Name: open-source real-time closed-loop electrical threshold tracking for translational pain research
Uploaded: 2023-04-21T14:30:00
Duration: 10 min 28 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Open-Source Real-Time Closed-Loop Electrical Threshold Tracking for Translational Pain Research at JoVE.com

Vi vil gerne takke vores bidragydere for deres støtte: Academy of Medical Sciences (J.P.D., A.E.P.), Versus Arthritis (J.P.D., A.E.P.), Jean Golding Institute Seedcorn Grant (J.P.D., A.E.P., G.W., A.C.S., M.M.P.) og Biotechnology and Biological Sciences Research Council collaborative training partnership ph.d.-studerende med Eli Lilly (G.W.T.N.). Vi vil gerne takke alle bidragydere til udviklingen af APTrack. Vi vil også gerne takke vores frivillige, der deltog i mikroneurografiske eksperimenter, og vores patient- og borgerinddragelse og engagementssamarbejdspartnere for deres uvurderlige bidrag.

<ol>
	<li>Dubin, A. E., Patapoutian, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nociceptors:+The+sensors+of+the+pain+pathway.">Nociceptors: The sensors of the pain pathway.</a> Journal of Clinical Investigation. 120 (11), 3760-3772 (2010).</li><li>Serra, 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=Microneurographic+identification+of+spontaneous+activity+in+C-nociceptors+in+neuropathic+pain+states+in+humans+and+rats.">Microneurographic identification of spontaneous activity in C-nociceptors in neuropathic pain states in humans and rats.</a> Pain. 153 (1), 42-55 (2012).</li><li>Serra, 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=Hyperexcitable+C+nociceptors+in+fibromyalgia.">Hyperexcitable C nociceptors in fibromyalgia.</a> Annals of Neurology. 75 (2), 196-208 (2014).</li><li>Namer, B., 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=Specific+changes+in+conduction+velocity+recovery+cycles+of+single+nociceptors+in+a+patient+with+erythromelalgia+with+the+I848T+gain-of-function+mutation+of+Nav1.7.">Specific changes in conduction velocity recovery cycles of single nociceptors in a patient with erythromelalgia with the I848T gain-of-function mutation of Nav1.7.</a> Pain. 156 (9), 1637-1646 (2015).</li><li>Kleggetveit, I. P., 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=High+spontaneous+activity+of+C-nociceptors+in+painful+polyneuropathy.">High spontaneous activity of C-nociceptors in painful polyneuropathy.</a> Pain. 153 (10), 2040-2047 (2012).</li><li>Orstavik, K., 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=Abnormal+function+of+C-fibers+in+patients+with+diabetic+neuropathy.">Abnormal function of C-fibers in patients with diabetic neuropathy.</a> Journal of Neuroscience. 26 (44), 11287-11294 (2006).</li><li>Orstavik, K., 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=Pathological+C-fibres+in+patients+with+a+chronic+painful+condition.">Pathological C-fibres in patients with a chronic painful condition.</a> Brain. 126, 567-578 (2003).</li><li>Raja, S. N., Ringkamp, M., Guan, Y., Campbell, J. N., John, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bonica+Award+Lecture:+Peripheral+neuronal+hyperexcitability:+The+&amp;#34;low-hanging&amp;#34;+target+for+safe+therapeutic+strategies+in+neuropathic+pain.">Bonica Award Lecture: Peripheral neuronal hyperexcitability: The &amp;#34;low-hanging&amp;#34; target for safe therapeutic strategies in neuropathic pain.</a> Pain. 161, S14-S26 (2020).</li><li>Middleton, S. 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=Studying+human+nociceptors:+From+fundamentals+to+clinic.">Studying human nociceptors: From fundamentals to clinic.</a> Brain. 144 (5), 1312-1335 (2021).</li><li>Marshall, A., Alam, U., Themistocleous, A., Calcutt, N., Marshall, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+and+emerging+electrophysiological+biomarkers+of+diabetic+neuropathy+and+painful+diabetic+neuropathy.">Novel and emerging electrophysiological biomarkers of diabetic neuropathy and painful diabetic neuropathy.</a> Clinical Therapeutics. 43 (9), 1441-1456 (2021).</li><li>Themistocleous, A. C., 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=Axonal+excitability+does+not+differ+between+painful+and+painless+diabetic+or+chemotherapy-induced+distal+symmetrical+polyneuropathy+in+a+multicenter+observational+study.">Axonal excitability does not differ between painful and painless diabetic or chemotherapy-induced distal symmetrical polyneuropathy in a multicenter observational study.</a> Annals of Neurology. 91 (4), 506-520 (2022).</li><li>Bostock, H., Cikurel, K., Burke, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Threshold+tracking+techniques+in+the+study+of+human+peripheral+nerve.">Threshold tracking techniques in the study of human peripheral nerve.</a> Muscle Nerve. 21 (2), 137-158 (1998).</li><li>Kiernan, M. C., 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=Measurement+of+axonal+excitability:+Consensus+guidelines.">Measurement of axonal excitability: Consensus guidelines.</a> Clinical Neurophysiology. 131 (1), 308-323 (2020).</li><li>Sauer, S. K., 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=Can+receptor+potentials+be+detected+with+threshold+tracking+in+rat+cutaneous+nociceptive+terminals.">Can receptor potentials be detected with threshold tracking in rat cutaneous nociceptive terminals.</a> Journal of Neurophysiology. 94 (1), 219-225 (2005).</li><li>Vallbo, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microneurography:+How+it+started+and+how+it+works.">Microneurography: How it started and how it works.</a> Journal of Neurophysiology. 120 (3), 1415-1427 (2018).</li><li>Torebjork, H., Hallin, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+method+for+classification+of+C-unit+activity+in+intact+human+skin+nerves.">A new method for classification of C-unit activity in intact human skin nerves.</a> Advances in Pain Research and Therapy. 1, 29-34 (1976).</li><li>Brown, G. L., Holmes, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effects+of+activity+on+mammalian+nerve+fibres+of+low+conduction+velocity.">The effects of activity on mammalian nerve fibres of low conduction velocity.</a> Proceedings of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences. 144 (918), 1-14 (1956).</li><li>Obreja, O., 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=Patterns+of+activity-dependent+conduction+velocity+changes+differentiate+classes+of+unmyelinated+mechano-insensitive+afferents+including+cold+nociceptors,+in+pig+and+in+human.">Patterns of activity-dependent conduction velocity changes differentiate classes of unmyelinated mechano-insensitive afferents including cold nociceptors, in pig and in human.</a> Pain. 148 (1), 59-69 (2010).</li><li>Serra, J., Campero, M., Ochoa, J., Bostock, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Activity-dependent+slowing+of+conduction+differentiates+functional+subtypes+of+C+fibres+innervating+human+skin.">Activity-dependent slowing of conduction differentiates functional subtypes of C fibres innervating human skin.</a> Journal of Physiology. 515, 799-811 (1999).</li><li>Weidner, C., Schmidt, R., Schmelz, M., Torebjork, H. E., Handwerker, H. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Action+potential+conduction+in+the+terminal+arborisation+of+nociceptive+C-fibre+afferents.">Action potential conduction in the terminal arborisation of nociceptive C-fibre afferents.</a> Journal of Physiology. 547, 931-940 (2003).</li><li>Siegle, J. H., 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=Open+Ephys:+An+open-source,+plugin-based+platform+for+multichannel+electrophysiology.">Open Ephys: An open-source, plugin-based platform for multichannel electrophysiology.</a> Journal of Neural Engineering. 14 (4), 045003 (2017).</li><li>Sanders, J. I., Kepecs, 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+low-cost+programmable+pulse+generator+for+physiology+and+behavior.">A low-cost programmable pulse generator for physiology and behavior.</a> Frontiers in Neuroengineering. 7, 43 (2014).</li><li>Zimmermann, K., 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=Phenotyping+sensory+nerve+endings+in+vitro+in+the+mouse.">Phenotyping sensory nerve endings in vitro in the mouse.</a> Nature Protocols. 4 (2), 174-196 (2009).</li><li>Dunham, J. P., Sales, A. C., Pickering, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasound-guided,+open-source+microneurography:+Approaches+to+improve+recordings+from+peripheral+nerves+in+man.">Ultrasound-guided, open-source microneurography: Approaches to improve recordings from peripheral nerves in man.</a> Clinical Neurophysiology. 129 (11), 2475-2481 (2018).</li><li>Levitt, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transformed+up-down+methods+in+psychoacoustics.">Transformed up-down methods in psychoacoustics.</a> Journal of the Acoustical Society of America. 49 (2), 467 (1971).</li><li>Turnquist, B., RichardWebster, B., Namer, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+detection+of+latency+tracks+in+microneurography+recordings+using+track+correlation.">Automated detection of latency tracks in microneurography recordings using track correlation.</a> Journal of Neuroscience Methods. 262, 133-141 (2016).</li><li>Kiernan, M. C., Burke, D., Andersen, K. V., Bostock, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiple+measures+of+axonal+excitability:+A+new+approach+in+clinical+testing.">Multiple measures of axonal excitability: A new approach in clinical testing.</a> Muscle Nerve. 23 (3), 399-409 (2000).</li></ol>

G.W.T.N. er et BBSRC Collaborative Training Partnership Doctoral Studentship med University of Bristol og Eli Lilly and Company (BB / T508342 / 1). A.P.N. er en nuværende medarbejder hos Eli Lilly and Company og kan eje aktier i dette selskab.

APTrack er et software-plugin til brug med Open Ephys-platformen. Vi har valgt denne platform, da den er open source, fleksibel og billig at implementere. Ikke inklusive omkostningerne ved konstantstrømstimulatoren, kunne alt det udstyr, der kræves for at begynde at bruge pluginet, købes for omkring $ 5,000 USD i skrivende stund. Vi håber, at dette vil gøre det muligt for forskere lettere at implementere APTrack i deres perifere nerveelektrofysiologiske undersøgelser. Desuden kan forskere frit ændre softwaren, så den passer til deres eksperimentelle behov. Det er vigtigt, at dette værktøj har tilladt elektrisk tærskelsporing af enkelte C-fiber nociceptorer for første gang hos mennesker.
Jo højere signal-støj-forholdet, jo bedre kan algoritmerne identificere aktionspotentialer. Signal-støj-forholdet under mikroneurografi var tilstrækkeligt i de fleste af vores optagelser, men brugerne skal være opmærksomme på risikoen for signalforringelse over tid. Dette er især vigtigt for længere eksperimentelle protokoller, fordi hvis det sporede handlingspotentiales amplitude falder under detektionstærsklen, øges stimuleringsamplituden fejlagtigt; Dette kan afhjælpes ved at eksperimentere overvåger pluginet og derefter justerer indstillingerne, hvis det kræves. Signal-støj-forholdet forbedres med båndpasfiltrering, men større transienter kan stadig fejlagtigt identificeres som handlingspotentialer, hvis de ankommer i løbet af søgefeltets tidsvindue. Risikoen for fejlagtig identifikation af forbigående støj som et aktionspotentiale kan reduceres ved at indsnævre tidsvinduet, hvor pluginet søger efter handlingspotentialer og ved at optimere tærskelindstillingerne. Der er dog stadig situationer, man kan støde på, der hæmmer pluginets ydeevne. Spontan aktivitet kan forårsage vanskeligheder, hvis aktionspotentialer med større amplitude falder inden for algoritmens søgefeltvindue, da de fejlagtigt identificeres som målhandlingspotentialet. Derudover kan spontan aktivitet i neuronen af interesse betyde, at den elektriske stimulering falder i løbet af sin ildfaste periode, hvilket forårsager manglende generering af et handlingspotentiale. Vanskeligheder med at bruge softwaren kan også opstå, når primære afferente neuroner udviser flip-flop, hvorved alternative terminale grene af en enkelt neuron stimuleres, hvilket får det fremkaldte handlingspotentiale til at have to (eller flere) baseline latenstider, der gensidigt udelukker20. Under optagelser fra neuroner, der udviser flip-flop med høje signal-støj-forhold, udførte vi med succes latenstid og elektrisk tærskelsporing ved at øge søgefeltets bredde for at indkapsle alle de potentielle ledningshastigheder, som neuronen udviste. Imidlertid kan den elektriske tærskel variere afhængigt af den terminale gren af neuronen, der bliver spændt, hvilket sandsynligvis delvis skyldes forskelle i afstanden fra stedet for den elektriske stimulering til de alternative nociceptorterminaler. Yderligere arbejde med processen til identifikation af aktionspotentiale, der f.eks. skal omfatte skabelonmatchning, er muligt og kan integreres i denne software. GUI-plugins til båndstop eller adaptiv støjfiltrering kan også bruges opstrøms for APTrack i signalkæden, hvis de udvikles.
Vi anser den elektriske tærskel bestemt til at være den strøm, der kræves for at fremkalde et handlingspotentiale 50% af tiden over et brugerdefineret antal elektriske stimuli, typisk 2-10. Morfologien for elektrisk stimulering er 0, 5 ms og positive, firkantede bølgeimpulser. Dette er ikke det samme som at bestemme reobasen, et almindeligt anvendt mål for neuronal excitabilitet. Pluginet kunne tilpasses til at bestemme rheobase. Vi forfulgte imidlertid en enklere foranstaltning, da dynamiske ændringer i excitabilitet, såsom dem, der antages at forekomme under opvarmning, ville have været vanskeligere at kvantificere med reobaseændringer end vores elektriske tærskelestimat.
Denne software kan bruges i både menneskelige og gnaverforsøg. Dette er muliggjort af fleksibel understøttelse af de elektriske stimuleringssystemer. Softwaren fungerer med enhver stimulator, der accepterer en analog kommandospænding eller kan forbindes manuelt med en stepmotor. Til mikroneurografi brugte vi den med en CE-mærket konstantstrømstimulator, der var designet til brug i menneskelig forskning og havde sin stimulering styret af en urskive. Stimulatorer, der accepterer analoge spændingskommandoer, kan være støjende, da de ikke afbryder kredsløbet mellem stimuli, hvilket betyder, at enhver 50/60 Hz brummen eller støj på den analoge indgang overføres til optagelsen. En stimulator, der kræver et ekstra TLL-triggersignal for at forbinde kredsløbet, hvilket tillader en stimulus ved en strøm, der er analog med den analoge spændingsindgang, der skal genereres, er ideel til brug med pluginet. Dette forhindrer støj i at blive overført til optagelsen mellem stimuli.
Softwaren bruger en simpel op-ned-metode til at estimere den elektriske tærskel. Dette er blevet brugt i psykofysiske tests i mange årtier25. I overensstemmelse med op-ned-metoden tager den elektriske tærskelsporingsalgoritme til modulering af stimuleringsamplituden kun hensyn til den tidligere stimulerings amplitude og respons ved beregning af den næste stimulerings amplitude. Dette betyder, at stimuleringsamplituden vil svinge omkring den sande elektriske tærskel og dermed producere en 50% fyringshastighed, forudsat at tærsklen er stabil. Minimumsstørrelsen af en stigning eller formindskelse er 0,01 V; dette svarer til 0,01 mA, forudsat at stimulatoren har et input-til-output-forhold på 1 V: 1 mA og tilstrækkelig opløsning til at opnå trinændringer så lille. Pluginet opdaterer live-estimatet af målhandlingspotentialets elektriske tærskel, hver gang det når en 50% affyringshastighed over et brugerdefineret antal tidligere stimuli (2-10). Post hoc anbefaler vi at bruge et rullende gennemsnit af stimuleringsamplituden over de sidste 2-10 stimuli til at estimere den elektriske tærskel, og det skal bemærkes, at dette skøn kun vil være nøjagtigt, når fyringshastigheden er relativt stabil på 50%. I både live og post hoc estimater af den elektriske tærskel er der en balance mellem opløsning, pålidelighed og tid til at overveje. Brug af mindre trintrin og reduktionstrin øger nøjagtigheden af estimatet for den elektriske tærskel, men øger den tid, det tager at finde den nye elektriske tærskel oprindeligt og efter forstyrrelse. Beregning af den elektriske tærskel over et større antal tidligere stimuli vil give bedre pålidelighed, men vil øge den tid, der kræves for at nå et nøjagtigt skøn.
APTrack blev designet til brug i perifere nerveoptagelser, specifikt til at spore de elektriske tærskler for C-fibre under eksperimentelle og patologiske forstyrrelser over perioder, hvor aktionspotentiallatenstiden kan variere afhængigt af den underliggende neuronale aktivitet. Denne metode vil gøre det muligt at undersøge ikke kun aksonal excitabilitet, men også nociceptorgeneratorpotentialer hos raske frivillige og patienter. Vi forventer, at andre områder inden for elektrofysiologi kan vedtage og tilpasse dette værktøj til brug i ethvert eksperiment, der kræver elektrisk tærskelsporing af en stimuluslåst aktivitet. For eksempel kunne dette lige så let tilpasses til optogenetisk stimulering med lysimpulser drevet fra APTrack. Pluginet er open source og tilgængeligt for forskere under en GPLv3-licens. Det er bygget på Open Ephys-platformen, som er et tilpasningsdygtigt, billigt, open source-dataindsamlingssystem. Pluginet giver yderligere kroge til downstream-plugins for at udtrække handlingspotentialeoplysningerne og give yderligere brugergrænseflader eller tilpasningsparadigmer. Pluginet giver en enkel brugergrænseflade til visualisering og latenssporing af handlingspotentialer i realtid. Det kan også afspille tidligere data og visualisere dem ved hjælp af det tidsmæssige rasterplot. Desuden kan den også udføre latenssporing under afspilning af tidligere data. Selvom der er andre softwarepakker tilgængelige til sporing af latenstid i realtid, er de ikke open source og kan ikke udføre elektrisk tærskelsporing26,27. APTrack har en fordel i forhold til traditionelle metoder til at identificere konstante latenshandlingspotentialer fra spændingsspor, da det bruger et tidsmæssigt rasterplot til datavisualiseringen. Desuden har vores erfaringer med at bruge det i eksperimenter med lave signal-støj-forhold indikeret, at den tidsmæssige rasterplotvisualiseringsmetode gør det muligt at identificere konstante latensaktionspotentialer, der ellers kunne være gået glip af.
Helnervetærskelsporing er en meget anvendt metode til vurdering af aksonal excitabilitet13. Enkeltneuron elektrisk tærskelsporing i gnavere C-fibre er tidligere blevet brugt til at kvantificere nociceptor excitabilitet14, og dets anvendelighed hos mennesker anerkendes10,11; Men indtil nu var dette ikke muligt. Vi leverer et nyt open source-værktøj til direkte måling af enkelt nociceptorexcitabilitet i både elektrofysiologiske undersøgelser af gnavere og human perifer nerve. APTrack muliggør for første gang open source, elektrisk tærskelsporing i realtid af enkeltneuronaktionspotentialer hos mennesker. Vi forventer, at det vil lette translationelle undersøgelser af nociceptorer mellem gnavere og mennesker.

Nociceptorer er primære afferente neuroner i det perifere nervesystem, der aktiveres af åbenlyse eller potentielt vævsskadelige hændelser og spiller en kritisk beskyttende rolle i akut smerte1. Elektrofysiologiske optagelser fra C-fiber og Aδ-fiber nociceptorer i dyremodeller, raske frivillige forsøgspersoner og patienter har afsløret sensibilisering og unormal spontan aktivitet i en bred vifte af smertetilstande 2,3,4,5,6,7. Forståelse af de mekanismer, der ligger til grund for disse ændringer i nociceptorexcitabilitet hos patienter, kan muliggøre målrettede terapeutiske interventioner8. Der er dog få værktøjer til at vurdere nociceptorexcitabilitet direkte, især hos patienter9, men potentialet for nytten af sådanne værktøjer er velkendt10,11.
Helnerve elektrisk tærskelsporing kan bruges til at undersøge aksonal excitabilitet hos mennesker12. Da store, myelinerede, perifere neuroner imidlertid bidrager uforholdsmæssigt til amplituden af det sensoriske sammensatte handlingspotentiale, tillader helnerve elektrisk tærskelsporing ikke vurdering af C-fiberfunktion11,13. Faktisk viste helnerve elektrisk tærskelsporing i kroniske neuropatiske smertekohorter med diabetisk neuropati og kemoterapi-induceret polyneuropati ingen forskelle i aksonal excitabilitet11.
I en tidligere undersøgelse blev elektrisk tærskelsporing på enkeltneuronniveau brugt til at undersøge excitabiliteten af C-fibernociceptorer under drillede fiberoptagelser i et ex vivo rottehudnervepræparat14. Forfatterne viste, at en øget kaliumkoncentration, sure forhold og bradykinin alle øgede C-fiber nociceptor excitabilitet, som afspejlet ved en reduceret elektrisk tærskel for generering af handlingspotentiale. Desuden reducerede opvarmning af det modtagelige felt for de varmefølsomme nociceptorer deres elektriske tærskel, mens varmefølsomme nociceptorer udviste en stigning i deres elektriske tærskel14. Dette giver et vigtigt bevis på, at enkeltneuron elektrisk tærskelsporing er mulig og kan være til nytte, men der er i øjeblikket ingen software og / eller hardwareløsninger til rådighed for at muliggøre sådanne undersøgelser, især til menneskelige undersøgelser.
Hos mennesker er mikroneurografi den eneste tilgængelige metode til direkte vurdering af de elektrofysiologiske egenskaber af C-fibre15. Denne fremgangsmåde er blevet anvendt til at påvise nociceptordysfunktion hos patienter med kroniske smerter 2,3,4,5,6,7. Mikroneurografi kan detektere enkeltneuronaktionspotentialer; På grund af de lave signal-støj-forhold bruger forskere imidlertid mærkningsteknikken til at karakterisere C-fiberaktivitet16. I mærkningsteknikken anvendes suprathreshold elektrisk stimulering på C-fibermodtagelige felter i huden. Denne elektriske stimulering genererer et handlingspotentiale, der forekommer ved en konstant latenstid, som bestemmes af C-fiberens ledningshastighed. C-fibre udviser aktivitetsafhængig opbremsning, hvorved deres ledningshastighed reduceres, og derfor øges deres ledningslatens i perioder med handlingspotentiel udledning17. Under basale forhold genererer C-fibre normalt ikke handlingspotentialer i fravær af skadelige stimuli, og derfor er deres ledningslatens som reaktion på lavfrekvent elektrisk stimulering konstant. Mekaniske, termiske eller farmakologiske stimuli, der fremkalder fyring, inducerer aktivitetsafhængig opbremsning, hvilket øger latenstiden for de handlingspotentialer, der fremkaldes af samtidig lavfrekvent elektrisk stimulering. Dette muliggør objektiv identifikation af reaktioner på de anvendte ikke-elektriske stimuli i forbindelse med et lavt signal-støj-forhold. Derfor kan aktivitetsafhængig opbremsning bruges til funktionelt at karakterisere C-fibre16. Faktisk udviser forskellige funktionelle klasser af C-fibre karakteristiske mønstre af aktivitetsafhængig opbremsning i elektriske stimuleringsparadigmer, der involverer varierende stimuleringsfrekvens18,19. Denne variation i latenstiden for C-fiberaktionspotentialer udgør en udfordring for algoritmer, der er designet til at overvåge dem.
Løbende aktivitet i en nociceptor fører til øget variabilitet i dens latenstid under lavfrekvent elektrisk stimulering, og dette skyldes igen aktivitetsafhængig opbremsning. Denne øgede variabilitet, eller jitter, er et kvantificerbart proxymål for excitabilitet2. Yderligere årsager til variabilitet i handlingspotentiel latenstid inkluderer flip-flop, hvor alternative terminale grene af en enkelt neuron stimuleres, hvilket får det fremkaldte handlingspotentiale til at have to (eller flere) baseline-latenstider, der gensidigt udelukker20. Endelig forårsager ændringer i temperaturen på en perifer neurons terminale grene også ændringer i handlingspotentiel latenstid på en termodynamisk måde, hvor opvarmning øger ledningshastigheden og afkøling bremser ledningshastigheden19. Således skal enhver software, der søger at udføre lukket elektrisk tærskelsporing af nociceptive C-fibre, tillade ændringer i latenstid i elektrisk fremkaldte handlingspotentialer.
For at nå vores mål om krydsartssporing af elektriske tærskelsporinger af C-fibernociceptorer udviklede vi APTrack, et open source-software-plugin til Open Ephys-platformen21, for at muliggøre realtids, lukket kredsløb, elektrisk tærskelsporing og latenssporing. Vi leverer proof-of-concept-data, der viser, at C-fiber nociceptor elektrisk tærskelsporing under human mikroneurografi er mulig. Desuden viser vi, at dette værktøj kan bruges i gnaver ex vivo teased-fiber elektrofysiologi, hvilket muliggør translationelle undersøgelser mellem mennesker og gnavere. Her vil vi i detaljer beskrive, hvordan forskere kan implementere og bruge dette værktøj til at hjælpe deres undersøgelse af nociceptorfunktion og excitabilitet.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>12V DC Power Supply&#160;</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>To power uStepper S-lite. Required for dial-controlled stimulators.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>36 Pin Electrode Adapter Board</td>
			<td>Intan Technology</td>
			<td>C3410</td>
			<td>APTrack Dependency. For connecting electrode input to headstage. $255 USD as of March 2021.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>APTrack Plugin</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>https://github.com/Microneurography/APTrack</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bipolar Ag/AgCl Recording Electrode</td>
			<td>Custom</td>
			<td>NA</td>
			<td>Recording electrode for the skin-nerve preparation. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bipolar Concentric Stimulating Electrode</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>SNE-100</td>
			<td>For electrical stimulation in the mouse skin-nerve preparation. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bipolar Transcutaneous Stimulating Electrode</td>
			<td>Custom</td>
			<td>NA</td>
			<td>For transcutaneous electrical stimulation while searching for single-neuron action potentials during microneurography.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BNC T Splitter (1+)</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>APTrack Dependency. Any standard BNC T splitter.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BNC to BNC cables (3+)</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>APTrack Dependency. Any standard BNC cables.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C6H11NaO7</td>
			<td>Merck</td>
			<td>S2054</td>
			<td>Skin-nerve preparation synthetic interstitial fluid constituent. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CaCl2</td>
			<td>Merck</td>
			<td>C5670</td>
			<td>Skin-nerve preparation synthetic interstitial fluid constituent. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digitimer DS4 Constant Current Stimulator</td>
			<td>Digitimer</td>
			<td>DS4</td>
			<td>Constant current stiulator for animal research. &#163;1,695 GBP as of September 2022.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digitimer DS7 Constant Current Stimulator</td>
			<td>Digitimer</td>
			<td>DS7A</td>
			<td>Constant current stiulator for human research. &#163;3,400 GBP as of September 2022.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electroaccupuncture Classic Plus Stimulating Electrodes</td>
			<td>Harmony Medical</td>
			<td>NA</td>
			<td>For fixed position intradermal electrical stimulation of the dorsal aspect of the foot during human microneurography.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glucose</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>G/0450/60</td>
			<td>Skin-nerve preparation synthetic interstitial fluid constituent. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HDMI Cable</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>APTrack Dependency. Any standard passive HMDI cable. To connect OE I/O Board to OE Acquisition Board.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KCl</td>
			<td>Merck</td>
			<td>P9541</td>
			<td>Skin-nerve preparation synthetic interstitial fluid constituent. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MgSO4</td>
			<td>Acros Organics</td>
			<td>213115000</td>
			<td>Skin-nerve preparation synthetic interstitial fluid constituent. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mineral Oil</td>
			<td>Merck</td>
			<td>330779</td>
			<td>Electrical insulation for nerve recordings in th skin-nerve preparation. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaCl</td>
			<td>Merck</td>
			<td>S9888</td>
			<td>Skin-nerve preparation synthetic interstitial fluid constituent. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaHCO3</td>
			<td>Merck</td>
			<td>S6014</td>
			<td>Skin-nerve preparation synthetic interstitial fluid constituent. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaHCO3</td>
			<td>Merck</td>
			<td>S0751</td>
			<td>Skin-nerve preparation synthetic interstitial fluid constituent. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Open Ephys Acquisition Board</td>
			<td>Open Ephys</td>
			<td>NA</td>
			<td>APTrack Dependency. Includes USB cable to connect to computer and mains socket power supply. &#8364;2,955 EUR as of September 2022.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Open Ephys Graphical User Interface</td>
			<td>Open Ephys</td>
			<td>NA</td>
			<td>https://github.com/open-ephys/plugin-GUI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Open Ephys I/O Board</td>
			<td>Open Ephys</td>
			<td>NA</td>
			<td>APTrack Dependency. For ADC voltage inputs via BNC cables. &#8364;12.5 EUR without connectors, &#8364;85 EUR with connectors as of September 2022.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PulsePal V2</td>
			<td>Sanworks</td>
			<td>1102</td>
			<td>APTrack Dependency. Open-source DAC and train generator. $725 USD pre-assembled as of September 2022. Approx. $275 USD for self-assembly.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RHD 6ft SPI Cable</td>
			<td>Intan Technology</td>
			<td>C3206</td>
			<td>APTrack Dependency. For connecting headstage to OE Acquisition Board. $295 USD as of March 2021</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RHD2216 16ch Bipolar Headstage</td>
			<td>Intan Technology</td>
			<td>C3313</td>
			<td>APTrack Dependency. For data acquisition and digitization. $725 USD as of March 2021. Or equivalent RHD2000 series headstage.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sucrose</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>S/8560/60</td>
			<td>Skin-nerve preparation synthetic interstitial fluid constituent. Or equivalent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TCS-II Thermal Stimulator</td>
			<td>QST.Lab</td>
			<td>NA</td>
			<td>For thermal stimualtion of nociceptor receptive fields during human microneurography.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tungsten Microelectrode Pair (Active + Reference)</td>
			<td>FHC</td>
			<td>30085</td>
			<td>For microneurography recordings. 35mm.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound Scanner iQ+&#160;</td>
			<td>Butterfly Network</td>
			<td>NA</td>
			<td>For ultrasound-guided electrode insertion during microneurography.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>USB 3.0 5kV RMS Isolation</td>
			<td>Inota Technology</td>
			<td>7055-D</td>
			<td>For isolating human microneuroography participant from computer. &#8364;459 EUR as of September 2022.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>USB-A to micro USB-B cable (2)</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>APTrack Dependency. To connect computer to PulsePal and to uStepper S-lite if using stepper-stimulator interfacing.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>uStepper S-lite + NEMA17 motor</td>
			<td>uStepper</td>
			<td>NA</td>
			<td>To interface with stimulators via a control dial. &#8364;50 EUR as of September 2022.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Von Frey Filaments</td>
			<td>Ugo Basile</td>
			<td>37450-275</td>
			<td>For mechanical stimulation of receptive fields during sensory phenotyping of nociceptors.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

open-source real-time closed-loop electrical threshold tracking for translational pain research

Nociceptorer er en klasse af primære afferente neuroner, der signalerer potentielt skadelige skadelige stimuli. En stigning i nociceptor excitabilitet forekommer i akutte og kroniske smertetilstande. Dette producerer unormal løbende aktivitet eller reducerede aktiveringstærskler til skadelige stimuli. Identifikation af årsagen til denne øgede excitabilitet er nødvendig for udvikling og validering af mekanismebaserede behandlinger. Enkeltneuron elektrisk tærskelsporing kan kvantificere nociceptor excitabilitet. Derfor har vi udviklet en applikation til at tillade sådanne målinger og demonstrere dets anvendelse hos mennesker og gnavere. APTrack giver datavisualisering i realtid og identifikation af handlingspotentiale ved hjælp af et tidsmæssigt rasterplot. Algoritmer registrerer handlingspotentialer ved tærskelkrydsning og overvåger deres latenstid efter elektrisk stimulering. Pluginet modulerer derefter den elektriske stimuleringsamplitude ved hjælp af en op-ned-metode til at estimere nociceptorernes elektriske tærskel. Softwaren blev bygget på Open Ephys-systemet (V0.54) og kodet i C ++ ved hjælp af JUCE-rammen. Det kører på Windows-, Linux- og Mac-operativsystemer. Open source-koden er tilgængelig (<a data-saferedirecturl="https://www.google.com/url?q=https://github.com/Microneurography/APTrack&source=gmail&ust=1680789829274000&usg=AOvVaw0nMk9J_EI2jUn8SlmC5JJm" href="https://github.com/Microneurography/APTrack" target="_blank">https://github.com/ Mikroneurografi/APTrack</a>). De elektrofysiologiske optagelser blev taget fra nociceptorer i både et musehud-nervepræparat ved hjælp af den drillede fibermetode i saphenøs nerve og hos raske menneskelige frivillige ved hjælp af mikroneurografi i den overfladiske peronealnerve. Nociceptorer blev klassificeret efter deres respons på termiske og mekaniske stimuli samt ved at overvåge den aktivitetsafhængige opbremsning af ledningshastigheden. Softwaren lettede eksperimentet ved at forenkle identifikationen af handlingspotentialet gennem det tidsmæssige rasterplot. Vi demonstrerer realtids lukket kredsløb elektrisk tærskelsporing af enkeltneuronaktionspotentialer under in vivo human mikroneurografi for første gang og under ex vivo mus elektrofysiologiske optagelser af C-fibre og Aδ-fibre. Vi etablerer principbevis ved at vise, at den elektriske tærskel for en menneskelig varmefølsom C-fiber nociceptor reduceres ved opvarmning af det modtagelige felt. Dette plugin muliggør elektrisk tærskelsporing af enkeltneuronaktionspotentialer og muliggør kvantificering af ændringer i nociceptorexcitabilitet.

Et repræsentativt eksempel på software, der arbejder for at styre et eksperiment, er vist i figur 7. Det justerer iterativt stimuleringsamplituden ved hjælp af en op-ned-metode til effektivt at finde den elektriske tærskel for enkelte nociceptorer. For første gang demonstrerer vi gennemførligheden af realtids enkeltneuron elektrisk tærskelsporing hos mennesker under mikroneurografi (figur 7A). Derudover viser vi elektrisk tærskelsporing i en mus Aδ-fiber (figur 7B). Identifikationen af aktionspotentialer ved tærskeloverskæring, som anvendt her, er tilstrækkelig til at spore elektriske tærskler over tid. Vi anbefaler, at brugerne tager skridt til at minimere elektrisk støj under deres optagelser, f.eks. ved at bruge et Faraday-bur og båndpasfiltre for at forbedre signal-støj-forholdet.
For at demonstrere, at elektrisk tærskelsporing kan bruges som et mål for ændringer i nociceptorexcitabilitet hos mennesker, blev der udført sporing af den elektriske tærskel under et trinvist opvarmningsparadigme (figur 8). Forøgelse af nociceptorterminalernes temperatur reducerede den elektriske stimuleringsstrøm, der kræves for at fremkalde et handlingspotentiale, hvilket afspejler en stigning i nociceptorexcitabilitet (figur 8C). Dette var sandsynligvis forårsaget af generering af receptorpotentialer af de varmefølsomme ionkanaler udtrykt i C-fiber nociceptor14. Ved det højeste temperaturtrin, 44 °C, fremkaldte termisk fremkaldte aktionspotentialer (figur 8A, stimulusnummer 86-96). Dette medfører en stigning i den elektriske tærskel, da nociceptoren kan være i ildfast tilstand efter højfrekvent udladning. Som forventet faldt latenstiden for det sporede aktionspotentiale, efterhånden som temperaturen steg. Dette menes at ske på grund af en termodynamisk effekt på ledningsmaskineriet, hvilket øger ledningshastigheden af C-fiberen. Denne C-fiber kan også udvise flip-flop (figur 8B, stimulusnummer 47-54), hvilket kan resultere i, at følgende elektriske stimulering fejlagtigt øges i amplitude, hvis handlingspotentialet falder uden for algoritmens søgevindue.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig01.jpg"> Figur 1: Et skema over udstyrsopsætning og kabelforbindelser, der kræves til nociceptor elektrisk tærskelsporing med APTrack hos gnavere og mennesker. Bemærk de to forskellige metoder til stimuleringsamplitudekontrol: en stepmotor til manuelt justerede stimulatorer i vores menneskelige opsætning og en PulsePal til indgangsspændingsstyrede stimulatorer i vores gnaveropsætning. (1) En pc (Windows, Mac eller Linux), der kører pluginet til Open Ephys-platformen. (2) En stepmotor, der betjener stimuleringsamplitudehjulet på DS7. (3) En konstantstrømsstimulator, der er godkendt til brug hos mennesker; her brugte vi en DS7. (4) En USB 3.0-optoisolator, som isolerer den menneskelige deltager fra pc'en (valgfrit, kræves kun til forskning på mennesker). (5) En PulsePal V2-pulsgenerator, der genererer TTL-tidsstempler (udgangskanal 2) og spændingstrin svarende til den ønskede stimuleringsamplitude (udgangskanal 1). 6) En konstantstrømstimulator til brug hos dyr; her brugte vi en DS4. (7) En jævnstrømsforsyning til systemet (jævnstrømsstrømforsyning, der bruges til gnaveropsætningen, og batteri-jævnstrømsforsyning, der bruges til den menneskelige opsætning). (8) Et opkøbsråd. (9) Et I/O-kort til tilslutning af BNC-koaksialkabler, der bærer de signaler, der skal registreres, såsom termoelementudgange og TTL-markører. (10) Hud-nervepræparatet med mus, der gennemgår nociceptorelektrofysiologiske registreringer. (11) En menneskelig deltager, der gennemgår mikroneurografi optagelse fra C-fibre i den overfladiske peroneale nerve. (12) Et Intan RHD2216-hovedscene til erhvervelse og digitalisering af optagelserne. (13) Et Intan-elektrodeadapterkort, som optageelektroderne er tilsluttet, og som gør det muligt at sende signalet til RHD2216-hovedkvarteret. (14) Et termisk stimuleringssystem, der kan udsende temperaturen via en BNC-koaksialforbindelse. (15) En 3,3 V batteridrevet knap/fodpedal, der bruges til at markere mekaniske stimuleringshændelser og lægemiddelapplikationer. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig01large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig02.jpg"> Figur 2: Skabelon signalkæde. Den røde pil peger på knappen til aktivering af ADC-input fra I/O-kortet. Den gule pil angiver rullemenuen til valg af Open Ephys-filformatet. Den grønne pil angiver knapperne Afspil og Optag. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig02large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig03.jpg"> Figur 3: Grafisk brugergrænseflade. GUI'en består af fire hovedkomponenter. (1) Panelet Temporal Raster Plot (grønt) til datavisualisering og de indstillinger, der er knyttet til styring af plottet. Et konstant latensrespons, der viser gradvis aktivitetsafhængig opbremsning, er angivet med den grønne pil. (2) Stimuleringskontrolpanel (gult) til indstilling af stimuleringsamplitudeparametre og indlæsning af stimuleringsparadigmeskripter. (3) Multi-Unit Tracking Table (blå) til tilføjelse af aktionspotentialer til sporing og aktivering af latenstid og elektrisk tærskelsporing. (4) Indstillinger Menu til valg af farveformater og inputkanal for data og TTL-udløsere. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig03large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig04.jpg"> Figur 4: Facilitering af identifikation af konstante latenshandlingspotentialer gennem datavisualisering i realtid på et tidsmæssigt rasterplot ved hjælp af APTrack. Dette er et eksempel på et højt signal-støj-forhold. De data, der præsenteres i det tidlige rasterplot, er fra en human C-fiberoptagelse fra den overfladiske peroneale nerve under mikroneurografi. Voltage Trace er det oscilloskoplignende LFP Viewer-plugin i Open Ephys. APTrack-brugergrænsefladen er pluginets grafiske brugergrænseflade. Det sporede handlingspotentiale er angivet med grønne pile, og den cirkulære skyder på grænsen til det tidsmæssige rasterplot er til styring af søgefeltets position, hvor algoritmerne vil søge efter tærskelkrydsningshændelser. Den elektriske stimuleringsartefakt er markeret med blåt på spændingssporet. Stimuleringsamplituden for den analoge spændingskommando er angivet med rødt; Bemærk, at dette muligvis ikke er det samme som stimuleringsstrømamplituden afhængigt af skaleringsfaktoren indstillet på stimulatoren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig04large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig05.jpg"> Figur 5: Grafisk repræsentation af latenssporingsalgoritmen. Enkelt sagt, hvis et handlingspotentiale registreres ved tærskeloverskæring, justerer søgefeltet sin position til at centrere sig selv på tidspunktet for spidsspændingen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig05large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig06.jpg"> Figur 6: Grafisk repræsentation af algoritmen til sporing af elektrisk tærskel. Enkelt sagt, hvis et handlingspotentiale detekteres ved tærskelkrydsning, vil stimuleringsamplituden blive reduceret med reduktionshastigheden. Hvis der ikke påvises noget handlingspotentiale, øges stimuleringsamplituden med tilvæksthastigheden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig06large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig07.jpg"> Figur 7: Automatiseret elektrisk tærskelsporing af enkeltneuronaktionspotentialer ved en stimuleringsfrekvens på 0,25 Hz . (A) Sekventielle spor af en human C-fiber af den overfladiske peroneale nerve under et mikroneurografisk eksperiment. (B) Sekventielle spor af en mus Aδ-fiber af saphenøs nerve under hud-nerve forberedelse drillet fiber elektrofysiologi. Sporene blev farvet røde, når et handlingspotentiale blev identificeret, hvilket resulterede i et fald i stimulusamplituden. Softwarealgoritmen finder effektivt den stimulusamplitude, der kræves for en 50% sandsynlighed for fyring. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig07large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig08.jpg"> Figur 8: Elektrisk tærskelsporing ved en 0,25 Hz stimuleringsfrekvens under termisk stimulering af en human C-fiber nociceptor. Y-aksen koder for stimuleringstallet fra paradigmets start. (A) Spændingsspor i 4.000 ms efter elektrisk stimulering, med tærskelkrydsningshændelser markeret med rødt. (B) Spændingsspor fra A zoomede ind omkring det sporede aktionspotentiale. Sporene blev farvet røde, da det sporede aktionspotentiale blev detekteret. Den lodrette blå linje er den sporede enheds basislinjeventetid. (C) Stimuleringsstrøm befalet af APTrack. Den lodrette blå linje er den elektriske tærskel for basislinjen. D) Termisk stimulerende sondetemperatur med modtagefelt TCS-II. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig08large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Forbindelse</td>
			<td>Koncentration</td>
		</tr><tr><td>NaCl</td>
			<td>107,8 mM</td>
		</tr><tr><td>NaHCO3</td>
			<td>26,2 mM</td>
		</tr><tr><td>KCl</td>
			<td>3,5 mM</td>
		</tr><tr><td>NaH2PO4</td>
			<td>1,67 mM</td>
		</tr><tr><td>CaCl2 Annoncer</td>
			<td>1,53 mM</td>
		</tr><tr><td>MgSO4</td>
			<td>0,69 mM</td>
		</tr><tr><td>Natriumgluconat</td>
			<td>9,64 mM</td>
		</tr><tr><td>Saccharose</td>
			<td>7,6 mM</td>
		</tr><tr><td>Glukose</td>
			<td>5,55 mM</td>
		</tr></tbody></table>Tabel 1: Indhold af den syntetiske interstitielle væske til musehud-nervepræparatet23.

Watch this Scientific Journal Video about Open-Source Real-Time Closed-Loop Electrical Threshold Tracking for Translational Pain Research at JoVE.com

Open-Source Real-Time Closed-Loop Electrical Threshold Tracking for Translational Pain Research

APTrack er et software-plugin udviklet til Open Ephys-platformen, der muliggør datavisualisering i realtid og lukket elektrisk tærskelsporing af neuronale handlingspotentialer. Vi har med succes brugt dette i mikroneurografi til humane C-fiber nociceptorer og mus C-fiber og Aδ-fiber nociceptorer.

Open source realtids lukket kredsløb elektrisk tærskelsporing til translationel smerteforskning

Nociceptors are a class of primary afferent neurons that signal potentially harmful noxious stimuli. An increase in nociceptor excitability occurs in ...

Dette værktøj kan bruges til at undersøge forskellige mekanismer for nociceptorsensibilisering, og det er denne sensibilisering, der kan drive nogle former for kronisk smerte. Automatiseret elektrisk tærskelsporing giver en pålidelig, online, realtidsmåling af nociceptorens excitabilitet. Som sådan giver denne foranstaltning en vigtig translationel bro, der gør det muligt at foretage målinger i både mennesker og dyr.På samme måde gør det muligt at vurdere effektiv patologi og behandlinger. I fremtiden kan AP Track bruges til kroniske smertepatienter for at bekræfte, om et terapeutisk middel normaliserer excitabiliteten af deres sensibiliserede nociceptorer. Dette ville udgøre en afgørende biomarkør for effektivitet.Vi forventer, at vores open source-værktøjssæt, AP Track, vil være nyttigt for elektrofysiologer, der studerer tidssløjfestimuli af forskellig størrelse. For eksempel tror vi også, at det vil være nyttigt at studere optogenetik. Det er udfordrende at administrere et eksperiment og software samtidigt i starten, så jeg anbefaler, at brugerne indlæser forudindspillede data i AP Track for at gøre sig bekendt med brugen af dem, før de forsøger et eksperiment.Vi har leveret demodata. For at begynde skal du slutte anskaffelseskortet til computeren ved hjælp af det kabel, der leveres af producenten, og tænde dem. Tilslut derefter IO-kortet til den analoge import på anskaffelseskortet, og tilslut et Intan RHD-optagelseshovedscene til anskaffelseskortet ved hjælp af et serielt perifert interfacekabel.Tilslut derefter Pulse Pal til computeren. Opdel signalet fra Pulse Pal-udgangskanalen en ved hjælp af en BNC T-splitter, og tilslut det derefter til konstantstrømsstimulatorindgangen og IO-kortet, så den analoge spændingskommando kan optages. Tilslut Pulse Pal-udgangskanalen to til IO-kortet for at registrere stimulerings-TTL-hændelsesmarkørerne.Til montering med en skivestyret konstantstrømsstimulator skal du tænde for en konstantstrømstimulator og tilslutte stepmotorens kontrolkort til stepmotoren ved hjælp af det af producenten leverede kabel og magnetiske holder. Tilslut kontrolkortet direkte til computeren ved hjælp af et hvilket som helst standard USB-A til USB micro B-kabel. Tilslut kontrolkortet og stepmotoren til et brugerdefineret monteringsbeslag, og indstil stimuleringsamplitudehjulet på konstantstrømstimulatoren til nul milliampere.Tilslut derefter en brugerdefineret tøndeadapter til stepmotorcylinderen. Fastgør stepmotoren og det brugerdefinerede monteringsapparat til stimuleringsamplitudehjulet på konstantstrømsstimulatoren ved hjælp af tøndeadapteren, og tænd den. Åbn AP Track GUI og etablere en stabil perifer nerveelektrofysiologisk optagelse.Identificer det modtagelige felt på huden og placer den stimulerende elektrode der. I menuen Indstillinger skal du vælge Triggerkanal og vælge ADC-kanalen, der indeholder TTL-markøren for elektrisk stimulering fra Pulse Pal-udgangskanal to. Vælg derefter datakanalen, og vælg den kanal, der indeholder de elektrofysiologiske data.Klik på Tilslut for at forbinde AP Track til Pulse Pal og stepmotorapparatet. Dette kan tage et øjeblik. Når den er tilsluttet, indstiller stepmotorens kontrolkort sig til position nul.I stimuleringskontrolpanelet skal du definere de indledende minimale og maksimale stimuleringsamplituder ved hjælp af skyderen. Sørg for, at den aktuelle stimulering er indstillet over nul, så TTL-markører genereres. Klik på F for at indlæse en fil, der indeholder stimuleringsinstruktionerne, og klik derefter på højre pil for at starte det indlæste stimuleringsparadigme.Det temporale rasterplot begynder at opdatere med responsen på elektrisk stimulering, hvor hvert nyt stimuleringsrespons vises som en ny kolonne til højre. For at kunne registrere handlingspotentialerne for en enkelt neuron skal du gå til panelet for temporale rasterplots og justere tærskelværdierne for lav, detektion og højt billede. Når passende billedtærskler er indstillet, kodes tærskelkrydsningshændelserne, der registreres af algoritmerne, med grønt.Bevæg systematisk den stimulerende elektrode rundt om hudområdet innerveret af nerven. Overvåg det temporale rasterplot for tre tærskelkrydsningshændelser, der vises i træk med samme latenstid, mens elektroden er i samme stimuleringsposition. Dette indikerer identifikation af et konstant latens perifert neuronaktionspotentiale.Når du har identificeret det enkelte neuronaktionspotentiale på det tidsmæssige rasterplot, skal du flytte den grå lineære skyder på højre side af plottet for at justere placeringen af søgefeltet. Juster derefter søgefeltet med drejeskyderen til en passende bredde. Gør søgefeltets bredde small.For at begynde at spore det målrettede handlingspotentiale skal du klikke på plustegnet under sporingstabellen for flere enheder. En ny række føjes til tabellen, der indeholder detaljerne om målhandlingspotentialet, herunder latensplaceringen, procentdelen af affyring over to til 10 stimuli og den detekterede topamplitude. Latenssporingsalgoritmen udføres automatisk på den ved hver efterfølgende elektrisk stimulering.Markér feltet med sporspids i tabellen for at flytte søgefeltet til den relevante position for det pågældende handlingspotentiale. Beregn ledningshastigheden for det perifere neuron ved at dividere afstanden mellem stimulerings- og registreringsstederne med latenstiden vist i tabellen. For at udføre den elektriske tærskelsporing skal du justere stignings- og reduktionshastighederne i stimuleringskontrolpanelet til den ønskede hastighed.Hold disse værdier ens. Sørg for, at stimuleringsfrekvensen er indstillet til en passende hastighed, typisk 0,25 til 0,5 Hertz. Juster stimuleringsamplituden manuelt omtrent til neuronens elektriske tærskel.Marker derefter sportærskelfeltet i sporingstabellen for flere enheder, som starter den elektriske tærskelsporingsalgoritme. I sporingstabellen med flere enheder skal du overvåge affyringshastigheden. En affyringshastighed på 50% angiver, at den omtrentlige elektriske tærskel er bestemt, og tærskelværdien opdateres.Til sidst skal du anvende en eksperimentel manipulation på det modtagelige felt og fortsætte med at spore den elektriske tærskel. Dette vil kvantificere ændringer i den perifere neuron excitabilitet. De sekventielle spor af en human C-fiber af den overfladiske flerårige nerve under et mikroneurografieksperiment og de sekventielle spor af en mus A-deltafiber af saphenøs nerve under hud-nerve forberedelse drillet fiber elektrofysiologi er vist i denne figur.Sporene blev farvet røde, når et handlingspotentiale blev identificeret, hvilket resulterede i et fald i stimulusamplituden. Softwarealgoritmen finder effektivt den stimulusamplitude, der kræves for en 50%sandsynlighed for fyring. Den elektriske tærskelsporing ved en 0,25 Hertz stimuleringsfrekvens under termisk stimulering af en human C-fiber nociceptor er vist i denne figur.Y-aksen koder for stimuleringstallet fra paradigmets start. Spændingssporene i 4.000 millisekunder efter den elektriske stimulering med tærskelkrydsningshændelserne er markeret med rødt. Spændingssporet, der zoomes ind omkring det sporede aktionspotentiale, vises her.Den lodrette blå linje er den sporede enheds basislinjeventetid. Stimuleringsstrømmen, der befales af AP Track, er vist i denne figur. Den lodrette blå linje er den elektriske tærskel for basislinjen.Det modtagelige felt TCS-II termisk stimulerende sondetemperatur præsenteres her. Da det modtagelige felt for denne varmefølsomme C-fiber opvarmes af den termiske stimulator, falder den elektriske tærskel. Det er vigtigt at vælge de passende værdier for søgefeltets bredde og registreringstærskel, da de forbedrer AP Tracks ydeevne betydeligt ved at reducere virkningen af elektrisk støj.Kvantificering af virkningen af terapeutiske midler på hyperexcitabilitet hos nociceptorer kan hjælpe os med bedre at forstå mekanismerne bag kronisk smerte. Vi håber, at andre forskere vil bruge dette frit tilgængelige værktøj til bedre at forstå nociceptiv biologi og de ændringer, der opstod under nociceptorsensibilisering.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

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

Recording Human Electrocorticographic (ECoG) Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

Recording Human Electrocorticographic ECoG Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

Optagelse Humane Electrocorticographic (ECOG) signaler for neurovidenskabelige forskning og Real-time Funktionel Kortikal Mapping

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), ...

Building An Open-source Robotic Stereotaxic Instrument

Opbygning af et open source Robotic stereotaktisk Instrument

This protocol includes the designs and software necessary to upgrade an existing stereotaxic instrument to a robotic (CNC) stereotaxic instrument for ...

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

Real-time Elektrofysiologi: Brug lukkede kredsløb protokoller til Probe Neuronal Dynamics og 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

Lukket kredsløb Neuro-robot Eksperimenter til Test Computational egenskaber neuronale netværk

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

A Protocol for the Administration of Real-Time fMRI Neurofeedback Training

En protokol til Administration af Real-Time fMRI Neurofeedback træning

Neurologic disorders are characterized by abnormal cellular-, molecular-, and circuit-level functions in the brain. New methods to induce and control ...

Real-time Video Projection in an MRI for Characterization of Neural Correlates Associated with Mirror Therapy for Phantom Limb Pain

Real-time Video projektion i en MR-scanning til karakterisering af neurale korrelerer forbundet med spejl terapi for fantomsmerter i lemmer

Mirror therapy (MT) has been proposed as an effective rehabilitative strategy to alleviate pain symptoms in amputees with phantom limb pain (PLP). ...

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

Brug neuron spiking aktivitet til at udløse lukkede loop stimuli i neurofysiologiske eksperimenter

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

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Real-Time fMRI hjernekortlægning hos dyr

Dynamic fMRI responses vary largely according to the physiological conditions of animals either under anesthesia or in awake states. We developed a ...

Conventional and Threshold-Tracking Transcranial Magnetic Stimulation Tests for Single-handed Operation

Konventionelle og tærskelsporing transkranial magnetisk stimulation tests for enhåndsdrift

Most single-pulse transcranial magnetic stimulation (TMS) parameters (e.g., motor threshold, stimulus-response function, cortical silent period) are used ...