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

עבודה זו נתמכה על ידי מענקים NSERC דיסקברי אל ו AG.

כל ההליכים המתוארים כאן נערכו תחת פרוטוקול מחקר בעלי חיים שאושר על ידי ועדת הרווחה של אוניברסיטת לטברידג '.
1. כירורגיה
הערה: הליכי הניתוח המשמשים לשתל בדיקה להקלטות נוירופיסיולוגיים הוצגו בפרסומים אחרים24,25,26...

<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>

הפרוטוקול המתואר כאן, מראה כיצד להשתמש במערכת הקלטה נוירולוגית סטנדרטית כדי לבצע גירוי בלולאה סגורה. פרוטוקול זה מאפשר למדענים מוגבלים עם מומחיות מוגבלת במדעי המחשב כדי ליישם במהירות מגוון של ניסויים לולאה סגורה עם עלות קטנה. ניסויים אלה נחוצים לעתים קרובות כדי ללמוד אינטראקציות סיבתי ב...

המטרה של פרוטוקול זה היא להדגים כיצד ליישם גירוי לולאה סגורה בניסויים נוירולוגיים. ההתקנה אופייני עבור ניסויים לולאה סגורה במדעי המוח כרוך בהפעלת גירויים המבוססים על הבדיקה המקוונת של פעילות עצבית. זה, בתורו, גורם לשינויים בפעילות המוח, ובכך לסגור את לולאה משוב1,2. ניסויים כאלה לולאה סגורה לספק הטבות מרובות על הגדרות לולאה פתוחה רגילה, במיוחד כאשר בשילוב עם אלקטרואופטיקה, אשר מאפשר לחוקרים למקד תת-קבוצה ספציפית של נוירונים. למשל, סיגלה ווילסון השתמשו במניפולציות לולאה מסוגרת כדי ללמוד את התפקיד של תנודות תטה בעיבוד מידע3. הם הפגינו כי מגרה נוירונים היפוקמאל על השלב הנופל של תנודות תטא היו השפעות שונות על התנהגות מאשר החלת גירוי זהה על השלב העולה. ניסויים בלולאה סגורה גם נעשים חשובים יותר ויותר במחקרים פרה-קליניים. למשל, מחקרים מרובים של אפילפסיה הראו כי גירוי עצבי המופעל על התפרצות תפיסה היא גישה יעילה כדי להפחית את חומרת התקפים4,5,6. יתר על כן, מערכות זיהוי התפיסה האוטומטית ואת המסירה הנציגות של טיפול7, 8 הראו הטבות משמעותיות בחולים אפילפסיה9,10,11,12. אזור יישום נוסף עם התקדמות מהירה של מתודולוגיות לולאה סגורה הוא השליטה של נוירותותבות עם המוח הקורטיקלית – מחשב ממשקי. הסיבה לכך היא מתן משוב מיידי למשתמשים של התקנים תותבת משפר באופן משמעותי את הדיוק ואת יכולת13.
בשנים האחרונות, מספר מעבדות פיתחו מערכות מותאמות אישית עבור ההקלטה החשמלית סימולטני של פעילות עצבית ומסירת גירויים במערכת לולאה סגורה14,15,16,17,18. למרות רבים של כיוונונים אלה יש מאפיינים מרשימים, זה לא תמיד קל ליישם אותם במעבדות אחרות. הסיבה לכך היא שהמערכות דורשות לעתים קרובות טכנאים מנוסים להרכיב את האלקטרוניקה הדרושה ורכיבי חומרה ותוכנה אחרים הנחוצים.
לכן, על מנת להקל על אימוץ ניסויים לולאה סגורה במחקר מדעי המוח, נייר זה מספק פרוטוקול ו-Matlab code כדי להמיר הקלטה פתוחה לולאה אלקטרופיסיולוגית19,20,21,22 לתוך מערכת לולאה סגורה2,6,23. פרוטוקול זה נועד לעבוד עם חומרת ההקלטה דיגיטלי Lynx, מערכת מעבדה פופולרית להקלטות האוכלוסייה העצבית. ניסוי אופייני מורכב מהפעולות הבאות: 1) הקלטת 5-20 דקות של נתוני העליה; 2) ספייק מיון כדי ליצור תבניות נוירואליות; 3) שימוש בתבניות אלה כדי לבצע זיהוי מקוון של דפוסי פעילות עצביים; ו-4) מפעיל אירועים מסוימים של גירוי או ניסיוני כאשר תבניות שצוינו על-ידי המשתמש מזוהות.

<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

מערכות נוירופיסיולוגיים לולאה משתמשות בדפוסים של פעילות עצבית כדי לעורר גירויים, שבתורו משפיעים על פעילות המוח. מערכות לולאה סגורה שכאלה כבר נמצאות ביישומים קליניים, והן כלים חשובים לחקר מוח בסיסי. התפתחות מעניינת במיוחד לאחרונה היא שילוב של גישות לולאה סגורה עם אלקטרואופטיקה, כגון דפוסים ספציפיים של פעילות עצבית יכולים לעורר גירוי אופטי של קבוצות נוירואליות נבחרות. עם זאת, הגדרת מערכת אלקטרופיזיולוגיה לניסויים בלולאה סגורה יכולה להיות קשה. כאן, מוכן להחיל קוד Matlab מסופק לעורר גירויים בהתבסס על הפעילות של יחיד או מספר נוירונים. קוד לדוגמה זה ניתן לשינוי בקלות על בסיס צרכים בודדים. לדוגמה, הוא מציג כיצד להפעיל גירויים קוליים וכיצד לשנות אותו כדי להפעיל התקן חיצוני המחובר ליציאה טורית של מחשב. הפרוטוקול המוצג נועד לעבוד עם מערכת הקלטה עצבית פופולרית ללימודי בעלי חיים (נוירואליnx). היישום של גירוי לולאה סגורה מוצג בחולדה ערה.

העכברושים שנולדו וגדלו באתר היו נובעת לטיפול במשך שבועיים לפני הניסוי. כונן הקלטה הושתל באופן כירורגי, בדומה לשיטות שתוארו בעבר28,29,30,31,32,33,34. האותות העצביים הוקל?...

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

פרוטוקול זה מדגים כיצד להשתמש במערכת אלקטרולוגית לגירוי בלולאה סגורה המופעלת על ידי דפוסי פעילות עצביים. לדוגמה קוד Matlab שניתן לשנות בקלות עבור התקני גירוי שונים מסופק גם.

שימוש בניותא פעילות העולה להדק לולאה סגורה גירויים בניסויים נוירולוגיים

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

מערכת הקלטה נוירופיזיולוגית סטנדרטית זו יכולה לשמש לביצוע גירוי לולאה סגורה אשר שימושי לחקר אינטראקציות סיבתיות במוח. פרוטוקול זה מאפשר למדעני מוח בעלי מומחיות מוגבלת בלבד במדעי המחשב ליישם במהירות מגוון ניסויים בלולאה סגורה בעלות מועטה. ניסויים בלולאה סגורה יש becaming חשוב יותר ויותר עבור מדע בסיסי ומחקר.לדוגמה, מחקרים רבים באפילפסיה הראו כי גירוי נוירון טריגר על הופעת התקפים היא גישה יעילה כדי להפחית את חומרת ההתקפים. כדי להקל על אימוץ ניסויים בלולאה סגורה במחקר מדעי המוח, פרוטוקול זה מספק קוד MATLAB להמרת מערכת הקלטה אלקטרופיזיולוגית לולאה פתוחה למערכת לולאה סגורה. יישום זה של גירוי לולאה סגורה מוכח בחולדה ערה.כדי להתקין את מערכת רכישת הנתונים Cheetah 6.4, פתח את דף האינטרנט עבור התוכנה הכוללת ספריות לאינטראקציה עם מערכת רכישות הצ'יטה, והתקן את SpikeSort-3D. התקן את חבילת הפיתוח של NetCom. היכנס לחשבון MATLAB כדי לבחור את הרשיון, הגירסה ומערכת ההפעלה הנכונים.לאחר מכן, הורד את הספריה עבור אירוע מקוון מפעיל כפי שצוין ולחלץ את הקבצים לתיקיה MATLAB מסמכים. לרכישת נתונים, פתח את תוכנת הצ'יטה והרשים נתוני spiking כדי לאכלס את צורות הגל של התבנית. לאחר מספר דקות, הפסק את רכישת הנתונים ובצע SpikeSort על הנתונים המוקלטים.לאחר מכן, פתח את SpikeSort3-D ולחץ על תפריט קובץ וטען קובץ דקר כדי לבחור קובץ דקר מהתיקייה עם הנתונים המוקלטים. לאחר מכן, לחץ על תפריט אשכול, תסגור אוטומטית באמצעות KlustaKwik והפעל. כדי לבצע ניסוי בלולאה סגורה, חדש את רכישת הנתונים בצ'יטה ופתח את MATLAB.פתח את סגורלופ. M ולחץ על הפעל. לחלופין, בצע לולאה סגורה בחלון הפקודה.אתר את תיקיית ההקלטה ובחר אחד מקבצי הנתונים המהדקים כדי לטעון את מידע העלייה המוגדר בהקלטה הראשונית. לחץ על תיבות הסימון המתאימות תחת צורות הגל מותווים כדי לבחור נוירון אחד או יותר שיפעילו גירוי. הגדר את המספר המינימלי של נוירונים שיפעילו גירוי על-ידי הזנת מספר שלם בתיבת הטקסט min matches ולהגדיר את חלון הזמן שבו הקוצים התואמים לתוספי הגל השונים נחשבים לפעילים על-ידי הזנת מספר בתיבת הטקסט של החלון.לאחר מכן, לחץ על שלח כדי להתחיל את ההפעלה המקוונת של אירועים המבוססים על פעילות spiking של הנוירונים שנבחרו. בניסוי מייצג זה, החולדה נחה על סיר פרחים שהיה מקום מנוחה מוכר בהפסקות בניסויים ההתנהגותיים. כאן, פועל בו זמנית נציג של תוכנת ההקלטה ואת תוכנית MATLAB אשר מציג צורות גל ספייק שנרכשו בזמן אמת ניתן לראות.כאשר מתגלים קוצים מאשכולות מפעילים מוגדרים מראש, צורות הגל מוצגות עם קו מקף מודגש בחלון איור MATLAB המפעיל צליל ומספק מערכת לולאה סגורה. בנתון זה, היסטוגרמה מייצגת הממחישה את העיכובים בין זמן יצירת ספייק מלאכותי לבין זמן גרימת אות מופעל מוצגים. לאחר הכנת בעל חיים והתקנת התוכנה, הניסוי בלולאה סגורה מורכב משני שלבים עיקריים, רכישת הנתונים הראשונית והגירוי בלולאה סגורה שבמהלכם קוצים מפעילים גירויים חיצוניים.פרוטוקול זה מאפשר גם טיפול בגירויים המבוססים על פעילות של נוירונים מרובים אשר חשוב לטיפול בשאלות על עיבוד מידע במוח. היתרונות של פתרון MATLAB זה הם העלות הנמוכה שלה ואת הגמישות בהגדרת דפוסי הפעילות כדי לעורר גירויים אשר יכול לעזור בחקירת מגוון רחב של שאלות מדעיות.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

פלטפורמה ניסויית לחקר ביצועים לולאה סגורה של המוח מכונת ממשקים

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

שיטות הקלטה בעל מספר יחידות לאפיין את הפעילות עצבית בארבה (<em&gt; Schistocerca אמריקנה</em&gt;) מעגלי ריח

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

Neuromuscular צומת: גודל סינפסה מדידה, שינויי פיצול ובצפיפות חלבון Synaptic שימוש Confocal מיקרוסקופ פלואורסצנטי

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

אלקטרופיזיולוגיה בזמן אמת: שימוש בפרוטוקולי לולאה סגורה לDynamics עצבי בדיקה ומעבר

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

ניסויי נוירו-רובוטית לולאה סגורה כדי לבדוק את מאפיינים חישובית של רשתות עצבי

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

ויזואליזציה immunohistochemical של היפוקמפוס Neuron פעילות לאחר מרחבי למידה במודל עכבר של הפרעות נוירו-התפתחותי

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

שימוש יחיד Sensillum הקלטה לזיהוי תגובות חוש הריח Neuron של באגס במיטה לSemiochemicals

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

נוירון-מקרופאג תרבויות שותפה להפעלת מקרופאגים הפרשת גורמים מולקולרית עם פעילות תוצר Neurite

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

קביעה כמותית למחצה של צפיפות נוירון דופאמין בסבסטנציה ניגרה של מודלים מכרסמים באמצעות ניתוח תמונה אוטומטי

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 סידן הדמיה של עכבר גניציה גנגליון נוירון תגובות לגירויים טעם

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