofortige Rückmeldung an Benutzer von Prothesen deutlich verbessert Genauigkeit und Fähigkeit13.
In den letzten Jahren haben mehrere Labore kundenspezifische Systeme für die gleichzeitige elektrische Aufzeichnung der neuronalen Aktivität und die Abgabe von Reizen in einem geschlossenen Kreislaufsystem14,15,16,17,18entwickelt. Obwohl viele dieser Setups beeindruckende Eigenschaften aufweisen, ist es nicht immer einfach, sie in anderen Labors zu implementieren. Dies liegt daran, dass die Systeme oft erfahrene Techniker benötigen, um die benötigte Elektronik und andere notwendige Hardware- und Softwarekomponenten zu montieren.
Um die Annahme von geschlossenen Experimenten in der neurowissenschaftlichen Forschung zu erleichtern, bietet dieses Papier daher ein Protokoll und Matlab-Code, um ein open-loop elektrophysiologisches Aufzeichnungs-Setup19,20,21,22 in ein Closed-Loop-System2,6,23umzuwandeln. Dieses Protokoll wurde entwickelt, um mit der Digital Lynx Aufnahmehardware zu arbeiten, einem beliebten Laborsystem für neuronale Bevölkerungsaufzeichnungen. Ein typisches Experiment besteht aus den folgenden: 1) Aufzeichnung von 5-20 Minuten Spiking-Daten; 2) Spike-Sortierung, um neuronale Vorlagen zu erstellen; 3) Verwendung dieser Vorlagen zur Online-Erkennung von neuronalen Aktivitätsmustern; und 4) Auslösen von Stimulations- oder experimentellen Ereignissen, wenn benutzerspezifische Muster erkannt werden.

<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

Geschlossene neurophysiologische Systeme verwenden Muster neuronaler Aktivität, um Reize auszulösen, die wiederum die Gehirnaktivität beeinflussen. Solche Closed-Loop-Systeme sind bereits in klinischen Anwendungen zu finden und sind wichtige Werkzeuge für die grundlegende Hirnforschung. Eine besonders interessante jüngste Entwicklung ist die Integration von Closed-Loop-Ansätzen mit der Optogenetik, so dass spezifische Muster neuronaler Aktivität eine optische Stimulation ausgewählter neuronaler Gruppen auslösen können. Die Einrichtung eines elektrophysiologischen Systems für geschlossene Experimente kann jedoch schwierig sein. Hier wird ein gebrauchsfertiger Matlab-Code zur Auslösung von Reizen bereitgestellt, die auf der Aktivität einzelner oder mehrerer Neuronen basieren. Dieser Beispielcode kann leicht auf der Grundlage individueller Bedürfnisse geändert werden. Zum Beispiel zeigt es, wie Man Soundreize auslöst und wie man es ändert, um ein externes Gerät auszulösen, das an einen seriellen PC-Anschluss angeschlossen ist. Das vorgestellte Protokoll soll mit einem beliebten neuronalen Aufzeichnungssystem für Tierstudien (Neuralynx) arbeiten. Die Umsetzung der Closed-Loop-Stimulation wird in einer wachen Ratte demonstriert.

Fisher-Brown Norwegen Ratten geboren und aufgewachsen vor Ort wurden für den Umgang für zwei Wochen vor dem Experiment gewöhnt. Ein Aufnahmelaufwerk wurde chirurgisch implantiert, ähnlich wie zuvorbeschriebeneMethoden 28,29,30,31,32,33,34. Die neuronalen Signale wurden bei 32 kHz mit ein...

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

Dieses Protokoll zeigt, wie ein elektrophysiologisches System zur geschlossenen Stimulation verwendet wird, das durch neuronale Aktivitätsmuster ausgelöst wird. Beispiel-Matlab-Code, der leicht für verschiedene Stimulationsgeräte geändert werden kann, wird ebenfalls bereitgestellt.

Verwenden von Neuron Spiking Activity zum Auslösen von Closed-Loop Stimuli in neurophysiologischen Experimenten

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

Dieses standard neurophysiologische Aufzeichnungssystem kann verwendet werden, um eine geschlossene Stimulation durchzuführen, die für die Untersuchung kausaler Wechselwirkungen im Gehirn nützlich ist. Dieses Protokoll ermöglicht es Neurowissenschaftlern mit nur begrenztem Fachwissen in der Informatik, schnell eine Vielzahl von geschlossenen Experimenten mit geringen Kosten durchzuführen. Geschlossene Experimente werden für die Grundlagenforschung und Forschung immer wichtiger.Zum Beispiel haben mehrere Epilepsie-Studien gezeigt, dass Neuronenstimulation Trigger auf Anfall Beginn ist ein effektiver Ansatz, um die Schwere der Anfälle zu reduzieren. Um die Annahme von geschlossenen Experimenten in der neurowissenschaftlichen Forschung zu erleichtern, bietet dieses Protokoll MATLAB-Code, um ein elektrophysiologisches Aufzeichnungssystem mit offenem Kreislauf in ein Closed-Loop-System umzuwandeln. Diese Umsetzung der Closed-Loop-Stimulation wird in einer wachen Ratte demonstriert.Um das Cheetah 6.4 Data Acquisition System zu installieren, öffnen Sie die Webseite für die Software, die Bibliotheken enthält, um mit dem Cheetah-Erfassungssystem zu interagieren, und installieren SpikeSort-3D. Installieren Sie das NetCom-Entwicklungspaket. Melden Sie sich bei einem MATLAB-Konto an, um die richtige Lizenz, Version und das richtige Betriebssystem auszuwählen.Laden Sie dann die Bibliothek für die Online-Ereignisauslösung wie angegeben herunter und extrahieren Sie die Dateien in den Ordner MATLAB. Öffnen Sie für die Datenerfassung die Cheetah-Software, und zeichnen Sie Spiking-Daten auf, um die Vorlagenwellenformen aufzufüllen. Beenden Sie nach einigen Minuten die Datenerfassung, und führen Sie einen SpikeSort für die aufgezeichneten Daten aus.Als Nächstes öffnen Sie SpikeSort3-D und klicken Sie auf das Dateimenü und laden Spike-Datei, um eine Spike-Datei aus dem Ordner mit den aufgezeichneten Daten auszuwählen. Klicken Sie dann auf das Clustermenü, den Autocluster mit KlustaKwik, und führen Sie die Option aus. Um ein Closed-Loop-Experiment durchzuführen, setzen Sie die Datenerfassung in Cheetah fort, und öffnen Sie MATLAB.Öffnen Sie ClosedLoop. M und klicken Sie auf Ausführen. Alternativ können Sie eine geschlossene Schleife im Befehlsfenster ausführen.Navigieren Sie zum Aufzeichnungsordner, und wählen Sie eine der spiking-Datendateien aus, um die in der Erstaufnahme definierten Spike-Informationen zu laden. Klicken Sie auf die entsprechenden Kontrollkästchen unter den geplotteten Wellenformen, um ein oder mehrere Neuronen auszuwählen, die eine Stimulation auslösen. Definieren Sie die minimale Anzahl von Neuronen, die die Stimulation auslösen, indem Sie eine ganze Zahl in das Textfeld min matches eingeben, und definieren Sie das Zeitfenster, in dem die Spitzen, die den verschiedenen Wellenformen entsprechen, als koaktiv betrachtet werden, indem sie eine Zahl in das Fenstertextfeld eingeben.Klicken Sie dann auf Senden, um das Online-Auslösen von Ereignissen basierend auf der Spiking-Aktivität der ausgewählten Neuronen zu beginnen. In diesem repräsentativen Experiment wurde die Ratte auf einem Blumentopf ausgeruht, der während der Pausen in den Verhaltensexperimenten ein vertrauter Ruheplatz war. Hierbei kann ein repräsentativer gleichzeitiger Betrieb der Aufnahmesoftware und des MATLAB-Programms beobachtet werden, das in Echtzeit erfasste Spike-Wellenformen anzeigt.Wenn Spitzen aus vordefinierten Triggerclustern erkannt werden, werden die Wellenformen mit einer fett formatierten Strichlinie im MATLAB-Abbildungsfenster angezeigt, die einen Ton auslöst und ein Closed-Loop-System bereitstellt. In dieser Abbildung wird ein repräsentatives Histogramm dargestellt, das die Verzögerungen zwischen dem Zeitpunkt der Erzeugung einer künstlichen Spitze und dem Zeitpunkt der Induktion eines ausgelösten Signals veranschaulicht. Nach der Vorbereitung eines Tieres und der Installation der Software besteht das Closed-Loop-Experiment aus zwei Hauptphasen, der anfänglichen Datenerfassung und der Closed-Loop-Stimulation, bei der Spikes externe Reize auslösen.Dieses Protokoll ermöglicht auch die Behandlung von Reizen basierend auf der Aktivität mehrerer Neuronen, die wichtig für die Behandlung von Fragen über die Informationsverarbeitung im Gehirn ist. Die Vorteile dieser MATLAB-Lösung sind ihre geringen Kosten und die Flexibilität bei der Definition der Aktivitätsmuster, um Reize auszulösen, die bei der Untersuchung einer Vielzahl von neurowissenschaftlichen Fragen helfen können.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Eine experimentelle Plattform für die Closed-Loop-Performance von 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 ...

Forschung

Neurowissenschaften

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 Recording Methoden zur neuronalen Aktivität in der Locust Charakterisieren (<em&gt; Schistocerca Americana</em&gt;) Olfaktorische 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

Der neuromuskulären Synapse: Mess Synapse Größe, Fragmentierung und Veränderungen der synaptischen Protein Dichte Mit der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie

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

Echtzeit-Elektrophysiologie: Mit Closed-loop Protokolle Probe neuronaler Dynamik und darüber hinaus

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-Roboter-Experimente zur Computational Eigenschaften Neuronale Netze Testen

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

Immunhistochemische Visualisierung von Hippocampus-Aktivität nach Spatial Learning in einem Mausmodell für neurologische Entwicklungsstörungen

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

Verwenden von Einzel Sensillum Aufnahme auf Riech Neuron Antworten von Bed Bugs zu Semiochemicals 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-Makrophagen Ko-Kulturen, Makrophagen sezernieren molekulare Faktoren mit Neuriten Auswuchs Aktivität zu aktivieren

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-quantitative Bestimmung der dopaminergen Neuronendichte in der Substantia Nigra von Nagetiermodellen mittels automatisierter Bildanalyse

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 Calcium Imaging of Mouse Geniculate Ganglion Neuron Reaktionen auf Geschmacksreize

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