Name: using neuron spiking activity to trigger closed-loop stimuli in neurophysiological experiments
Uploaded: 2019-11-12T11:00:00
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Este trabajo fue apoyado por las subvenciones de NSERC Discovery a AL y AG.

Todos los procedimientos descritos aquí se realizaron bajo un Protocolo de Investigación Animal aprobado por el Comité de Bienestar Animal de la Universidad de Lethbridge.
1. Cirugía
NOTA: Los procedimientos de cirugía utilizados para implantar sondas para grabaciones neurofisiológicas se han presentado en otras publicaciones24,25,26. Los detalles exactos de la cirugía...

<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>

El protocolo descrito aquí, muestra cómo utilizar un sistema de grabación neurofisiológica estándar para realizar la estimulación de bucle cerrado. Este protocolo permite a los neurocientíficos con experiencia limitada en ciencias de la computación implementar rápidamente una variedad de experimentos de bucle cerrado con poco costo. Tales experimentos son a menudo necesarios para estudiar las interacciones causales en el cerebro.
Después de preparar un animal e instalar el software (...

El objetivo de este protocolo es demostrar cómo implementar la estimulación de bucle cerrado en experimentos neurofisiológicos. La configuración típica para experimentos de bucle cerrado en neurociencia implica desencadenar estímulos basados en la lectura en línea de la actividad neuronal. Esto, a su vez, causa modificaciones en la actividad cerebral, cerrando así el bucle de retroalimentación1,2. Estos experimentos de bucle cerrado proporcionan múltiples beneficios sobre las configuraciones estándar de bucle abierto, especialmente cuando se combina con optogenética, lo que permite a los investigadores apuntar a un subconjunto específico de neuronas. Por ejemplo, Siegle y Wilson utilizaron manipulaciones de bucle cerrado para estudiar el papel de las oscilaciones theta en el procesamiento de información3. Demostraron que estimular las neuronas del hipocampo en la fase descendente de las oscilaciones de la theta tenía efectos diferentes en el comportamiento que aplicar la misma estimulación en la fase ascendente. Los experimentos de bucle cerrado también son cada vez más importantes en los estudios preclínicos. Por ejemplo, estudios múltiples de epilepsia han demostrado que la estimulación neuronal desencadenada al inicio de convulsiones es un enfoque eficaz para reducir la gravedad de las convulsiones4,5,6. Además, los sistemas de detección automatizada de convulsiones y la administración contingente de terapia7,8 mostraron beneficios significativos en pacientes con epilepsia9,10,11,12. Otro área de aplicación con rápido avance de metodologías de bucle cerrado es el control de neuroprótesis con interfaces corticales cerebro-máquina. Esto se debe a que proporcionar retroalimentación instantánea a los usuarios de dispositivos protésicos mejora significativamente la precisión y la capacidad13.
En los últimos años, varios laboratorios han desarrollado sistemas personalizados para el registro eléctrico simultáneo de la actividad neuronal y la entrega de estímulos en un sistema de bucle cerrado14,15,16,17,18. Aunque muchas de esas configuraciones tienen características impresionantes, no siempre es fácil implementarlas en otros laboratorios. Esto se debe a que los sistemas a menudo exigen técnicos experimentados para ensamblar la electrónica necesaria y otros componentes de hardware y software necesarios.
Por lo tanto, con el fin de facilitar la adopción de experimentos de bucle cerrado en la investigación de neurociencia, este documento proporciona un protocolo y código Matlab para convertir una configuración de grabación electrofisiológica de bucle abierto19,20,21,22 en un sistema de bucle cerrado2,6,23. Este protocolo está diseñado para trabajar con el hardware de grabación Digital Lynx, un popular sistema de laboratorio para grabaciones de población neuronal. Un experimento típico consiste en lo siguiente: 1) Grabación de 5-20 minutos de datos de pico; 2) Clasificación de picos para crear plantillas neuronales; 3) Uso de estas plantillas para realizar la detección en línea de patrones de actividad neuronal; y 4) Activación de estimulación o eventos experimentales cuando se detectan patrones especificados por el usuario.

<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

Los sistemas neurofisiológicos de bucle cerrado utilizan patrones de actividad neuronal para desencadenar estímulos, que a su vez afectan la actividad cerebral. Estos sistemas de bucle cerrado ya se encuentran en aplicaciones clínicas, y son herramientas importantes para la investigación cerebral básica. Un desarrollo reciente particularmente interesante es la integración de enfoques de bucle cerrado con optogenética, de modo que patrones específicos de actividad neuronal pueden desencadenar la estimulación óptica de grupos neuronales seleccionados. Sin embargo, la creación de un sistema electrofisiológico para experimentos de bucle cerrado puede ser difícil. Aquí, se proporciona un código Matlab listo para aplicar para activar estímulos basados en la actividad de una o varias neuronas. Este código de ejemplo se puede modificar fácilmente en función de las necesidades individuales. Por ejemplo, muestra cómo activar estímulos de sonido y cómo cambiarlo para activar un dispositivo externo conectado a un puerto serie de PC. El protocolo presentado está diseñado para trabajar con un popular sistema de grabación neuronal para estudios en animales (Neuralynx). La implementación de la estimulación de bucle cerrado se demuestra en una rata despierta.

Las ratas Fisher-Brown Noruega nacidas y criadas in situ fueron habituadas a la manipulación durante dos semanas antes del experimento. Se implantó quirúrgicamente una unidad de grabación, similar a los métodos descritos anteriormente28,29,30,31,32,33,34. Las señales neuronales se regi...

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

Este protocolo demuestra cómo utilizar un sistema electrofisiológico para la estimulación de bucle cerrado desencadenada por patrones de actividad neuronal. También se proporciona código Matlab de ejemplo que se puede modificar fácilmente para diferentes dispositivos de estimulación.

Uso de la actividad de spiking de neuronas para desencadenar estímulos de bucle cerrado en experimentos neurofisiológicos

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

Este sistema de grabación neurofisiológica estándar se puede utilizar para realizar una estimulación de bucle cerrado que es útil para estudiar las interacciones causales en el cerebro. Este protocolo permite a los neurocientíficos con una experiencia limitada en informática implementar rápidamente una variedad de experimentos de bucle cerrado con poco costo. Los experimentos de bucle cerrado han sidocaming cada vez más importante para la ciencia básica y la investigación.Por ejemplo, varios estudios de epilepsia han demostrado que el desencadenante de la estimulación de las neuronas al inicio de las convulsiones es un enfoque eficaz para reducir la gravedad de las convulsiones. Para facilitar la adopción de experimentos de bucle cerrado en la investigación de neurociencia, este protocolo proporciona código MATLAB para convertir un sistema de grabación electrofisiológica de bucle abierto en un sistema de bucle cerrado. Esta implementación de estimulación de bucle cerrado se demuestra en una rata despierta.Para instalar el sistema de adquisición de datos Cheetah 6.4, abra la página web del software que incluye bibliotecas para interactuar con el sistema de adquisiciones de Cheetah e instale SpikeSort-3D. Instale el paquete de desarrollo de NetCom. Inicie sesión en una cuenta de MATLAB para seleccionar la licencia, la versión y el sistema operativo correctos.A continuación, descargue la biblioteca para la activación de eventos en línea como se indica y extraiga los archivos en la carpeta MATLAB de documentos. Para la adquisición de datos, abra el software Cheetah y registre los datos de punción para rellenar las formas de onda de la plantilla. Después de unos minutos, detenga la adquisición de datos y realice un SpikeSort en los datos registrados.A continuación, abra SpikeSort3-D y haga clic en el menú de archivos y el archivo de pico de carga Para seleccionar un archivo de pico de la carpeta con los datos grabados. A continuación, haga clic en el menú del clúster, autocluster con KlustaKwik y ejecute. Para realizar un experimento de bucle cerrado, reanude la adquisición de datos en Cheetah y abra MATLAB.Abra ClosedLoop. M y haga clic en ejecutar. Como alternativa, ejecute el bucle cerrado en la ventana de comandos.Vaya a la carpeta de grabación y seleccione uno de los archivos de datos de punción para cargar la información de pico definida en la grabación inicial. Haga clic en las casillas de verificación correspondientes debajo de las formas de onda trazadas para seleccionar una o varias neuronas que desencadenarán la estimulación. Defina el número mínimo de neuronas que desencadenarán la estimulación introduciendo un entero en el cuadro de texto coincidencias mínimas y defina la ventana de tiempo en la que los picos que coinciden con las diferentes formas de onda se consideran coactivos introduciendo un número en el cuadro de texto de la ventana.A continuación, haga clic en Enviar para comenzar la activación en línea de eventos en función de la actividad de pico de las neuronas seleccionadas. En este experimento representativo, la rata se apoyó en una maceta que era un lugar de descanso familiar durante los descansos en los experimentos de comportamiento. Aquí, se puede observar una ejecución simultánea representativa del software de grabación y el programa MATLAB que muestra las formas de onda de pico adquiridas en tiempo real.Cuando se detectan picos de clústeres de activación predefinidos, las formas de onda se muestran con una línea de guión en negrita en la ventana de la figura de MATLAB que activa un tono y proporciona un sistema de bucle cerrado. En esta figura, se muestra un histograma representativo que ilustra los retrasos entre el momento de generar un pico artificial y el momento de inducir una señal activada. Después de preparar un animal, e instalar el software, el experimento de bucle cerrado consta de dos etapas principales, la adquisición inicial de datos y la estimulación de bucle cerrado durante la cual los picos desencadenan estímulos externos.Este protocolo también permite el tratamiento de un estímulo basado en la actividad de múltiples neuronas que es importante para abordar preguntas sobre el procesamiento de la información en el cerebro. Las ventajas de esta solución MATLAB son su bajo costo y flexibilidad en la definición de los patrones de actividad para desencadenar estímulos que pueden ayudar a investigar una variedad de preguntas neurocientíficas.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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Investigación

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Varias unidades Métodos de grabación para caracterizar la actividad neuronal en el Locust (<em&gt; Schistocerca americana</em&gt;) Circuitos olfativas

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

La unión neuromuscular: Medición Synapse Tamaño, fragmentación y los cambios en la densidad de proteína sináptica Uso confocal microscopía de fluorescencia

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

En tiempo real Electrofisiología: Usando protocolos de bucle cerrado para sondear neuronales Dinámica y allá

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

Experimentos Neuro-robótica de circuito cerrado para comprobar propiedades computacionales de Redes Neuronales

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

Visualización inmunohistoquímico de hipocampo Neurona Actividad Después espacial aprendizaje en un modelo de ratón de los trastornos del desarrollo neurológico

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

Uso Individual sensillum grabación para detectar respuestas olfativo neurona de chinches de cama a Semioquímicos

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

Co-cultivos de neurona y macrófagos para activar macrófagos secretando factores moleculares con actividad Neurite consecuencia

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

Determinación Semicuantita cuantitativa de la densidad de la neurona dopaminérgica en la sustancia negra de modelos de roedores utilizando el análisis automatizado de imágenes

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

Imágenes de calcio in vivo de las respuestas de las neuronas ganglionares geniculadas de ratón a los estímulos del gusto

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