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

ברצוננו להודות לתורמים שלנו על תמיכתם: האקדמיה למדעי הרפואה (J.P.D., A.E.P.), נגד דלקת פרקים (J.P.D., A.E.P.), מענק סידקורן של מכון ג'ין גולדינג (J.P.D., A.E.P., G.W., A.C.S., M.M.P.), ושותפות הכשרה משותפת של המועצה למחקר ביוטכנולוגיה ומדעי הביולוגיה עם אלי לילי (G.W.T.N). ברצוננו להביע את תודתנו לכל התורמים לפיתוח APTrack. ברצוננו גם להודות למתנדבים שלנו שהשתתפו בניסויי המיקרונוירוגרפיה ולמשתפי הפעולה שלנו למעורבות ומעורבות המטופלים והציבור על תרומתם שלא תסולא בפז.

<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. היא סטודנטית לדוקטורט של BBSRC Collaborative Training Partnership עם אוניברסיטת בריסטול ואלי לילי ושות' (BB/T508342/1). א.פ.נ. הינה עובדת נוכחית של אלי לילי ושות' ועשויה להיות בעלת מניות בחברה זו.

APTrack הוא תוסף תוכנה לשימוש עם פלטפורמת Open Ephys. בחרנו בפלטפורמה זו מכיוון שהיא קוד פתוח, גמישה וזולה ליישום. לא כולל העלות של ממריץ זרם קבוע, כל הציוד הדרוש כדי להתחיל להשתמש בתוסף ניתן לרכוש בסביבות 5,000 דולר בזמן כתיבת שורות אלה. אנו מקווים שזה יאפשר לחוקרים ליישם APTrack במחקרי האלקטרופיזיולוגיה של העצבים ההיקפיים שלהם ביתר קלות. יתר על כן, חוקרים יכולים לשנות באופן חופשי את התוכנה כך שתתאים לצרכי הניסוי שלהם. חשוב לציין, כלי זה איפשר מעקב סף חשמלי של nociceptors סיבי C בודדים, בפעם הראשונה, בבני אדם.
ככל שיחס האות לרעש גבוה יותר, כך האלגוריתמים יכולים לזהות טוב יותר פוטנציאלי פעולה. יחס האות לרעש במהלך מיקרונוירוגרפיה היה מספיק ברוב ההקלטות שלנו, אך המשתמשים חייבים להיות ערניים לסיכון של ירידה באות לאורך זמן. זה חשוב במיוחד עבור פרוטוקולים ניסיוניים ארוכים יותר, מכיוון שאם המשרעת של פוטנציאל הפעולה העוקב יורדת מתחת לסף הגילוי, משרעת הגירוי תוגדל בטעות; ניתן להקל על כך על ידי נסיינים המנטרים את התוסף ולאחר מכן מתאימים את ההגדרות במידת הצורך. יחס האות לרעש משופר באמצעות סינון פסים, אך ארעיים גדולים יותר עדיין עשויים להיות מזוהים בטעות כפוטנציאלי פעולה אם הם מגיעים במהלך חלון הזמן של תיבת החיפוש. ניתן להפחית את הסיכון לזיהוי שגוי של רעש חולף כפוטנציאל פעולה על ידי צמצום חלון הזמן שבמהלכו התוסף מחפש פוטנציאלי פעולה ועל ידי אופטימיזציה של הגדרות הסף. עם זאת, עדיין ישנם מצבים בהם אנו עשויים להיתקל אשר מעכבים את ביצועי התוסף. פעילות ספונטנית עלולה לגרום לקשיים אם פוטנציאלי פעולה באמפליטודה גדולה יותר נמצאים בחלון תיבת החיפוש של האלגוריתם, מכיוון שהם יזוהו בטעות כפוטנציאל פעולת המטרה. בנוסף, פעילות ספונטנית בתא העצב המעניין עשויה לגרום לכך שהגירוי החשמלי נופל במהלך תקופת העקשנות שלו, מה שגורם לכשל ביצירת פוטנציאל פעולה. קשיים בשימוש בתוכנה יכולים להתעורר גם כאשר נוירונים רגשיים ראשוניים מפגינים כפכף, שבו ענפים טרמינליים חלופיים של נוירון יחיד מגורים, ובכך גורמים לפוטנציאל הפעולה המעורר להיות בעל שתי השהיות בסיסיות (או יותר) שהן בלעדיות זו לזו20. במהלך הקלטות מתאי עצב המציגים כפכפים עם יחסי אות לרעש גבוהים, ביצענו בהצלחה מעקב אחר השהיה וסף חשמלי על-ידי הגדלת רוחב תיבת החיפוש כדי לתמצת את כל מהירויות ההולכה הפוטנציאליות שתא העצב הציג. עם זאת, הסף החשמלי עשוי להשתנות בהתאם לענף הסופי של תא העצב המעורר, אשר סביר להניח בחלקו בשל הבדלים במרחק מאתר הגירוי החשמלי אל הדקי nociceptor חלופיים. עבודה נוספת על תהליך זיהוי פוטנציאל הפעולה שתכלול, למשל, התאמת תבניות היא אפשרית וניתן לשלב אותה בתוכנה זו. תוספי GUI עבור band-stop או סינון רעשים אדפטיבי יכול לשמש גם במעלה הזרם של APTrack בשרשרת האות אם הם פותחו.
אנו מחשיבים את הסף החשמלי שנקבע כזרם הדרוש כדי לעורר פוטנציאל פעולה 50% מהזמן, על פני מספר מוגדר של גירויים חשמליים, בדרך כלל 2-10. המורפולוגיה של גירוי חשמלי היא 0.5 אלפיות השנייה ופעימות גל חיוביות ומרובעות. זה לא אותו דבר כמו קביעת rheobase, מדד נפוץ של רגישות עצבית. התוסף יכול להיות מותאם כדי לקבוע את rheobase. עם זאת, חיפשנו מדד פשוט יותר, מכיוון ששינויים דינמיים ברגישות, כמו אלה ששיערו שיתרחשו במהלך חימום, היו קשים יותר לכימות עם שינויים בבסיס הריאו מאשר אומדן הסף החשמלי שלנו.
תוכנה זו יכולה לשמש הן בניסויים בבני אדם והן במכרסמים. הדבר מתאפשר הודות לתמיכה גמישה במערכות הגירוי החשמלי. התוכנה תעבוד עם כל מגרה המקבל מתח פקודה אנלוגי או ניתן להתממשק ידנית עם מנוע צעד. עבור מיקרונוירוגרפיה, השתמשנו בו עם ממריץ זרם קבוע מסומן CE שתוכנן לשימוש במחקר אנושי והגירוי שלו נשלט על ידי חוגה. ממריצים המקבלים פקודות מתח אנלוגיות יכולים להיות רועשים מכיוון שהם אינם מנתקים את המעגל בין גירויים, כלומר כל זמזום או רעש של 50/60 הרץ בקלט האנלוגי יועברו להקלטה. ממריץ הדורש אות הדק TLL נוסף כדי לחבר את המעגל, המאפשר גירוי בזרם המקביל לכניסת המתח האנלוגי להיווצר, הוא אידיאלי לשימוש עם התוסף. זה מונע את העברת הרעש להקלטה בין גירויים.
התוכנה משתמשת בשיטה פשוטה מעלה-מטה כדי להעריך את הסף החשמלי. זה כבר בשימוש במבחנים פסיכופיזיקליים במשך עשורים רבים25. בהתאם לשיטת מעלה-מטה, אלגוריתם מעקב הסף החשמלי לאפנון משרעת הגירוי לוקח בחשבון רק את המשרעת והתגובה של הגירוי הקודם בעת חישוב המשרעת של הגירוי הבא. משמעות הדבר היא שמשרעת הגירוי תתנדנד סביב הסף החשמלי האמיתי, ובכך תייצר קצב ירי של 50%, בהנחה שהסף יציב. הגודל המינימלי של תוספת או גזירה הוא 0.01 V; זה שווה ערך ל- 0.01 mA בהנחה שלממריץ יש יחס קלט לפלט של 1 V:1 mA ורזולוציה מספקת כדי להשיג שינויי צעד קטנים כל כך. התוסף יעדכן את האומדן החי של הסף החשמלי של פוטנציאל פעולת המטרה בכל פעם שהוא מגיע לקצב ירי של 50% על מספר גירויים קודמים שהוגדרו על ידי המשתמש (2-10). לאחר הוק, אנו ממליצים להשתמש בממוצע מתגלגל של משרעת הגירוי על פני 2-10 הגירויים האחרונים כדי להעריך את הסף החשמלי, ויש לציין כי הערכה זו תהיה מדויקת רק כאשר קצב הירי יציב יחסית ועומד על 50%. הן באומדנים החיים והן באומדנים הפוסט-הוק של הסף החשמלי, יש איזון של רזולוציה, אמינות וזמן שיש לקחת בחשבון. שימוש במדרגות הדרגתיות וגזירה קטנות יותר יגדיל את הדיוק של אומדן הסף החשמלי, אך יגדיל את הזמן שלוקח למצוא את הסף החשמלי החדש בתחילה ולאחר הפרעה. חישוב הסף החשמלי על פני מספר גדול יותר של גירויים קודמים יספק אמינות טובה יותר אך יגדיל את הזמן הדרוש כדי להגיע לאומדן מדויק.
APTrack תוכנן לשימוש ברישומי עצבים היקפיים, במיוחד כדי לעקוב אחר הספים החשמליים של סיבי C במהלך הפרעות ניסיוניות ופתולוגיות על פני תקופות שבהן חביון פוטנציאל הפעולה עשוי להשתנות בהתאם לפעילות העצבית הבסיסית. שיטה זו תאפשר לבחון לא רק את ההתרגשות האקסונלית אלא גם את פוטנציאל מחולל הנוציצפטורים במתנדבים ובחולים בריאים. אנו צופים כי תחומים אחרים של אלקטרופיזיולוגיה עשויים לאמץ ולהתאים כלי זה לשימוש בכל ניסוי הדורש מעקב סף חשמלי של פעילות נעולה גירוי. לדוגמה, זה יכול בקלות להיות מותאם לגירוי אופטוגנטי עם פולסי אור המונעים מ- APTrack. התוסף הוא קוד פתוח וזמין לחוקרים תחת רישיון GPLv3. היא בנויה על פלטפורמת Open Ephys, שהיא מערכת איסוף נתונים בקוד פתוח הניתנת להתאמה, בעלות נמוכה. התוסף מספק ווים נוספים עבור תוספים במורד הזרם כדי לחלץ את המידע הפוטנציאלי לפעולה ולספק ממשקי משתמש נוספים או פרדיגמות אדפטיביות. התוסף מספק ממשק משתמש פשוט להדמיה ומעקב אחר השהיה של פוטנציאלי פעולה בזמן אמת. הוא יכול גם להפעיל נתונים קודמים ולהציג אותם באופן חזותי באמצעות תרשים הרסטר הזמני. יתר על כן, הוא יכול גם לבצע מעקב השהיה במהלך ההפעלה של נתונים קודמים. בעוד שישנן חבילות תוכנה אחרות הזמינות למעקב השהיה בזמן אמת, הן אינן קוד פתוח ואינן יכולות לבצע מעקב סף חשמלי26,27. ל- APTrack יש יתרון על פני שיטות מסורתיות לזיהוי פוטנציאלים של פעולת השהיה קבועה מעקבות מתח, מכיוון שהוא משתמש בתרשים רסטר זמני עבור התצוגה החזותית של הנתונים. יתר על כן, הניסיון שלנו בשימוש בו בניסויים עם יחסי אות לרעש נמוכים הצביע על כך ששיטת ההדמיה של עלילת הרסטר הטמפורלי מאפשרת זיהוי של פוטנציאלי פעולה קבועים של השהיה שאולי היו מוחמצים אחרת.
מעקב אחר סף עצבי שלם הוא שיטה נפוצה להערכת רגישות אקסונלית13. מעקב סף חשמלי של נוירון יחיד בסיבי C של מכרסמים שימש בעבר לכימות רגישות nociceptor14, והתועלת שלו בבני אדם מוכרת10,11; עם זאת, עד כה, זה לא היה אפשרי. אנו מספקים כלי חדשני בקוד פתוח למדידה ישירה של רגישות nociceptor יחיד הן במחקרים אלקטרופיזיולוגיים של מכרסמים והן במחקרים אלקטרופיזיולוגיים של עצבים היקפיים אנושיים. APTrack מאפשר לראשונה מעקב סף חשמלי בקוד פתוח בזמן אמת אחר פוטנציאלי פעולה של נוירון יחיד בבני אדם. אנו צופים כי זה יקל על מחקרים תרגומיים של nociceptors בין מכרסמים ובני אדם.

Nociceptors הם נוירונים afferent ראשוני במערכת העצבים ההיקפית המופעלים על ידי אירועים גלויים או פוטנציאליים מזיקים לרקמות וממלאים תפקיד מגן קריטי בכאב חריף1. רישומים אלקטרופיזיולוגיים של Nociceptors סיבי C ו- Aδ-fiber במודלים של בעלי חיים, מתנדבים אנושיים בריאים וחולים חשפו רגישות ופעילות ספונטנית חריגה במגוון רחב של מצבי כאב 2,3,4,5,6,7. הבנת המנגנונים העומדים בבסיס שינויים אלה ברגישות nociceptor בחולים יכולה לאפשר התערבויות טיפוליות ממוקדות8. עם זאת, ישנם מעט כלים להעריך את רגישות nociceptor ישירות, במיוחד בחולים9, אבל הפוטנציאל עבור התועלת של כלים כאלה מוכר היטב10,11.
ניתן להשתמש במעקב אחר סף חשמלי של עצב שלם כדי לבחון עוררות אקסונלית בבני אדם12. עם זאת, מכיוון שנוירונים היקפיים גדולים, מיאליניים, תורמים באופן לא פרופורציונלי למשרעת פוטנציאל הפעולה של התרכובת התחושית, מעקב אחר סף חשמלי של עצב שלם אינו מאפשר הערכה של תפקוד סיבי C11,13. ואכן, במחקר קודם, מעקב אחר סף חשמלי של עצב שלם בקבוצות כאב נוירופתיות כרוניות עם נוירופתיה סוכרתית ופולינוירופתיה הנגרמת על ידי כימותרפיה לא הראה הבדלים בעוררות אקסונלית11.
במחקר קודם, מעקב סף חשמלי ברמת נוירון יחיד שימש לבחינת ההתרגשות של nociceptors סיבי C במהלך רישומי סיבים מתגרים בהכנה עצבית עור של חולדה ex vivo 14. המחברים הראו כי ריכוז אשלגן מוגבר, תנאים חומציים וברדיקינין הגבירו את ההתרגשות של nociceptor סיבי C, כפי שמשתקף על ידי סף חשמלי מופחת ליצירת פוטנציאל פעולה. יתר על כן, חימום שדה הקלט של הנוציצפטורים הרגישים לחום הפחית את הסף החשמלי שלהם, בעוד שנוציצפטורים רגישים לחום הציגו עלייה בסף החשמלי שלהם14. זה מספק הוכחה חשובה לכך שמעקב אחר סף חשמלי של נוירון יחיד אפשרי ויכול להיות שימושי, אך אין כיום פתרונות תוכנה ו / או חומרה זמינים המאפשרים חקירות כאלה, במיוחד עבור מחקרים בבני אדם.
בבני אדם, מיקרונוירוגרפיה היא השיטה היחידה הזמינה להעריך ישירות את התכונות האלקטרופיזיולוגיות של סיבי C15. גישה זו שימשה כדי להדגים תפקוד לקוי של nociceptor בחולים עם כאב כרוני 2,3,4,5,6,7. מיקרונוירוגרפיה יכולה לזהות פוטנציאלי פעולה של נוירון יחיד; עם זאת, בשל יחסי האות לרעש הנמוכים, החוקרים משתמשים בטכניקת הסימון כדי לאפיין את פעילות סיבי C16. בטכניקת הסימון, גירוי חשמלי suprathreshold מוחל על שדות קלט סיבי C בעור. גירוי חשמלי זה יוצר פוטנציאל פעולה המתרחש בהשהיה קבועה, הנקבעת על ידי מהירות ההולכה של סיב C. סיבי C מפגינים האטה תלוית פעילות, שבה מהירות ההולכה שלהם פוחתת, ולכן חביון ההולכה שלהם עולה בתקופות של פריקה פוטנציאלית17. בתנאים בסיסיים, סיבי C אינם מייצרים בדרך כלל פוטנציאלי פעולה בהיעדר גירויים מזיקים, ולכן חביון ההולכה שלהם בתגובה לגירוי חשמלי בתדר נמוך הוא קבוע. גירויים מכניים, תרמיים או פרמקולוגיים, המעוררים ירי, גורמים להאטה תלוית פעילות, אשר מגדילה את ההשהיה של פוטנציאלי הפעולה המתעוררים על ידי גירוי חשמלי בתדר נמוך במקביל. זה מאפשר זיהוי אובייקטיבי של תגובות לגירויים הלא חשמליים המופעלים בהקשר של יחס אות לרעש נמוך. לכן, ניתן להשתמש בהאטה תלוית פעילות כדי לאפיין תפקודית סיבי C16. ואכן, סוגים פונקציונליים שונים של סיבי C מציגים דפוסים ייחודיים של האטה תלוית פעילות בפרדיגמות גירוי חשמלי הכוללות שינוי בתדירות הגירוי18,19. שונות זו בהשהיה של פוטנציאלי הפעולה של סיבי C מציבה אתגר לאלגוריתמים המתוכננים לנטר אותם.
פעילות מתמשכת בנוציצפטור מובילה לשונות מוגברת בהשהיה שלו במהלך גירוי חשמלי בתדר נמוך, וזאת שוב בשל האטה תלוית פעילות. שונות מוגברת זו, או ריצוד, היא מדד פרוקסי הניתן לכימות של רגישות2. גורמים נוספים לשונות בחביון פוטנציאל הפעולה כוללים כפכף-כפכף, שבו מעוררים ענפים טרמינליים חלופיים של נוירון יחיד, מה שגורם לפוטנציאל הפעולה המעורר להיות בעל שני השהיות בסיסיות (או יותר) שהן בלעדיות הדדית20. לבסוף, שינויים בטמפרטורה של ההסתעפויות הסופיות של תא עצב היקפי גורמים גם הם לשינויי חביון פוטנציאליים לפעולה באופן תרמודינמי, כאשר התחממות מגדילה את מהירות ההולכה וקירור מאט את מהירות ההולכה19. לפיכך, כל תוכנה המבקשת לבצע מעקב סף חשמלי בלולאה סגורה של סיבי C נוסיספטיביים חייבת לאפשר שינויים בהשהיה בפוטנציאלי פעולה מעוררים חשמלית.
כדי להשיג את מטרתנו של מעקב סף חשמלי חוצה מינים של נוציצפטורים מסיבי C, פיתחנו את APTrack, תוסף תוכנה בקוד פתוח עבור פלטפורמת Open Ephys21, כדי לאפשר מעקב סף חשמלי ומעקב אחר השהיה בזמן אמת. אנו מספקים נתוני הוכחת היתכנות המוכיחים כי מעקב אחר סף חשמלי של Nociceptor מסיבי C במהלך מיקרונוירוגרפיה אנושית אפשרי. יתר על כן, אנו מראים כי כלי זה יכול לשמש באלקטרופיזיולוגיה של סיבים מכרסמים ex vivo , ובכך לאפשר מחקרים תרגומיים בין בני אדם למכרסמים. כאן, נתאר בפירוט כיצד חוקרים יכולים ליישם ולהשתמש בכלי זה כדי לסייע במחקרם על תפקוד nociceptor ורגישות.

<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

Nociceptors הם קבוצה של נוירונים afferent ראשוני המאותתים על גירויים מזיקים פוטנציאליים. עלייה ברגישות nociceptor מתרחשת במצבי כאב חריפים וכרוניים. זה מייצר פעילות מתמשכת חריגה או ספי הפעלה מופחתים לגירויים מזיקים. זיהוי הגורם לרגישות מוגברת זו נדרש לפיתוח ותיקוף של טיפולים מבוססי מנגנון. מעקב סף חשמלי של נוירון יחיד יכול לכמת את ההתרגשות של nociceptor. לכן, פיתחנו אפליקציה המאפשרת מדידות כאלה ומדגימה את השימוש בה בבני אדם ובמכרסמים. APTrack מספק תצוגה חזותית של נתונים בזמן אמת וזיהוי פוטנציאל פעולה באמצעות התוויית רסטר זמנית. אלגוריתמים מזהים פוטנציאלי פעולה על ידי חציית סף ומנטרים את זמן ההשהיה שלהם לאחר גירוי חשמלי. לאחר מכן התוסף מווסת את משרעת הגירוי החשמלי באמצעות שיטה מעלה-מטה כדי להעריך את הסף החשמלי של הנוציצפטורים. התוכנה נבנתה על מערכת Open Ephys (V0.54) וקודדה בשפת C++ באמצעות מסגרת JUCE. הוא פועל על מערכות ההפעלה Windows, Linux ו- Mac. הקוד הפתוח זמין (<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>). הרישומים האלקטרופיזיולוגיים נלקחו מנוציצפטורים הן בתכשיר עור-עצב של עכבר בשיטת הסיבים המתגרים בעצב הספנוס והן במתנדבים אנושיים בריאים המשתמשים במיקרונוירוגרפיה בעצב הפרוניאלי השטחי. Nociceptors סווגו על ידי התגובה שלהם לגירויים תרמיים ומכניים, כמו גם על ידי ניטור האטה תלוית פעילות של מהירות ההולכה. התוכנה הקלה על הניסוי על ידי פישוט זיהוי פוטנציאל הפעולה באמצעות עלילת הרסטר הזמני. אנו מדגימים מעקב סף חשמלי בלולאה סגורה בזמן אמת אחר פוטנציאלי פעולה של נוירון יחיד במהלך מיקרו-נוירוגרפיה אנושית in vivo, בפעם הראשונה, ובמהלך הקלטות אלקטרופיזיולוגיות של עכברי ex vivo של סיבי C וסיבי Aδ. אנו מבססים הוכחה עקרונית על ידי כך שאנו מראים כי הסף החשמלי של נציצפטור סיבי C הרגיש לחום אנושי מופחת על ידי חימום שדה הקלט. תוסף זה מאפשר מעקב סף חשמלי של פוטנציאלי פעולה של נוירון יחיד ומאפשר לכמת שינויים בעוררות nociceptor.

דוגמה מייצגת של התוכנה הפועלת לשליטה בניסוי מוצגת באיור 7. הוא מתאים באופן איטרטיבי את משרעת הגירוי באמצעות שיטה מעלה-מטה כדי למצוא ביעילות את הסף החשמלי של nociceptors יחיד. בפעם הראשונה אנו מדגימים את ההיתכנות של מעקב סף חשמלי של נוירון בודד בזמן אמת בבני אדם במהלך מיקרו-נוירוגרפיה (איור 7A). נוסף על כך, אנו מראים מעקב אחר סף חשמלי בסיב Aδ של עכבר (איור 7B). זיהוי פוטנציאלי פעולה על ידי חציית סף, כפי שנעשה בו שימוש כאן, מספיק למעקב אחר ספי חשמל לאורך זמן. אנו ממליצים למשתמשים לנקוט צעדים כדי למזער רעש חשמלי במהלך ההקלטות שלהם, כגון באמצעות כלוב פאראדיי ומסנני פסים כדי לשפר את יחס האות לרעש.
כדי להדגים שמעקב אחר סף חשמלי יכול לשמש כמדד לשינויים ברגישות הנוציצפטורים בבני אדם, בוצע מעקב אחר הסף החשמלי במהלך פרדיגמת חימום מדורגת (איור 8). העלאת הטמפרטורה של הדקי הנוציצפטור הפחיתה את זרם הגירוי החשמלי הדרוש כדי לעורר פוטנציאל פעולה, מה שמשקף עלייה בעוררות הנוציצפטור (איור 8C). זה נגרם ככל הנראה על ידי יצירת פוטנציאלים של קולטן על ידי תעלות יונים רגישות לחום מבוטא ב C-fiber nociceptor14. בשלב הטמפרטורה הגבוה ביותר, 44°C, נוצרו פוטנציאלי פעולה מעוררים תרמית (איור 8A, גירוי מספר 86-96). זה גורם לעלייה בסף החשמלי כמו nociceptor עשוי להיות במצב עקשן לאחר פריקה בתדר גבוה. כצפוי, ההשהיה של פוטנציאל הפעולה המסומנת פחתה ככל שהטמפרטורה עלתה. הסברה היא שזה קורה בגלל השפעה תרמודינמית על מכונות ההולכה, שמגדילה את מהירות ההולכה של סיב C. סיב C זה עשוי גם להציג כפכפים (איור 8B, גירוי מספר 47-54), אשר יכול לגרום לגירוי החשמלי הבא להיות מוגבר בטעות באמפליטודה אם פוטנציאל הפעולה נופל מחוץ לחלון החיפוש של האלגוריתם.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig01.jpg"> איור 1: סכמה של מערך הציוד וחיבורי הכבלים הדרושים למעקב אחר סף חשמלי של nociceptor עם APTrack במכרסמים ובבני אדם. שימו לב לשתי השיטות השונות של בקרות משרעת גירוי: מנוע צעד עבור ממריצים מותאמים ידנית במערך האנושי שלנו, ו- PulsePal עבור ממריצים מבוקרי מתח כניסה במערך המכרסמים שלנו. (1) מחשב אישי (Windows, Mac או Linux) המריץ את התוסף עבור פלטפורמת Open Ephys. (2) מנוע צעד המפעיל את חוגת משרעת הגירוי ב-DS7. (3) ממריץ זרם קבוע המאושר לשימוש בבני אדם; כאן השתמשנו ב-DS7. (4) אופטויזולטור USB 3.0, המבודד את המשתתף האנושי מהמחשב (אופציונלי, נדרש רק למחקר בבני אדם). (5) מחולל פולסים PulsePal V2, המפיק חותמות זמן TTL (ערוץ פלט 2) ומדרגות מתח המתאימות למשרעת הגירוי המבוקשת (ערוץ פלט 1). (6) ממריץ זרם קבוע לשימוש בבעלי חיים; כאן השתמשנו ב-DS4. (7) ספק כוח DC למערכת (ספק כוח DC המשמש להתקנת מכרסם וספק כוח DC לסוללה המשמש להתקנה אנושית). (8) לוח רכישה. (9) לוח קלט/פלט לחיבור הכבלים הקואקסיאליים של BNC הנושאים את האותות שיש להקליט, כגון יציאות התרמוזוג וסמני TTL. (10) תכשיר עור-עצב העכבר עובר רישומים אלקטרופיזיולוגיים של נוציצפטור. (11) משתתף אנושי העובר רישום מיקרונוירוגרפיה מסיבי C בעצב הפרוניאלי השטחי. (12) במת Intan RHD2216 לרכישה ודיגיטציה של ההקלטות. (13) לוח מתאם אלקטרודות אינטאן, אליו מחוברות אלקטרודות ההקלטה ומאפשר העברת אות לראש הראש RHD2216. (14) מערכת גירוי תרמי שיכולה להפיק את הטמפרטורה באמצעות חיבור קואקסיאלי BNC. (15) כפתור / דוושת רגל המופעלים באמצעות סוללה של 3.3 וולט המשמשים לסימון אירועי גירוי מכני ויישומי סמים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig02.jpg"> איור 2: שרשרת אותות תבנית. החץ האדום מצביע על הלחצן להפעלת קלט ADC מלוח הקלט/פלט. החץ הצהוב מציין את התפריט הנפתח לבחירת תבנית הקובץ Open Ephys. החץ הירוק מציין את הלחצנים הפעל והקלט. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig03.jpg"> איור 3: ממשק משתמש גרפי. ממשק המשתמש הגרפי מורכב מארבעה מרכיבים עיקריים. (1) לוח Temporal Raster Plot (ירוק) לתצוגה חזותית של נתונים ולהגדרות המשויכות לשליטה במשטח. תגובת השהיה קבועה המראה האטה הדרגתית תלוית פעילות מסומנת על ידי החץ הירוק. (2) לוח בקרת גירוי (צהוב) להגדרת פרמטרי משרעת הגירוי וטעינת סקריפטי פרדיגמת הגירוי. (3) טבלת מעקב מרובת יחידות (כחול) להוספת פוטנציאלי הפעולה למעקב והפעלה של מעקב ההשהיה והסף החשמלי. (4) תפריט אפשרויות לבחירת סגנונות הצבע וערוץ הקלט של הנתונים והטריגרים של TTL. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig03large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig04.jpg"> איור 4: הקלה על זיהוי פוטנציאלים של פעולות השהיה קבועות באמצעות תצוגה חזותית של נתונים בזמן אמת על תרשים רסטר זמני באמצעות APTrack. זוהי דוגמה ליחס אות לרעש גבוה. הנתונים המוצגים בתרשים הרסטר הרקתי הם מרישום סיב C אנושי מהעצב הפרוניאלי השטחי במהלך מיקרונוירוגרפיה. Voltage Trace הוא תוסף דמוי אוסצילוסקופ LFP Viewer בתוך Open Ephys. ממשק המשתמש APTrack הוא ממשק המשתמש הגרפי של התוסף. פוטנציאל הפעולה המסומן מסומן על ידי חצים ירוקים, והמחוון המעגלי על גבול תרשים הרסטר הזמני מיועד לשליטה במיקום תיבת החיפוש שבה האלגוריתמים יחפשו אירועי חציית סף. חפץ הגירוי החשמלי מסומן בכחול על עקבות המתח. משרעת הגירוי של פקודת המתח האנלוגית מסומנת באדום; שים לב שייתכן שזה לא יהיה זהה למשרעת זרם הגירוי בהתאם לגורם קנה המידה שנקבע על המגרה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig04large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig05.jpg"> איור 5: ייצוג גרפי של אלגוריתם מעקב השהיה. במילים פשוטות, אם פוטנציאל פעולה מזוהה על ידי חציית סף, תיבת החיפוש תתאים את מיקומה למרכז עצמה בזמן שיא המתח. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig05large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig06.jpg"> איור 6: ייצוג גרפי של אלגוריתם מעקב הסף החשמלי. במילים פשוטות, אם פוטנציאל פעולה מזוהה על ידי חציית סף, משרעת הגירוי תקטן בשיעור הגזימה. אם לא זוהה פוטנציאל פעולה, משרעת הגירוי תוגדל בקצב ההפרש. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig06large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig07.jpg"> איור 7: מעקב סף חשמלי אוטומטי אחר פוטנציאלי פעולה של נוירון יחיד בתדר גירוי של 0.25 הרץ . (A) עקבות רציפים של סיב C אנושי של העצב הפרוניאלי השטחי במהלך ניסוי מיקרונוירוגרפיה. (B) עקבות רציפים של עכבר Aδ-fiber של עצב saphenous במהלך הכנת עצב העור הקניטו אלקטרופיזיולוגיה של סיבים. העקבות נצבעו באדום כאשר זוהה פוטנציאל פעולה, וכתוצאה מכך חלה ירידה באמפליטודת הגירוי. אלגוריתם התוכנה מוצא ביעילות את משרעת הגירוי הנדרשת לסבירות של 50% לירי. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig07large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig08.jpg"> איור 8: מעקב אחר סף חשמלי בתדר גירוי של 0.25 הרץ במהלך גירוי תרמי של נציצפטור סיב C אנושי. ציר ה-y מקודד את מספר הגירוי מתחילת הפרדיגמה. (A) מעקב מתח במשך 4,000 אלפיות השנייה לאחר גירוי חשמלי, כאשר אירועי חציית סף מסומנים באדום. (B) מעקב מתח מ-A מוגדל סביב פוטנציאל הפעולה המסומן. העקבות נצבעו באדום כאשר זוהה פוטנציאל הפעולה שזוהה. הקו הכחול האנכי הוא ההשהיה הבסיסית של היחידה המסומנת. (C) זרם גירוי בפיקוד APTrack. הקו הכחול האנכי הוא הסף החשמלי של קו הבסיס. (D) טמפרטורת בדיקה מגרה תרמית TCS-II בשדה הקלט. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig08large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>תרכובת</td>
			<td>ריכוז</td>
		</tr><tr><td>NaCl</td>
			<td>107.8 מ"מ</td>
		</tr><tr><td>NaHCO3</td>
			<td>26.2 מ"מ</td>
		</tr><tr><td>KCl</td>
			<td>3.5 מ"מ</td>
		</tr><tr><td>NaH2PO4</td>
			<td>1.67 מ"מ</td>
		</tr><tr><td>CaCl2</td>
			<td>1.53 מ"מ</td>
		</tr><tr><td>מגסו4</td>
			<td>0.69 מ"מ</td>
		</tr><tr><td>נתרן גלוקונאט</td>
			<td>9.64 מ"מ</td>
		</tr><tr><td>סוכרוז</td>
			<td>7.6 מ"מ</td>
		</tr><tr><td>גלוקוז</td>
			<td>5.55 מ"מ</td>
		</tr></tbody></table>טבלה 1: תכולת נוזל אינטרסטיציאלי סינתטי להכנת עור-עצב עכבר23.

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 הוא תוסף תוכנה שפותח עבור פלטפורמת Open Ephys המאפשר הדמיית נתונים בזמן אמת ומעקב סף חשמלי בלולאה סגורה אחר פוטנציאלי פעולה עצביים. השתמשנו בזה בהצלחה במיקרונוירוגרפיה עבור nociceptors סיבי C אנושיים ועכבר C-fiber ו Aδ-fiber nociceptors.

מעקב סף חשמלי בלולאה סגורה בקוד פתוח בזמן אמת לחקר כאב תרגומי

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

כלי זה יכול לשמש כדי לחקור מנגנונים שונים של רגישות nociceptor, וזה רגישות זו יכולה להניע כמה צורות של כאב כרוני. מעקב סף חשמלי אוטומטי מספק מדד אמין, מקוון, בזמן אמת של רגישות nociceptor. ככזה, מדד זה מספק גשר תרגומי חשוב, המאפשר לבצע מדידות הן בבני אדם והן בבעלי חיים.באותו אופן, המאפשר פתולוגיה יעילה וטיפולים להיות מוערך. בעתיד, AP Track יכול לשמש בחולי כאב כרוני כדי לאשר אם סוכן טיפולי מנרמל את ההתרגשות של nociceptors רגישים שלהם. זה יהווה סמן ביולוגי מכריע של יעילות.אנו צופים כי ערכת הכלים שלנו בקוד פתוח, AP Track, תהיה שימושית לאלקטרופיזיולוגים החוקרים גירויי לולאת זמן בסדרי גודל שונים. לדוגמה, אנחנו גם חושבים שזה יהיה שימושי ללימוד אופטוגנטיקה. ניהול ניסוי ותוכנה בו זמנית הוא מאתגר בהתחלה, ולכן אני ממליץ למשתמשים לטעון נתונים מוקלטים מראש לתוך AP Track כדי להכיר את השימוש בו לפני שהם מנסים ניסוי.סיפקנו נתוני הדגמה. כדי להתחיל, חבר את לוח הרכישה למחשב באמצעות הכבל שסופק על-ידי היצרן והפעל אותם. לאחר מכן, חבר את לוח הקלט/פלט לייבוא האנלוגי בלוח הרכישה וחבר ראש הקלטה של Intan RHD ללוח הרכישה באמצעות כבל ממשק היקפי טורי.לאחר מכן, חבר את Pulse Pal למחשב. פצל את האות של ערוץ הפלט של Pulse Pal באמצעות מפצל BNC T, ולאחר מכן חבר אותו לקלט מגרה הזרם הקבוע וללוח הקלט/פלט, כך שניתן יהיה להקליט את פקודת המתח האנלוגי. חבר את ערוץ הפלט של Pulse Pal מספר שתיים ללוח הקלט/פלט כדי להקליט את סמני האירועים TTL של הגירוי.להרכבה עם מגרה זרם קבוע מבוקר חוגה, הפעל מגרה זרם קבוע וחבר את לוח הבקרה של מנוע הצעד למנוע הצעד באמצעות הכבל והתושבת המגנטית שסופקו על ידי היצרן. חבר את לוח הבקרה למחשב ישירות באמצעות כל כבל USB-A ל-USB micro B סטנדרטי. חבר את לוח הבקרה ואת מנוע הצעד לתושבת הרכבה מותאמת אישית, והגדר את חוגת משרעת הגירוי במגרה הזרם הקבוע לאפס מיליאמפר.לאחר מכן, חבר מתאם חבית מותאם אישית לחבית מנוע הצעד. חבר את מנוע הצעד ואת מנגנון ההרכבה המותאם אישית לחוגת משרעת הגירוי במגרה הזרם הקבוע באמצעות מתאם החבית, והפעל אותו. פתח את ממשק המשתמש הגרפי AP Track וצור הקלטה אלקטרופיזיולוגית יציבה של עצב היקפי.זהה את שדה הקלט על העור ומקם שם את האלקטרודה המעוררת. בתפריט Options, בחרו Trigger Channel ובחרו בערוץ ADC הכולל את סמן TTL לגירוי חשמלי מערוץ הפלט השני של Pulse Pal. לאחר מכן, בחר את ערוץ הנתונים ובחר את הערוץ המכיל את הנתונים האלקטרופיזיולוגיים.לחץ על התחבר כדי לחבר את AP Track למנגנון Pulse Pal ומנוע הצעד. זה עשוי לקחת רגע. לאחר חיבורו, לוח הבקרה של מנוע הצעד יגדיר את עצמו למצב אפס.בלוח הבקרה של הגירוי, הגדר את אמפליטודות הגירוי המינימליות והמקסימליות באמצעות המחוון. ודא שהגירוי הנוכחי מוגדר מעל אפס, כך שייווצרו סמני TTL. לחץ על F כדי לטעון קובץ המכיל את הוראות הגירוי ולאחר מכן לחץ על החץ ימינה כדי להתחיל בפרדיגמת הגירוי הטעון.תרשים הרסטר הזמני יתחיל להתעדכן עם התגובה לגירוי חשמלי, כאשר כל תגובת גירוי חדשה תוצג כעמודה חדשה מימין. כדי לזהות בהצלחה את פוטנציאלי הפעולה של תא העצב היחיד, עבור אל לוח התוויית הרסטר הזמני והתאם את ערכי סף התמונה הנמוכים, הזיהוי והגבוהים. עם הגדרת ספי תמונה מתאימים, אירועי חציית הסף שזוהו על ידי האלגוריתמים יקודדו בירוק.באופן שיטתי, להזיז את האלקטרודה המגרה סביב אזור העור innervated על ידי העצב. נטר את תרשים הרסטר הזמני עבור שלושה אירועי חציית סף המופיעים בשורה באותו זמן השהיה כאשר האלקטרודה נמצאת באותו מצב גירוי. זה מצביע על זיהוי של פוטנציאל פעולה של נוירון היקפי חביון קבוע.לאחר זיהוי פוטנציאל הפעולה של תא עצב בודד בהתוויית הרסטר הזמני, הזז את המחוון הליניארי האפור בצד ימין של העלילה כדי להתאים את מיקום תיבת החיפוש. לאחר מכן, התאם את תיבת החיפוש עם מחוון סיבובי לרוחב מתאים. הפוך את רוחב תיבת החיפוש לצר.כדי להתחיל לעקוב אחר פוטנציאל הפעולה הממוקד, לחץ על סימן החיבור מתחת לטבלת המעקב מרובת היחידות. שורה חדשה תתווסף לטבלה המכילה את פרטי פוטנציאל הפעולה של המטרה, כולל מיקום ההשהיה, אחוז הירי מעל שניים עד 10 גירויים ומשרעת השיא שזוהתה. אלגוריתם מעקב ההשהיה יבוצע עליו באופן אוטומטי עם כל גירוי חשמלי עוקב.סמן את תיבת ספייק המעקב בטבלה כדי להזיז את תיבת החיפוש למיקום המתאים עבור פוטנציאל פעולה מסוים זה. חשב את מהירות ההולכה של תא העצב ההיקפי על-ידי חלוקת המרחק בין אתרי הגירוי וההקלטה בהשהיה המוצגת בטבלה. כדי לבצע את מעקב הסף החשמלי, התאם את שיעורי ההפרשים והירידה בלוח הבקרה לגירוי לקצב הרצוי.שמור על ערכים אלה שווים. ודא שתדירות הגירוי מוגדרת לקצב מתאים, בדרך כלל 0.25 עד 0.5 הרץ. כוונן ידנית את משרעת הגירוי בערך לסף החשמלי של תא העצב.לאחר מכן, סמן את תיבת סף המסלול בטבלת המעקב מרובת היחידות, אשר תפעיל את אלגוריתם מעקב הסף החשמלי. בטבלת המעקב מרובת היחידות, עקוב אחר קצב הירי. שיעור ירי של 50% מצביע על כך שנקבע הסף החשמלי המשוער וערך הסף יעודכן.לבסוף, להחיל מניפולציה ניסיונית על שדה הקלט ולהמשיך לעקוב אחר הסף החשמלי. זה יכמת שינויים בעוררות הנוירון ההיקפי. העקבות הרציפים של סיב C אנושי של העצב הרב-שנתי השטחי במהלך ניסוי מיקרו-נוירוגרפיה והעקבות הרציפים של סיבי A-דלתא של עכבר של העצב הספנוס במהלך הכנת האלקטרופיזיולוגיה של סיבי העור.העקבות נצבעו באדום כאשר זוהה פוטנציאל פעולה, וכתוצאה מכך חלה ירידה באמפליטודת הגירוי. אלגוריתם התוכנה מוצא ביעילות את משרעת הגירוי הנדרשת לסבירות של 50% לירי. מעקב הסף החשמלי בתדר גירוי של 0.25 הרץ במהלך הגירוי התרמי של נוציצפטור סיבי C אנושי מוצג באיור זה.ציר ה-y מקודד את מספר הגירוי מתחילת הפרדיגמה. עקבות המתח במשך 4, 000 אלפיות השנייה לאחר הגירוי החשמלי עם אירועי חציית הסף מסומנים באדום. מעקב המתח המוגדל סביב פוטנציאל הפעולה המסומן מוצג כאן.הקו הכחול האנכי הוא ההשהיה הבסיסית של היחידה המסומנת. זרם הגירוי שעליו מפקדת AP Track מוצג באיור זה. הקו הכחול האנכי הוא הסף החשמלי של קו הבסיס.שדה הקלט TCS-II מגרה תרמית מגרה טמפרטורת הבדיקה מוצג כאן. ככל ששדה הקלט של סיב C רגיש לחום זה מתחמם על ידי הממריץ התרמי, הסף החשמלי יורד. בחירת הערכים המתאימים עבור רוחב תיבת החיפוש וסף הזיהוי חשובה, מכיוון שהם משפרים באופן משמעותי את הביצועים של AP Track על ידי הפחתת ההשפעה של רעש חשמלי.כימות ההשפעה של חומרים טיפוליים על רגישות יתר בנוציצפטורים עשוי לעזור לנו להבין טוב יותר את המנגנונים העומדים בבסיס כאב כרוני. אנו מקווים שחוקרים אחרים ישתמשו בכלי זמין זה כדי להבין טוב יותר את הביולוגיה הנוסיספטיבית ואת השינויים שהתרחשו במהלך רגישות הנוציצפטור.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

פלטפורמה ניסויית לחקר ביצועים לולאה סגורה של המוח מכונת ממשקים

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

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

הקלטת אדם Electrocorticographic (ECOG) אותות לחקר Neuroscientific בזמן אמת מיפוי קורטיקלי פונקציונלית

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

בניית קוד פתוח רובוטית Stereotaxic 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

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

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

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

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

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

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

פרוטוקול עבור fMRI ניהול בזמן אמת Neurofeedback אימונים

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

הקרנת וידאו בזמן אמת ב- MRI פלואורסנציה ה"מפה עצביים הקשורים בטיפול מראה עבור כאב האיבר פנטום

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

שימוש בניותא פעילות העולה להדק לולאה סגורה גירויים בניסויים נוירולוגיים

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

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

מיפוי מוח fMRI בזמן אמת בבעלי חיים

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

בדיקות גירוי מגנטי טרנס-תברתי קונבנציונליות ומעקב סף לפעולה עצמית

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