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

We willen onze financiers bedanken voor hun steun: 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.), en Biotechnology and Biological Sciences Research Council collaborative training partnership doctoral studentship with Eli Lilly (G.W.T.N.). We willen graag onze dank uitspreken aan alle bijdragers aan de ontwikkeling van APTrack. We willen ook onze vrijwilligers bedanken die hebben deelgenomen aan de microneurografie-experimenten en onze medewerkers voor patiënten- en publieke betrokkenheid en betrokkenheid voor hun onschatbare bijdragen.

<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. is een BBSRC Collaborative Training Partnership Doctoral Studentship met de Universiteit van Bristol en Eli Lilly and Company (BB / T508342/1). A.P.N. is een huidige werknemer van Eli Lilly and Company en kan aandelen in dit bedrijf bezitten.

APTrack is een software plugin voor gebruik met het Open Ephys platform. We hebben voor dit platform gekozen omdat het open-source, flexibel en goedkoop te implementeren is. Exclusief de kosten van de constante stroomstimulator, kan alle apparatuur die nodig is om de plug-in te gaan gebruiken op het moment van schrijven worden gekocht voor ongeveer $ 5.000 USD. We hopen dat dit onderzoekers in staat zal stellen om APTrack gemakkelijker te implementeren in hun perifere zenuwelektrofysiologische studies. Bovendien kunnen onderzoekers de software vrijelijk aanpassen aan hun experimentele behoeften. Belangrijk is dat deze tool voor het eerst de elektrische drempeltracking van enkele C-vezelnociceptoren bij mensen mogelijk heeft gemaakt.
Hoe hoger de signaal-ruisverhouding, hoe beter de algoritmes actiepotentialen kunnen identificeren. De signaal-ruisverhouding tijdens microneurografie was voldoende in de meeste van onze opnames, maar gebruikers moeten alert zijn op het risico van signaaldegradatie in de loop van de tijd. Dit is vooral belangrijk voor langere experimentele protocollen, omdat als de amplitude van de gevolgde actiepotentiaal onder de detectiedrempel daalt, de stimulatieamplitude ten onrechte wordt verhoogd; Dit kan worden verzacht door experimentatoren die de plug-in controleren en vervolgens de instellingen indien nodig aanpassen. De signaal-ruisverhouding is verbeterd met bandpass-filtering, maar grotere transiënten kunnen nog steeds verkeerd worden geïdentificeerd als actiepotentialen als ze aankomen tijdens het tijdvenster van het zoekvak. Het risico van het verkeerd identificeren van voorbijgaande ruis als actiepotentiaal kan worden verminderd door het tijdsvenster waarin de plug-in naar actiepotentialen zoekt te verkleinen en door de drempelinstellingen te optimaliseren. Er zijn echter nog steeds situaties die men kan tegenkomen die de prestaties van de plug-in belemmeren. Spontane activiteit kan problemen veroorzaken als actiepotentialen met een grotere amplitude binnen het zoekvakvenster van het algoritme vallen, omdat ze verkeerd worden geïdentificeerd als het doelactiepotentiaal. Bovendien kan spontane activiteit in het neuron van belang betekenen dat de elektrische stimulatie daalt tijdens de refractaire periode, waardoor het niet lukt om een actiepotentiaal te genereren. Problemen met het gebruik van de software kunnen ook optreden wanneer primaire afferente neuronen flip-flop vertonen, waarbij alternatieve terminale takken van een enkel neuron worden gestimuleerd, waardoor het opgeroepen actiepotentiaal twee (of meer) basislijnlatenties heeft die elkaar uitsluiten20. Tijdens opnames van neuronen die flip-flop vertoonden met hoge signaal-ruisverhoudingen, hebben we met succes latentie- en elektrische drempeltracking uitgevoerd door de breedte van het zoekvak te vergroten om alle potentiële geleidingssnelheden in te kapselen die het neuron vertoonde. De elektrische drempel kan echter variëren afhankelijk van de terminale tak van het neuron dat wordt geëxciteerd, wat waarschijnlijk gedeeltelijk te wijten is aan verschillen in de afstand van de plaats van de elektrische stimulatie tot de alternatieve nociceptorterminals. Extra werk aan het actiepotentiaalidentificatieproces om bijvoorbeeld sjabloonmatching op te nemen, is haalbaar en kan in deze software worden geïntegreerd. De GUI-plug-ins voor band-stop of adaptieve ruisfiltratie kunnen ook vóór APTrack in de signaalketen worden gebruikt als ze worden ontwikkeld.
We beschouwen de elektrische drempel bepaald als de stroom die nodig is om 50% van de tijd een actiepotentiaal uit te lokken, over een door de gebruiker gedefinieerd aantal elektrische stimuli, meestal 2-10. De morfologie van elektrische stimulatie is 0,5 ms en positieve, blokgolfpulsen. Dit is niet hetzelfde als het bepalen van de rheobase, een veelgebruikte maat voor neuronale prikkelbaarheid. De plug-in kan worden aangepast om de rheobase te bepalen. We streefden echter naar een eenvoudigere maat, omdat dynamische veranderingen in prikkelbaarheid, zoals die verondersteld worden op te treden tijdens verwarming, moeilijker te kwantificeren zouden zijn geweest met rheobase-veranderingen dan onze elektrische drempelschatting.
Deze software kan worden gebruikt in zowel menselijke als knaagdierexperimenten. Dit wordt mogelijk gemaakt door flexibele ondersteuning van de elektrische stimulatiesystemen. De software werkt met elke stimulator die een analoge opdrachtspanning accepteert of handmatig kan worden gekoppeld aan een stappenmotor. Voor microneurografie gebruikten we het met een CE-gemarkeerde constante stroomstimulator die was ontworpen voor gebruik in menselijk onderzoek en waarvan de stimulatie werd geregeld door een wijzerplaat. Stimulatoren die analoge spanningscommando's accepteren, kunnen luidruchtig zijn omdat ze het circuit tussen stimuli niet loskoppelen, wat betekent dat elke 50/60 Hz-brom of ruis op de analoge ingang naar de opname wordt verzonden. Een stimulator die een extra TLL-triggersignaal nodig heeft om het circuit aan te sluiten, waardoor een stimulus kan worden gegenereerd bij een stroom analoog aan de analoge spanningsingang, is ideaal voor gebruik met de plug-in. Dit voorkomt dat de ruis tussen de prikkels door wordt doorgegeven aan de opname.
De software maakt gebruik van een eenvoudige up-down methode om de elektrische drempel te schatten. Dit wordt al vele decennia gebruikt in psychofysische tests25. In lijn met de up-down-methode houdt het algoritme voor het volgen van elektrische drempels voor het moduleren van de stimulatieamplitude alleen rekening met de amplitude en respons van de vorige stimulatie bij het berekenen van de amplitude van de volgende stimulatie. Dit betekent dat de stimulatieamplitude rond de werkelijke elektrische drempel zal oscilleren, waardoor een ontstekingssnelheid van 50% wordt geproduceerd, ervan uitgaande dat de drempel stabiel is. De minimale grootte van een toename of afname is 0,01 V; dit komt overeen met 0,01 mA, ervan uitgaande dat de stimulator een input-to-output-verhouding van 1 V: 1 mA heeft en voldoende resolutie om stapveranderingen zo klein te bereiken. De plug-in zal de live schatting van de elektrische drempel van het doelactiepotentieel bijwerken telkens wanneer deze een vuursnelheid van 50% bereikt ten opzichte van een door de gebruiker gedefinieerd aantal eerdere stimuli (2-10). Post hoc raden we aan om een voortschrijdend gemiddelde van de stimulatieamplitude over de laatste 2-10 stimuli te gebruiken om de elektrische drempel te schatten, en opgemerkt moet worden dat deze schatting alleen nauwkeurig zal zijn wanneer de vuursnelheid relatief stabiel is op 50%. In zowel de live als post hoc schattingen van de elektrische drempel, is er een balans tussen resolutie, betrouwbaarheid en tijd om te overwegen. Het gebruik van kleinere stap- en afnamestappen zal de nauwkeurigheid van de schatting van de elektrische drempel verhogen, maar zal de tijd die nodig is om de nieuwe elektrische drempel in eerste instantie en na verstoring te vinden, verlengen. Het berekenen van de elektrische drempel over een groter aantal eerdere stimuli zal een betere betrouwbaarheid bieden, maar zal de tijd die nodig is om tot een nauwkeurige schatting te komen, verlengen.
APTrack is ontworpen voor gebruik in perifere zenuwopnamen, specifiek om de elektrische drempels van C-vezels te volgen tijdens experimentele en pathologische verstoringen gedurende perioden waarin de actiepotentiaallatentie kan variëren afhankelijk van de onderliggende neuronale activiteit. Deze methode maakt het mogelijk om niet alleen axonale prikkelbaarheid, maar ook van nociceptorgeneratorpotentialen bij gezonde vrijwilligers en patiënten te onderzoeken. We verwachten dat andere gebieden van de elektrofysiologie deze tool kunnen overnemen en aanpassen voor gebruik in elk experiment dat de elektrische drempeltracking van een stimulus-vergrendelde activiteit vereist. Dit kan bijvoorbeeld net zo goed worden aangepast voor optogenetische stimulatie met lichtpulsen aangedreven door APTrack. De plug-in is open-source en beschikbaar voor onderzoekers onder een GPLv3-licentie. Het is gebouwd op het Open Ephys-platform, een aanpasbaar, goedkoop, open-source data-acquisitiesysteem. De plug-in biedt extra haken voor downstream-plug-ins om de actiepotentiaalinformatie te extraheren en extra gebruikersinterfaces of adaptieve paradigma's te bieden. De plug-in biedt een eenvoudige gebruikersinterface voor de visualisatie en latentietracking van actiepotentialen in realtime. Het kan ook eerdere gegevens afspelen en visualiseren met behulp van de tijdelijke rasterplot. Bovendien kan het ook latentietracking uitvoeren tijdens het afspelen van eerdere gegevens. Hoewel er andere softwarepakketten beschikbaar zijn voor real-time latentietracking, zijn ze niet open-source en kunnen ze geen elektrische drempeltrackinguitvoeren 26,27. APTrack heeft een voordeel ten opzichte van traditionele methoden voor het identificeren van actiepotentialen met constante latentie uit spanningssporen, omdat het een tijdelijke rasterplot gebruikt voor de gegevensvisualisatie. Bovendien hebben onze ervaringen met het gebruik ervan in experimenten met lage signaal-ruisverhoudingen aangetoond dat de visualisatiemethode voor temporele rasterplots de identificatie mogelijk maakt van actiepotentialen met constante latentie die anders misschien waren gemist.
Het volgen van de hele zenuwdrempel is een veelgebruikte methode voor het beoordelen van axonale prikkelbaarheid13. Single-neuron elektrische drempel tracking in knaagdier C-vezels is eerder gebruikt om nociceptor excitability14 te kwantificeren, en het nut ervan bij mensen wordt erkend10,11; Tot nu toe was dit echter niet mogelijk. We bieden een nieuwe, open-source tool om de prikkelbaarheid van enkele nociceptor direct te meten in elektrofysiologische studies van zowel knaagdieren als menselijke perifere zenuwen. APTrack maakt voor het eerst de real-time, open-source, elektrische drempeltracking van actiepotentialen met één neuron bij mensen mogelijk. We verwachten dat het translationele studies van nociceptoren tussen knaagdieren en mensen zal vergemakkelijken.

Nociceptoren zijn primaire afferente neuronen in het perifere zenuwstelsel die worden geactiveerd door openlijke of potentieel weefselbeschadigende gebeurtenissen en een cruciale beschermende rol spelen bij acute pijn1. Elektrofysiologische opnames van C-fiber en Aδ-fiber nociceptoren in diermodellen, gezonde menselijke vrijwilligers en patiënten hebben sensibilisatie en abnormale spontane activiteit aangetoond in een breed scala van pijnaandoeningen 2,3,4,5,6,7. Het begrijpen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan deze veranderingen in de prikkelbaarheid van nociceptoren bij patiënten kan gerichte therapeutische interventies mogelijk maken8. Er zijn echter weinig hulpmiddelen om de prikkelbaarheid van nociceptoren direct te beoordelen, met name bij patiënten9, maar het potentieel voor het nut van dergelijke hulpmiddelen wordt goed erkend10,11.
Whole-nerve elektrische drempel tracking kan worden gebruikt om axonale prikkelbaarheid bij mensen te onderzoeken12. Omdat grote, gemyeliniseerde, perifere neuronen echter onevenredig bijdragen aan de amplitude van het sensorische samengestelde actiepotentiaal, maakt het volgen van de elektrische drempel van de hele zenuw de beoordeling van de C-vezelfunctieniet mogelijk 11,13. Inderdaad, in een eerdere studie toonde het volgen van de elektrische drempel van de hele zenuw in chronische neuropathische pijncohorten met diabetische neuropathie en door chemotherapie geïnduceerde polyneuropathie geen verschillen in axonale prikkelbaarheid11.
In een eerdere studie werd elektrische drempeltracking op het niveau van één neuron gebruikt om de prikkelbaarheid van C-vezelnociceptoren te onderzoeken tijdens geplaagde vezelopnamen in een ex vivo huid-zenuwpreparaat van ratten14. De auteurs toonden aan dat een verhoogde kaliumconcentratie, zure omstandigheden en bradykinine allemaal de prikkelbaarheid van C-fiber nociceptor verhoogden, zoals weerspiegeld door een verlaagde elektrische drempel voor het genereren van actiepotentiaal. Bovendien verlaagde het verwarmen van het receptieve veld van de warmtegevoelige nociceptoren hun elektrische drempel, terwijl warmte-ongevoelige nociceptoren een toename van hun elektrische drempelvertoonden 14. Dit levert belangrijk bewijs dat het volgen van elektrische drempels met één neuron mogelijk is en van nut kan zijn, maar er zijn momenteel geen software- en / of hardwareoplossingen beschikbaar om dergelijk onderzoek mogelijk te maken, met name voor menselijke studies.
Bij mensen is microneurografie de enige beschikbare methode om de elektrofysiologische eigenschappen van C-vezels direct te beoordelen15. Deze benadering is gebruikt om nociceptordisfunctie aan te tonen bij patiënten met chronische pijn 2,3,4,5,6,7. Microneurografie kan actiepotentialen van één neuron detecteren; vanwege de lage signaal-ruisverhoudingen gebruiken onderzoekers echter de markeringstechniek om C-vezelactiviteit16 te karakteriseren. In de markeertechniek wordt suprathreshold elektrische stimulatie toegepast op C-vezel receptieve velden in de huid. Deze elektrische stimulatie genereert een actiepotentiaal die optreedt bij een constante latentie, die wordt bepaald door de geleidingssnelheid van de C-vezel. C-vezels vertonen activiteitsafhankelijke vertraging, waarbij hun geleidingssnelheid afneemt en daarom hun geleidingslatentie toeneemt tijdens perioden van actiepotentiaalontlading17. Onder basale omstandigheden genereren C-vezels normaal gesproken geen actiepotentialen in afwezigheid van schadelijke stimuli, en daarom is hun geleidingslatentie als reactie op laagfrequente elektrische stimulatie constant. Mechanische, thermische of farmacologische stimuli, die vuren oproepen, induceren activiteitsafhankelijke vertraging, die de latentie van de actiepotentialen verhoogt die worden opgeroepen door gelijktijdige laagfrequente elektrische stimulatie. Dit maakt de objectieve identificatie mogelijk van reacties op de toegepaste niet-elektrische stimuli in de context van een lage signaal-ruisverhouding. Daarom kan activiteitsafhankelijke vertraging worden gebruikt om C-vezels16 functioneel te karakteriseren. Inderdaad, verschillende functionele klassen van C-vezels vertonen onderscheidende patronen van activiteitsafhankelijke vertraging in elektrische stimulatieparadigma's waarbij de stimulatiefrequentie wordt gevarieerd18,19. Deze variabiliteit in de latentie van C-fiber actiepotentialen vormt een uitdaging voor algoritmen die zijn ontworpen om ze te monitoren.
Voortdurende activiteit in een nociceptor leidt tot verhoogde variabiliteit in de latentie tijdens laagfrequente elektrische stimulatie, en dit is opnieuw te wijten aan activiteitsafhankelijke vertraging. Deze verhoogde variabiliteit, of jitter, is een kwantificeerbare proxymaat voor prikkelbaarheid2. Verdere oorzaken van variabiliteit in actiepotentiaallatentie zijn flip-flop, waarbij alternatieve terminale takken van een enkel neuron worden gestimuleerd, waardoor het opgeroepen actiepotentiaal twee (of meer) basislijnlatenties heeft die elkaar uitsluiten20. Ten slotte veroorzaken veranderingen in de temperatuur van de terminale takken van een perifeer neuron ook actiepotentiaallatentieveranderingen op een thermodynamische manier, waarbij opwarming de geleidingssnelheid verhoogt en afkoeling de geleidingssnelheid vertraagt19. Dus elke software die closed-loop elektrische drempeltracking van nociceptieve C-vezels wil uitvoeren, moet rekening houden met veranderingen in latentie in elektrisch opgewekte actiepotentialen.
Om ons doel van cross-species elektrische drempeltracking van C-fiber nociceptoren te bereiken, hebben we APTrack ontwikkeld, een open-source softwareplug-in voor het Open Ephys-platform21, om real-time, closed-loop, elektrische drempeltracking en latentietracking mogelijk te maken. We leveren proof-of-concept gegevens die aantonen dat het volgen van de elektrische drempel van C-fiber nociceptor tijdens menselijke microneurografie mogelijk is. Bovendien laten we zien dat dit hulpmiddel kan worden gebruikt in knaagdier ex vivo geplaagde vezelelektrofysiologie, waardoor translationele studies tussen mensen en knaagdieren mogelijk worden. Hier zullen we in detail beschrijven hoe onderzoekers deze tool kunnen implementeren en gebruiken om hun studie van de nociceptorfunctie en prikkelbaarheid te ondersteunen.

<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

Nociceptoren zijn een klasse van primaire afferente neuronen die potentieel schadelijke schadelijke schadelijke stimuli signaleren. Een toename van de prikkelbaarheid van nociceptor treedt op bij acute en chronische pijnaandoeningen. Dit veroorzaakt abnormale voortdurende activiteit of verlaagde activeringsdrempels tot schadelijke stimuli. Het identificeren van de oorzaak van deze verhoogde prikkelbaarheid is vereist voor de ontwikkeling en validatie van op mechanismen gebaseerde behandelingen. Het volgen van elektrische drempels met één neuron kan de prikkelbaarheid van nociceptoren kwantificeren. Daarom hebben we een applicatie ontwikkeld om dergelijke metingen mogelijk te maken en het gebruik ervan bij mensen en knaagdieren aan te tonen. APTrack biedt real-time datavisualisatie en actiepotentiaalidentificatie met behulp van een temporele rasterplot. Algoritmen detecteren actiepotentialen door drempeloverschrijding en bewaken hun latentie na elektrische stimulatie. De plug-in moduleert vervolgens de amplitude van de elektrische stimulatie met behulp van een up-down-methode om de elektrische drempel van de nociceptoren te schatten. De software is gebouwd op het Open Ephys-systeem (V0.54) en gecodeerd in C ++ met behulp van het JUCE-framework. Het draait op Windows-, Linux- en Mac-besturingssystemen. De open-source code is beschikbaar (<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/ Microneurography/APTrack</a>). De elektrofysiologische opnames werden genomen van nociceptoren in zowel een huid-zenuwpreparaat van muizen met behulp van de geplaagde vezelmethode in de sapheneuze zenuw als bij gezonde menselijke vrijwilligers met behulp van microneurografie in de oppervlakkige peroneuszenuw. Nociceptoren werden geclassificeerd op basis van hun reactie op thermische en mechanische stimuli, evenals door het monitoren van de activiteitsafhankelijke vertraging van de geleidingssnelheid. De software vergemakkelijkte het experiment door de identificatie van het actiepotentiaal te vereenvoudigen via de temporele rasterplot. We demonstreren real-time closed-loop elektrische drempel tracking van single-neuron actiepotentialen tijdens in vivo menselijke microneurografie, voor de eerste keer, en tijdens ex vivo muis elektrofysiologische opnames van C-vezels en Aδ-vezels. We stellen proof of principle vast door aan te tonen dat de elektrische drempel van een menselijke warmtegevoelige C-vezelnociceptor wordt verlaagd door het receptieve veld te verwarmen. Deze plug-in maakt het mogelijk om de elektrische drempel te volgen van actiepotentialen van één neuron en maakt het kwantificeren van veranderingen in de prikkelbaarheid van nociceptoren mogelijk.

Een representatief voorbeeld van de software die werkt om een experiment te besturen, is weergegeven in figuur 7. Het past iteratief de stimulatieamplitude aan met behulp van een up-down methode om effectief de elektrische drempel van enkele nociceptoren te vinden. Voor het eerst tonen we de haalbaarheid aan van real-time single-neuron elektrische drempel tracking bij mensen tijdens microneurografie (figuur 7A). Daarnaast tonen we elektrische drempeltracking in een Aδ-vezel van een muis (figuur 7B). De identificatie van actiepotentialen door drempelovergang, zoals hier gebruikt, is voldoende om elektrische drempels in de loop van de tijd te volgen. We raden gebruikers aan stappen te ondernemen om elektrische ruis tijdens hun opnames te minimaliseren, bijvoorbeeld door een kooi van Faraday en bandpass-filters te gebruiken om de signaal-ruisverhouding te verbeteren.
Om aan te tonen dat het volgen van elektrische drempels kan worden gebruikt als een maat voor veranderingen in de prikkelbaarheid van nociceptoren bij mensen, werd het volgen van de elektrische drempel tijdens een getrapt verwarmingsparadigma uitgevoerd (figuur 8). Het verhogen van de temperatuur van de nociceptoraansluitingen verminderde de elektrische stimulatiestroom die nodig is om een actiepotentiaal op te wekken, wat een toename van de prikkelbaarheid van de nociceptor weerspiegelt (figuur 8C). Dit werd waarschijnlijk veroorzaakt door het genereren van receptorpotentialen door de warmtegevoelige ionkanalen uitgedrukt in de C-vezel nociceptor14. Bij de hoogste temperatuurstap, 44 °C, werden thermisch opgewekte actiepotentialen opgewekt (figuur 8A, stimulusnummer 86-96). Dit veroorzaakt een toename van de elektrische drempel omdat de nociceptor zich in een vuurvaste toestand kan bevinden na hoogfrequente ontlading. Zoals verwacht nam de latentie van het gevolgde actiepotentiaal af naarmate de temperatuur steeg. Men denkt dat dit gebeurt als gevolg van een thermodynamisch effect op de geleidingsmachines, waardoor de geleidingssnelheid van de C-vezel toeneemt. Deze C-vezel kan ook flip-flop vertonen (figuur 8B, stimulusnummer 47-54), wat ertoe kan leiden dat de volgende elektrische stimulatie ten onrechte in amplitude wordt verhoogd als het actiepotentiaal buiten het zoekvenster van het algoritme valt.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig01.jpg"> Figuur 1: Een schema van de apparatuuropstelling en kabelverbindingen die nodig zijn voor het volgen van de elektrische drempel van nociceptor met APTrack bij knaagdieren en mensen. Let op de twee verschillende methoden voor stimulatieamplituderegelingen: een stappenmotor voor handmatig aangepaste stimulatoren in onze menselijke opstelling en een PulsePal voor ingangsspanningsgestuurde stimulatoren in onze knaagdieropstelling. (1) Een pc (Windows, Mac of Linux) waarop de plug-in voor het Open Ephys-platform wordt uitgevoerd. (2) Een stappenmotor die de stimulatieamplitudeknop op de DS7 bedient. (3) Een constante stroomstimulator die is goedgekeurd voor gebruik bij de mens; hier gebruikten we een DS7. (4) Een USB 3.0-optoisolator, die de menselijke deelnemer isoleert van de pc (optioneel, alleen vereist voor menselijk onderzoek). (5) Een PulsePal V2 Pulse Generator, die TTL-tijdstempels (uitgangskanaal 2) en spanningsstappen genereert die overeenkomen met de gevraagde stimulatieamplitude (uitgangskanaal 1). (6) Een constante stroomstimulator voor gebruik bij dieren; hier gebruikten we een DS4. (7) Een DC-voeding voor het systeem (gelijkstroomvoeding die wordt gebruikt voor de knaagdieropstelling en batterij-DC-voeding die wordt gebruikt voor de menselijke installatie). (8) Een overnamebord. (9) Een I/O-kaart voor het aansluiten van de BNC-coaxkabels die de op te nemen signalen dragen, zoals de thermokoppeluitgangen en TTL-markers. (10) Het huid-zenuwpreparaat van muizen ondergaat elektrofysiologische opnamen van nociceptor. (11) Een menselijke deelnemer die microneurografie-opname ondergaat van C-vezels in de oppervlakkige peroneuszenuw. (12) Een Intan RHD2216 headstage voor de acquisitie en digitalisering van de opnames. (13) Een Intan Electrode Adapter Board, waarop de opname-elektroden zijn aangesloten en waarmee het signaal kan worden doorgegeven aan de RHD2216 headstage. (14) Een thermisch stimulatiesysteem dat de temperatuur kan uitvoeren via een BNC-coaxverbinding. (15) Een 3,3 V knop/voetpedaal op batterijen dat wordt gebruikt voor het markeren van mechanische stimulatiegebeurtenissen en medicijntoepassingen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig01large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig02.jpg"> Figuur 2: Template signaalketen. De rode pijl wijst naar de knop voor het inschakelen van de ADC-ingang van het I/O-bord. De gele pijl geeft het vervolgkeuzemenu aan voor het selecteren van de Open Ephys-bestandsindeling. De groene pijl geeft de knoppen Afspelen en Opnemen aan. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig02large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig03.jpg"> Figuur 3: Grafische gebruikersinterface. De GUI bestaat uit vier hoofdcomponenten. (1) Tijdelijk rasterplotpaneel (groen) voor gegevensvisualisatie en de instellingen die zijn gekoppeld aan het besturen van de plot. Een constante latentierespons die geleidelijke activiteitsafhankelijke vertraging laat zien, wordt aangegeven door de groene pijl. (2) Stimulatie Controlepaneel (geel) voor het instellen van de stimulatieamplitudeparameters en het laden van de stimulatieparadigmascripts. (3) Multi-Unit Tracking Table (blauw) voor het toevoegen van de actiepotentialen voor het volgen en activeren van de latentie en elektrische drempeltracking. (4) Optiemenu voor het selecteren van de kleurstijlen en het invoerkanaal voor de gegevens- en TTL-triggers. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig03large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig04.jpg"> Figuur 4: Facilitering van de identificatie van actiepotentialen met constante latentie door middel van real-time datavisualisatie op een temporele rasterplot met behulp van APTrack. Dit is een voorbeeld van een hoge signaal-ruisverhouding. De gegevens in de temporele rasterplot zijn afkomstig van een menselijke C-vezelopname van de oppervlakkige peroneuszenuw tijdens microneurografie. Voltage Trace is de oscilloscoop-achtige LFP Viewer plugin binnen Open Ephys. De APTrack User Interface is de grafische gebruikersinterface van de plugin. De bijgehouden actiepotentiaal wordt aangegeven met groene pijlen en de cirkelvormige schuifregelaar op de rand van de temporele rasterplot is voor het regelen van de positie van het zoekvak waar de algoritmen zoeken naar drempelovergangsgebeurtenissen. Het elektrische stimulatieartefact is blauw gemarkeerd op het spanningsspoor. De stimulatieamplitude van het analoge spanningscommando wordt in rood aangegeven; Merk op dat dit mogelijk niet hetzelfde is als de amplitude van de stimulatiestroom, afhankelijk van de schaalfactor die op de stimulator is ingesteld. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig04large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig05.jpg"> Figuur 5: Grafische weergave van het algoritme voor het bijhouden van latentie. In eenvoudige bewoordingen, als een actiepotentiaal wordt gedetecteerd door drempeloverschrijding, zal het zoekvak zijn positie aanpassen om zichzelf te centreren op het moment van de piekspanning. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig05large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig06.jpg"> Figuur 6: Grafische weergave van het algoritme voor het volgen van elektrische drempels. In eenvoudige bewoordingen, als een actiepotentiaal wordt gedetecteerd door drempeloverschrijding, zal de stimulatieamplitude worden verminderd met de afnamesnelheid. Als er geen actiepotentiaal wordt gedetecteerd, wordt de stimulatieamplitude verhoogd met de incrementele snelheid. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig06large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig07.jpg"> Figuur 7: Geautomatiseerde elektrische drempeltracking van actiepotentialen van één neuron bij een stimulatiefrequentie van 0,25 Hz . (A) Sequentiële sporen van een menselijke C-vezel van de oppervlakkige peroneuszenuw tijdens een microneurografie-experiment. (B) Opeenvolgende sporen van een muis Aδ-vezel van de sapheneuze zenuw tijdens huid-zenuwvoorbereiding geplaagde vezelelektrofysiologie. De sporen waren rood gekleurd wanneer een actiepotentiaal werd geïdentificeerd, wat resulteerde in een afname van de stimulusamplitude. Het softwarealgoritme vindt effectief de stimulusamplitude die nodig is voor een kans van 50% om te vuren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig07large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig08.jpg"> Figuur 8: Elektrische drempel volgen bij een 0,25 Hz stimulatiefrequentie tijdens de thermische stimulatie van een menselijke C-fiber nociceptor. De y-as codeert vanaf het begin van het paradigma voor het stimulatiegetal. (A) Spanningsspoor gedurende 4.000 ms na elektrische stimulatie, met drempelovergangsgebeurtenissen gemarkeerd in rood. (B) Spanningsspoor van A ingezoomd rond de bijgehouden actiepotentiaal. De sporen waren rood gekleurd toen de gevolgde actiepotentiaal werd gedetecteerd. De verticale blauwe lijn is de basislijnlatentie van de bijgehouden eenheid. (C) Stimulatiestroom onder bevel van APTrack. De verticale blauwe lijn is de elektrische drempel van de basislijn. (D) Receptief veld TCS-II thermische stimulerende sondetemperatuur. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig08large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Verbinding</td>
			<td>Concentratie</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</td>
			<td>1,53 mM</td>
		</tr><tr><td>Mgso4</td>
			<td>0,69 mM</td>
		</tr><tr><td>Natriumgluconaat</td>
			<td>9,64 mM</td>
		</tr><tr><td>Sacharose</td>
			<td>7,6 mM</td>
		</tr><tr><td>Glucose</td>
			<td>5,55 mM</td>
		</tr></tbody></table>Tabel 1: Inhoud van de synthetische interstitiële vloeistof voor het huid-zenuwpreparaat van de muis23.

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 is een softwareplug-in die is ontwikkeld voor het Open Ephys-platform en die real-time datavisualisatie en het closed-loop van elektrische drempeltracking van neuronale actiepotentialen mogelijk maakt. We hebben dit met succes gebruikt in microneurografie voor menselijke C-fiber nociceptoren en muis C-fiber en Aδ-fiber nociceptoren.

Open-source real-time closed-loop elektrische drempeltracking voor translationeel pijnonderzoek

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

Deze tool kan worden gebruikt om verschillende mechanismen van nociceptorsensibilisatie te onderzoeken, en het is deze sensibilisatie die sommige vormen van chronische pijn kan veroorzaken. Geautomatiseerde elektrische drempeltracking biedt een betrouwbare, online, real-time meting van de prikkelbaarheid van nociceptor. Als zodanig biedt deze maatregel een belangrijke translationele brug, waardoor metingen kunnen worden gedaan bij zowel mensen als dieren.Op dezelfde manier, waardoor effectieve pathologie en behandelingen kunnen worden beoordeeld. In de toekomst kan AP Track worden gebruikt bij chronische pijnpatiënten om te bevestigen of een therapeutisch middel de prikkelbaarheid van hun gesensibiliseerde nociceptoren normaliseert. Dit zou een cruciale biomarker van werkzaamheid zijn.We verwachten dat onze open-source toolkit, AP Track, nuttig zal zijn voor elektrofysiologen die tijdlusstimuli van verschillende groottes bestuderen. We denken bijvoorbeeld ook dat het nuttig zal zijn voor het bestuderen van optogenetica. Het tegelijkertijd beheren van een experiment en software is in het begin een uitdaging, dus ik raad gebruikers aan vooraf opgenomen gegevens in AP Track te laden om vertrouwd te raken met het gebruik ervan voordat ze een experiment proberen.We hebben demogegevens verstrekt. Sluit om te beginnen het acquisitiebord aan op de computer met behulp van de door de fabrikant meegeleverde kabel en schakel ze in. Sluit vervolgens het IO-bord aan op de analoge import op het acquisitiebord en sluit een Intan RHD Recording Headstage aan op het acquisitiebord met behulp van een seriële randapparatuurinterfacekabel.Sluit vervolgens de Pulse Pal aan op de computer. Splits het signaal van het Pulse Pal-uitgangskanaal één met behulp van een BNC T Splitter en sluit het vervolgens aan op de ingang van de constante stroomstimulator en het IO-bord, zodat het analoge spanningscommando kan worden opgenomen. Sluit het Pulse Pal-uitgangskanaal twee aan op het IO-bord om de TTL-gebeurtenismarkeringen voor stimulatie op te nemen.Voor montage met een draaiknopgestuurde constante stroomstimulator, schakelt u een constante stroomstimulator in en sluit u de besturingskaart van de stappenmotor aan op de stappenmotor met behulp van de door de fabrikant geleverde kabel en magnetische houder. Sluit de besturingskaart rechtstreeks aan op de computer met behulp van een standaard USB-A-naar-USB-micro B-kabel. Sluit de besturingskaart en de stappenmotor aan op een aangepaste montagebeugel en stel de stimulatieamplitudeknop op de constante stroomstimulator in op nul milliamperes.Sluit vervolgens een aangepaste loopadapter aan op het loopvat van de stappenmotor. Bevestig de stappenmotor en het aangepaste montageapparaat aan de stimulatieamplitudeknop op de constante stroomstimulator met behulp van de loopadapter en schakel deze in. Open de AP Track GUI en breng een stabiele elektrofysiologische opname van perifere zenuwen tot stand.Identificeer het receptieve veld op de huid en plaats de stimulerende elektrode daar. Selecteer in het menu Opties de optie Triggerkanaal en kies het ADC-kanaal met de TTL-markering voor elektrische stimulatie van Pulse Pal-uitgangskanaal twee. Selecteer vervolgens het gegevenskanaal en kies het kanaal met de elektrofysiologische gegevens.Klik op Connect (Verbinden) om AP Track aan te sluiten op het Pulse Pal- en stappenmotorapparaat. Dit kan even duren. Eenmaal aangesloten, zal de besturingskaart van de stappenmotor zichzelf op positie nul zetten.Definieer in het bedieningspaneel voor stimulatie de initiële minimale en maximale stimulatieamplitudes met behulp van de schuifregelaar. Zorg ervoor dat de huidige stimulatie boven nul is ingesteld, zodat TTL-markers worden gegenereerd. Klik op F om een bestand met de stimulatie-instructies te laden en klik vervolgens op de pijl-rechts om het geladen stimulatieparadigma te starten.De temporele rasterplot begint te updaten met de reactie op elektrische stimulatie, waarbij elke nieuwe stimulatierespons wordt weergegeven als een nieuwe kolom aan de rechterkant. Als u de actiepotentialen van één neuron met succes wilt detecteren, gaat u naar het deelvenster temporele rasterplot en past u de waarden laag, detectie en hoge afbeeldingsdrempelwaarden aan. Als geschikte afbeeldingsdrempels zijn ingesteld, worden de drempelovergangen die door de algoritmen worden gedetecteerd, groen gecodeerd.Beweeg systematisch de stimulerende elektrode rond het huidgebied dat door de zenuw wordt geïnnerveerd. Controleer de temporele rasterplot op drie drempelovergangsgebeurtenissen die achter elkaar verschijnen met dezelfde latentie terwijl de elektrode zich in dezelfde stimulatiepositie bevindt. Dit duidt op de identificatie van een constante latentie perifeer neuron actiepotentiaal.Nadat u de actiepotentiaal van één neuron op de temporele rasterplot hebt geïdentificeerd, verplaatst u de grijze lineaire schuifregelaar aan de rechterkant van de plot om de positie van het zoekvak aan te passen. Pas vervolgens het zoekvak met de draaischuifregelaar aan op een geschikte breedte. Maak de breedte van het zoekvak smal.Om te beginnen met het volgen van het beoogde actiepotentieel, klikt u op het plusteken onder de trackingtabel met meerdere eenheden. Er wordt een nieuwe rij aan de tabel toegevoegd met de details van de doelactiepotentiaal, inclusief de latentielocatie, het percentage dat over twee tot 10 stimuli wordt afgevuurd en de gedetecteerde piekamplitude. Het algoritme voor het bijhouden van latentie wordt er automatisch op uitgevoerd bij elke volgende elektrische stimulatie.Vink het vakje aan voor de spike van de track in de tabel om het zoekvak naar de juiste positie voor die specifieke actiepotentiaal te verplaatsen. Bereken de geleidingssnelheid van het perifere neuron door de afstand tussen de stimulatie- en opnameplaatsen te delen door de latentie die in de tabel wordt weergegeven. Om de elektrische drempeltracking uit te voeren, past u de toename- en afnamesnelheden in het stimulatiebedieningspaneel aan op de gewenste snelheid.Houd deze waarden gelijk. Zorg ervoor dat de stimulatiefrequentie is ingesteld op een geschikte snelheid, meestal 0,25 tot 0,5 Hertz. Pas de stimulatieamplitude handmatig ongeveer aan de elektrische drempel van het neuron aan.Vink vervolgens het vakje spoordrempel aan in de trackingtabel met meerdere eenheden, waarmee het algoritme voor het volgen van elektrische drempels wordt gestart. Controleer in de trackingtabel met meerdere eenheden de vuursnelheid. Een stooksnelheid van 50% geeft aan dat de geschatte elektrische drempel is bepaald en dat de drempelwaarde zal worden bijgewerkt.Pas ten slotte een experimentele manipulatie toe op het receptieve veld en ga door met het volgen van de elektrische drempel. Dit zal veranderingen in de prikkelbaarheid van het perifere neuron kwantificeren. De sequentiële sporen van een menselijke C-vezel van de oppervlakkige meerjarige zenuw tijdens een microneurografie-experiment en de sequentiële sporen van een muis A-deltavezel van de nervus saphena tijdens huid-zenuwpreparatie geplaagde vezelelektrofysiologie worden in deze figuur weergegeven.De sporen waren rood gekleurd wanneer een actiepotentiaal werd geïdentificeerd, wat resulteerde in een afname van de stimulusamplitude. Het softwarealgoritme vindt effectief de stimulusamplitude die nodig is voor een kans van 50% om te vuren. De elektrische drempel die wordt gevolgd bij een stimulatiefrequentie van 0,25 Hertz tijdens de thermische stimulatie van een menselijke C-vezelnociceptor wordt in deze figuur weergegeven.De y-as codeert vanaf het begin van het paradigma voor het stimulatiegetal. De spanningssporen gedurende 4.000 milliseconden na de elektrische stimulatie met de drempelovergangsgebeurtenissen zijn rood gemarkeerd. Het spanningsspoor dat is ingezoomd rond de bijgehouden actiepotentiaal wordt hier weergegeven.De verticale blauwe lijn is de basislijnlatentie van de bijgehouden eenheid. De stimulatiestroom die door AP Track wordt aangestuurd, wordt in deze afbeelding weergegeven. De verticale blauwe lijn is de elektrische drempel van de basislijn.De temperatuur van de receptieve veld TCS-II thermische stimulerende sonde wordt hier gepresenteerd. Naarmate het receptieve veld van deze warmtegevoelige C-vezel wordt opgewarmd door de thermische stimulator, neemt de elektrische drempel af. Het kiezen van de juiste waarden voor de breedte van het zoekvak en de detectiedrempel is belangrijk, omdat deze de prestaties van AP Track aanzienlijk verbeteren door de impact van elektrische ruis te verminderen.Het kwantificeren van de impact van therapeutische middelen op hyperexcitabiliteit bij nociceptoren kan ons helpen de mechanismen die ten grondslag liggen aan chronische pijn beter te begrijpen. We hopen dat andere onderzoekers deze vrij beschikbare tool zullen gebruiken om de nociceptieve biologie en de veranderingen die zich hebben voorgedaan tijdens nociceptorsensibilisatie beter te begrijpen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

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

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

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

Het opnemen van de Mens electrocorticografische (ECOG) Signalen voor neurowetenschappelijk onderzoek en Real-time Functioneel Cortical 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

Opbouwen van een open-source Robotic Stereotaxische 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 Electrofysiologie: Met behulp van Closed-loop protocollen bij Probe Neuronale Dynamics and Beyond

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

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

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

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

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

Een Protocol voor de administratie van Real-Time fMRI Neurofeedback Training

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 projectie in een MRI voor karakterisering van neurale correlaten geassocieerd met spiegel therapie voor Phantom ledemaat pijn

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

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

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

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Real-time fMRI Brain Mapping bij dieren

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

Conventionele en threshold-tracking transcraniële magnetische stimulatietests voor bediening met één hand

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