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

医学アカデミー(J.P.D.、A.E.P.)、対関節炎(J.P.D.、A.E.P.)、ジャンゴールディングインスティテュートシードコーングラント(J.P.D.、A.E.P.、G.W.、A.C.S.、M.M.P.)、およびバイオテクノロジーおよび生物科学研究評議会の共同トレーニングパートナーシップ博士課程の学生シップ(G.W.T.N.)の支援に感謝します。APTrackの開発に貢献してくださった皆様に感謝いたします。また、マイクロニューログラフィー実験に参加したボランティアと、患者と一般市民の関与とエンゲージメントの協力者の貴重な貢献に感謝します。

<ol>
	<li>Dubin, A. 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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. 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G.W.T.N.は、ブリストル大学およびイーライリリーアンドカンパニー(BB / T508342 / 1)とのBBSRC共同トレーニングパートナーシップ博士課程学生です。A.P.N.はイーライリリー・アンド・カンパニーの現在の従業員であり、この会社の株式を所有している可能性があります。

APTrackは、Open Ephysプラットフォームで使用するためのソフトウェアプラグインです。このプラットフォームは、オープンソースで柔軟性があり、実装が安価であるため、このプラットフォームを選択しました。定電流刺激装置の費用を除いて、プラグインの使用を開始するために必要なすべての機器は、執筆時点で約5,000米ドルで購入できます。これにより、研究者が末梢神経電気生理学研究にAPTrackをより簡単に実装できるようになることを願っています。さらに、研究者は実験のニーズに合わせてソフトウェアを自由に変更できます。重要なことに、このツールは、ヒトで初めて、単一のCファイバー侵害受容器の電気的閾値追跡を可能にしました。
信号対雑音比が高いほど、アルゴリズムは活動電位をより適切に識別できます。マイクロニューログラフィー中の信号対雑音比は、ほとんどの記録で十分でしたが、ユーザーは時間の経過に伴う信号劣化のリスクに注意する必要があります。これは、追跡された活動電位の振幅が検出しきい値を下回ると、刺激振幅が誤って増加するため、より長い実験プロトコルでは特に重要です。これは、実験者がプラグインを監視し、必要に応じて設定を調整することで軽減できます。信号対雑音比はバンドパスフィルタリングによって改善されますが、より大きなトランジェントは、検索ボックスの時間枠内に到着した場合、活動電位と誤認される可能性があります。過渡ノイズを活動電位と誤認するリスクは、プラグインが活動電位を検索する時間枠を狭め、しきい値設定を最適化することで軽減できます。ただし、プラグインのパフォーマンスを妨げる可能性のある状況はまだあります。より大きな振幅の活動電位がアルゴリズムの検索ボックスウィンドウ内にある場合、自発的な活動は、ターゲット活動電位として誤認されるため、困難を引き起こす可能性があります。さらに、対象のニューロンにおける自発的な活動は、電気刺激がその不応期に低下し、活動電位の生成に失敗することを意味する可能性がある。ソフトウェアの使用が困難になるのは、一次求心性ニューロンがフリップフロップを示し、それによって単一のニューロンの交互の末端枝が刺激され、誘発された活動電位が相互に排他的な2つ(またはそれ以上)のベースライン潜時を有する場合にも生じ得る20。高いS/N比のフリップフロップを示すニューロンからの記録中に、ニューロンが示すすべての潜在的な伝導速度をカプセル化するために検索ボックスの幅を増やすことにより、遅延と電気的閾値の追跡に成功しました。しかしながら、電気的閾値は、興奮されているニューロンの末端枝に依存して変化し得、これは、電気刺激の部位から代替侵害受容器終末までの距離の違いに一部起因している可能性が高い。例えば、テンプレートマッチングを含む活動電位識別プロセスに関する追加の作業は実行可能であり、このソフトウェアに統合することができる。バンドストップまたは適応型ノイズフィルタリング用のGUIプラグインは、開発されれば、シグナルチェーンのAPTrackの上流で使用することもできます。
決定された電気的しきい値は、ユーザー定義の数の電気刺激(通常は2〜10)にわたって、50%の確率で活動電位を引き出すために必要な電流であると考えています。電気刺激の形態は0.5msで、正の矩形波パルスです。これは、ニューロンの興奮性の一般的に使用される尺度であるレオベースの決定と同じではありません。プラグインは、レオベースを決定するように適合させることができます。しかし、加熱中に発生すると仮定されているような興奮性の動的変化は、電気的閾値の推定値よりもレオベースの変化で定量化することがより困難であったため、より単純な尺度を追求しました。
このソフトウェアは、人間とげっ歯類の両方の実験で使用できます。これは、電気刺激システムの柔軟なサポートによって可能になります。このソフトウェアは、アナログコマンド電圧を受け入れる刺激装置、またはステッピングモーターと手動でインターフェースできる任意の刺激装置で動作します。マイクロニューログラフィーでは、人間の研究で使用するために設計され、その刺激がダイヤルで制御されたCEマークの定電流刺激装置と一緒に使用しました。アナログ電圧コマンドを受け入れる刺激装置は、刺激間の回路を切断しないため、ノイズが多くなる可能性があり、アナログ入力の50/60Hzのハムまたはノイズが録音に送信されます。回路を接続するために追加のTLLトリガ信号を必要とする刺激器は、アナログ電圧入力に類似した電流で刺激を生成できるため、プラグインでの使用に最適です。これにより、刺激間の記録にノイズが伝達されるのを防ぎます。
このソフトウェアは、単純なアップダウン方式を使用して電気的しきい値を推定します。これは何十年にもわたって心理物理学のテストで使用されてきました25。アップダウン法に沿って、刺激振幅を変調するための電気的閾値追跡アルゴリズムは、次の刺激の振幅を計算するときに、前の刺激の振幅と応答のみを考慮します。これは、刺激振幅が真の電気的閾値を中心に振動し、閾値が安定していると仮定すると、50%の発火率を生成することを意味します。インクリメントまたはデクリメントの最小サイズは0.01Vです。これは、刺激器の入出力比が1V:1で、ステップ変化がこれほど小さいとするのに十分な分解能を持つと仮定すると、0.01mAに相当します。プラグインは、ユーザー定義の以前の刺激の数(50-2)に対して10%の発火率に達するたびに、ターゲット活動電位の電気的しきい値のライブ推定値を更新します。事後的に、最後の2〜10回の刺激に対する刺激振幅の移動平均を使用して電気的しきい値を推定することをお勧めしますが、この推定値は、発火率が50%で比較的安定している場合にのみ正確であることに注意してください。電気的スレッショルドのライブ推定値と事後推定値の両方で、分解能、信頼性、および考慮すべき時間のバランスがあります。より小さなインクリメントステップとデクリメントステップを使用すると、電気的しきい値推定の精度が向上しますが、摂動後に最初に新しい電気的しきい値を見つけるのにかかる時間が長くなります。より多くの以前の刺激に対して電気的閾値を計算すると、信頼性が向上しますが、正確な推定値に到達するために必要な時間が長くなります。
APTrackは、末梢神経記録に使用するために、特に、活動電位潜時が根底にあるニューロン活動に応じて変化する可能性のある期間にわたる実験的および病理学的摂動中のCファイバーの電気的閾値を追跡するために設計されました。この方法により、軸索興奮性だけでなく、健康なボランティアや患者の侵害受容器発生電位を調べることができます。電気生理学の他の分野が、刺激ロックされた活動の電気的閾値追跡を必要とする実験で使用するためにこのツールを採用し、適応させる可能性があると予想しています。たとえば、これは、APTrackから駆動される光パルスによる光遺伝学的刺激に簡単に適合させることができます。プラグインはオープンソースであり、GPLv3ライセンスの下で研究者が利用できます。これは、適応性のある低コストのオープンソースデータ収集システムであるOpen Ephysプラットフォーム上に構築されています。プラグインは、ダウンストリームプラグインに追加のフックを提供して、アクションポテンシャル情報を抽出し、追加のユーザーインターフェイスまたは適応パラダイムを提供します。プラグインは、活動電位の視覚化と遅延追跡のためのシンプルなユーザーインターフェイスをリアルタイムで提供します。また、以前のデータを再生し、時系列ラスタープロットを使用して視覚化することもできます。さらに、以前のデータの再生中に遅延追跡を実行することもできます。リアルタイムの遅延追跡に利用できる他のソフトウェアパッケージがありますが、それらはオープンソースではなく、電気的しきい値追跡を実行できません26、27。APTrackは、データの視覚化に時間ラスタプロットを使用するため、電圧トレースから一定の遅延活動電位を識別する従来の方法よりも優れています。さらに、信号対雑音比の低い実験で使用した経験から、時間ラスタプロットの視覚化手法により、他の方法では見逃されていた可能性のある一定の遅延活動電位を特定できることを示しています。
全神経閾値追跡は、軸索興奮性を評価するために広く使用されている方法です13。げっ歯類C線維における単一ニューロンの電気的閾値追跡は、侵害受容器の興奮性を定量化するために以前に使用されており14、ヒトにおけるその有用性は認識されています10,11;しかし、これまで、これは不可能でした。げっ歯類とヒト末梢神経の両方の電気生理学的研究において、単一の侵害受容器の興奮性を直接測定するための新しいオープンソースツールを提供しています。APTrackは、ヒトの単一ニューロン活動電位のリアルタイムのオープンソースの電気的閾値追跡を初めて可能にします。げっ歯類とヒトの間の侵害受容器のトランスレーショナル研究を促進することが期待されます。

侵害受容器は、末梢神経系の主要な求心性ニューロンであり、明白または潜在的に組織に損傷を与えるイベントによって活性化され、急性疼痛において重要な保護的役割を果たします1。動物モデル、健康なヒトボランティア、および患者におけるCファイバーおよびAδファイバー侵害受容器からの電気生理学的記録は、さまざまな疼痛状態における感作および異常な自発的活動を明らかにした2,3,4,5,6,7。患者の侵害受容器興奮性のこれらの変化の根底にあるメカニズムを理解することで、標的治療介入が可能になります8。しかし、特に患者において侵害受容器の興奮性を直接評価するツールはほとんどありませんが9、そのようなツールの有用性の可能性はよく認識されています10,11。
全神経電気的閾値追跡は、ヒトの軸索興奮性を調べるために使用することができる12。しかしながら、大きく、有髄した末梢ニューロンが感覚化合物活動電位の振幅に不釣り合いに寄与するので、全神経電気的閾値追跡はC線維機能の評価を可能にしない11、13。実際、以前の研究では、糖尿病性神経障害および化学療法誘発性多発ニューロパチーを伴う慢性神経因性疼痛コホートにおける全神経電気的閾値追跡は、軸索興奮性に差を示さなかった11。
以前の研究では、単一ニューロンレベルでの電気的閾値追跡を使用して、 ex vivo ラット皮膚神経調製物におけるからかい繊維記録中のC線維侵害受容器の興奮性を調べました14。著者らは、カリウム濃度の増加、酸性条件、およびブラジキニンのすべてが、活動電位発生の電気的閾値の低下に反映されるように、C線維侵害受容器の興奮性を増加させることを実証した。さらに、熱感受性侵害受容器の受容野を加熱すると電気的閾値が低下したが、熱感受性侵害受容器は電気的閾値の増加を示した14。これは、単一ニューロンの電気的閾値追跡が可能であり、有用である可能性があるという重要な証拠を提供しますが、現在、特に人間の研究のために、そのような調査を可能にするために利用できるソフトウェアおよび/またはハードウェアソリューションはありません。
ヒトにおいて、マイクロニューログラフィーは、C線維の電気生理学的特性を直接評価するために利用可能な唯一の方法である15。このアプローチは、慢性疼痛を有する患者における侵害受容器機能障害を実証するために使用されている2,3,4,5,6,7。マイクロニューログラフィーは、単一ニューロンの活動電位を検出できます。ただし、信号対雑音比が低いため、研究者はマーキング技術を使用してCファイバーの活性を特徴付けています16。マーキング技術では、閾値超の電気刺激が皮膚のC線維受容野に適用されます。この電気刺激は、Cファイバーの伝導速度によって決定される一定の遅延で発生する活動電位を生成します。C繊維は活動依存的な減速を示し、それによってそれらの伝導速度は減少し、したがって、それらの伝導潜時は活動電位放電の期間中に増加する17。基礎条件下では、C繊維は通常、有害な刺激がないと活動電位を生成しないため、低周波電気刺激に応答する伝導潜時は一定です。発火を誘発する機械的、熱的、または薬理学的刺激は、活動依存性の減速を誘発し、付随する低周波電気刺激によって誘発される活動電位の潜時を増加させる。これにより、低い信号対雑音比のコンテキストで、加えられた非電気的刺激に対する応答を客観的に識別することができます。したがって、活動依存性減速は、C繊維16を機能的に特徴付けるために使用することができる。実際、C繊維の異なる機能クラスは、刺激周波数の変化を伴う電気刺激パラダイムにおいて、活動依存性減速の独特のパターンを示す18、19。Cファイバー活動電位の待ち時間のこの変動性は、それらを監視するように設計されたアルゴリズムにとって課題を提示します。
侵害受容器における進行中の活動は、低周波電気刺激中の潜時の潜時の変動性の増加をもたらし、これもまた活動依存性の減速によるものである。この増加した変動性、つまりジッタは、励起性の定量化可能な代理尺度です2。活動電位潜時の変動性のさらなる原因は、単一のニューロンの交互の末端枝が刺激されるフリップフロップを含み、これは誘発された活動電位が相互に排他的である2つ(またはそれ以上)のベースライン潜時を有する原因となる20。最後に、末梢ニューロンの終末枝の温度の変化も熱力学的に活動電位潜時変化を引き起こし、加温は伝導速度を増加させ、冷却は伝導速度を遅くします19。したがって、侵害受容性Cファイバーの閉ループ電気閾値追跡を実行しようとするソフトウェアは、電気的に誘発される活動電位の潜時の変化を考慮しなければならない。
Cファイバー侵害受容器の種間電気的しきい値追跡の目標を達成するために、Open Ephysプラットフォーム21用のオープンソースソフトウェアプラグインであるAPTrackを開発し、リアルタイム、閉ループ、電気的しきい値追跡、および遅延追跡を可能にしました。ヒトマイクロニューログラフィ中のCファイバー侵害受容器の電気的閾値追跡が可能であることを示す概念実証データを提供します。さらに、このツールがげっ歯類 のex vivo からかい繊維電気生理学に使用できることを示し、ヒトとげっ歯類の間のトランスレーショナル研究を可能にします。ここでは、研究者が侵害受容器の機能と興奮性の研究を支援するためにこのツールを実装して使用する方法について詳しく説明します。

<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

侵害受容器は、潜在的に有害な有害な有害刺激を知らせる一次求心性ニューロンのクラスです。侵害受容器の興奮性の増加は、急性および慢性の疼痛状態で起こる。これにより、異常な進行中の活動が生じるか、有害な刺激に対する活性化閾値が低下します。この興奮性の増加の原因を特定することは、メカニズムベースの治療法の開発と検証に必要です。単一ニューロンの電気的閾値追跡は、侵害受容器の興奮性を定量化することができる。そこで、このような測定を可能にし、ヒトやげっ歯類での使用を実証するアプリケーションを開発しました。APTrackは、時間ラスタプロットを使用して、リアルタイムのデータの視覚化と活動電位の識別を提供します。アルゴリズムは、閾値を超えることによって活動電位を検出し、電気刺激後の潜時を監視します。次に、プラグインは、アップダウン法を使用して電気刺激振幅を変調し、侵害受容器の電気的閾値を推定します。このソフトウェアはOpen Ephysシステム(V0.54)上に構築され、JUCEフレームワークを使用してC ++でコーディングされました。これは、Windows、Linux、およびMacオペレーティングシステムで動作します。オープンソースコードが利用可能です(<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/ マイクロニューログラフィー/ APTrack</a>)。電気生理学的記録は、伏在神経のティーズドファイバー法を使用したマウス皮膚神経製剤と、表在腓骨神経の微小ニューログラフィーを使用した健康なヒトボランティアの両方の侵害受容器から採取されました。侵害受容器は、熱的および機械的刺激に対するそれらの応答によって、ならびに伝導速度の活動依存的な減速を監視することによって分類された。このソフトウェアは、時間ラスタプロットによる活動電位の識別を簡素化することにより、実験を容易にしました。私たちは、in vivoヒトマイクロニューログラフィ中、およびex vivoマウスのCファイバーとAδファイバーの電気生理学的記録中に、単一ニューロン活動電位のリアルタイム閉ループ電気閾値追跡を実証します。我々は、ヒトの熱感受性C繊維侵害受容器の電気的閾値が受容場を加熱することによって減少することを示すことによって原理の証明を確立する。このプラグインは、単一ニューロン活動電位の電気的閾値追跡を可能にし、侵害受容器興奮性の変化の定量化を可能にします。

実験を制御するソフトウェアの代表例を 図7に示します。アップダウン法を使用して刺激振幅を繰り返し調整し、単一の侵害受容器の電気的閾値を効果的に見つけます。初めて、マイクロニューログラフィ中のヒトにおけるリアルタイムの単一ニューロン電気閾値追跡の実現可能性を実証しました(図7A)。さらに、マウスAδファイバーにおける電気的閾値追跡を示します(図7B)。ここで使用される閾値交差による活動電位の識別は、経時的な電気的閾値を追跡するのに十分である。ファラデーケージとバンドパスフィルターを使用して信号対雑音比を改善するなど、録音中の電気的ノイズを最小限に抑えるための手順を実行することをお勧めします。
電気的閾値追跡がヒトにおける侵害受容器興奮性の変化の尺度として使用できることを実証するために、段階的加熱パラダイム中の電気的閾値の追跡が行われました(図8)。侵害受容器端子の温度を上げると、侵害受容器の興奮性の増加を反映して、活動電位を引き出すために必要な電気刺激電流が減少しました(図8C)。これは、C繊維侵害受容器14に発現される熱感受性イオンチャネルによる受容体電位の発生によって引き起こされた可能性が高い。最高温度ステップである44°Cでは、熱誘発活動電位が惹起された(図8A、刺激数86-96)。これにより、侵害受容器が高周波放電後に耐火状態になる可能性があるため、電気的閾値が増加します。予想通り、追跡された活動電位の待ち時間は、温度が上昇するにつれて減少しました。これは、C繊維の伝導速度を増加させる伝導機構への熱力学的効果によって起こると考えられている。このCファイバーはまた、フリップフロップ(図8B、刺激番号47〜54)を示す可能性があり、活動電位がアルゴリズム検索ウィンドウの外にある場合、次の電気刺激の振幅が誤って増加する可能性があります。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig01.jpg"> 図1:げっ歯類と人間のAPTrackを使用した侵害受容器の電気的しきい値追跡に必要な機器のセットアップとケーブル接続の概略図。刺激振幅制御の2つの異なる方法に注意してください:人間のセットアップで手動で調整された刺激装置用のステッピングモーターと、げっ歯類のセットアップで入力電圧制御された刺激装置用のPulsePal。(1) Open Ephys プラットフォーム用のプラグインを実行している PC (Windows、Mac、または Linux)。(2) DS7の刺激振幅ダイヤルを操作するステッピングモータ。(3)ヒトでの使用が承認された定電流刺激装置。ここではDS7を使用しました。(4)人間の参加者をPCから隔離するUSB 3.0オプトアイソレータ(オプション、人間の研究にのみ必要)。(5)PulsePal V2パルスジェネレータは、TTLタイムスタンプ(出力チャンネル2)と要求された刺激振幅(出力チャンネル1)に対応する電圧ステップを生成します。(6)動物に使用するための定電流刺激装置;ここでは、DS4を使用しました。(7)システム用のDC電源(げっ歯類のセットアップに使用される主電源DC電源と人間のセットアップに使用されるバッテリーDC電源)。(8)買収委員会。(9)熱電対出力やTTLマーカーなど、記録する信号を伝送するBNC同軸ケーブルを接続するためのI / Oボード。(10)侵害受容器電気生理学的記録を受けているマウス皮膚神経製剤。(11)浅腓骨神経のC線維からの微小ニューログラフィ記録を受けているヒト参加者。(12)録音の取得とデジタル化のためのIntan RHD2216ヘッドステージ。(13) 記録電極が接続され、RHD2216ヘッドステージに信号を渡すことを可能にするIntan電極アダプタボード。(14)BNC同軸接続を介して温度を出力できる熱刺激システム。(15)機械的刺激イベントおよび薬物適用をマークするために使用される3.3Vバッテリー駆動のボタン/フットペダル。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig02.jpg"> 図2:テンプレート・シグナル・チェーン 赤い矢印は、I/OボードからのADC入力を有効にするためのボタンを指しています。黄色の矢印は、Open Ephys ファイル形式を選択するためのドロップダウン メニューを示します。緑色の矢印は、[再生] ボタンと [録音] ボタンを示します。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig03.jpg"> 図3:グラフィカルユーザーインターフェイス。 GUIは4つの主要コンポーネントで構成されています。(1) 時系列ラスタープロットパネル(緑色)は、データの視覚化とプロットの制御に関連する設定用です。アクティビティ依存の緩やかな減速を示す一定の遅延応答は、緑色の矢印で示されます。(2)刺激振幅パラメータを設定し、刺激パラダイムスクリプトをロードするための刺激コントロールパネル(黄色)。(3)待ち時間および電気的閾値追跡を追跡およびアクティブ化するための活動電位を追加するためのマルチユニット追跡テーブル(青色)。(4) オプション データおよびTTLトリガーのカラースタイルと入力チャンネルを選択するためのメニュー。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig03large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig04.jpg"> 図4:APTrackを使用した時間ラスタプロットでのリアルタイムデータ視覚化による一定遅延活動電位の識別の促進。 これは、高い信号対雑音比の例です。時間ラスタプロットに表示されるデータは、微小神経撮影中に表在腓骨神経から記録されたヒトCファイバーからのものです。電圧トレースは、Open Ephys内のオシロスコープのようなLFPビューアプラグインです。APTrackユーザーインターフェイスは、プラグインのグラフィカルユーザーインターフェイスです。追跡された活動電位は緑色の矢印で示され、時系列ラスタープロットの境界にある円形のスライダーは、アルゴリズムがしきい値を超えるイベントを検索する検索ボックスの位置を制御するためのものです。電気刺激アーチファクトは、電圧トレースに青色でマークされています。アナログ電圧コマンドの刺激振幅は赤で示されています。これは、刺激装置に設定されたスケーリング係数によっては、刺激電流振幅と同じでない場合があることに注意してください。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig04large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig05.jpg"> 図 5: 待機時間追跡アルゴリズムのグラフ表示。 簡単に言えば、活動電位がしきい値の超過によって検出された場合、検索ボックスはピーク電圧の時点でそれ自体を中心にするようにその位置を調整します。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig05large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig06.jpg"> 図6:電気的しきい値追跡アルゴリズムのグラフ表示。 簡単に言えば、活動電位がしきい値の交差によって検出されると、刺激振幅は減少率だけ減少します。活動電位が検出されない場合、刺激振幅は増分率だけ増加します。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig06large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig07.jpg"> 図7:0.25 Hzの刺激周波数での単一ニューロン活動電位の自動電気的閾値追跡 。 (A)微小神経造影実験中の浅腓骨神経のヒトC線維の連続痕跡。(B)皮膚神経調製中の伏在神経のマウスAδ線維の連続痕跡は、線維電気生理学をからかった。活動電位が特定されると、トレースは赤色に着色され、刺激振幅が減少しました。ソフトウェアアルゴリズムは、発火の確率が50%に必要な刺激振幅を効果的に検出します。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig07large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig08.jpg"> 図8:ヒトCファイバー侵害受容器の熱刺激中の0.25Hz刺激周波数での電気的閾値追跡。 y軸は、パラダイムの開始からの刺激数をコード化します。(A)電気刺激後の4,000ミリ秒の電圧トレースで、しきい値を超えたイベントは赤でマークされています。(B)追跡された活動電位の周りにズームインした A からの電圧トレース。追跡された活動電位が検出されたとき、痕跡は赤色に着色された。青い縦線は、追跡対象のユニットのベースライン遅延です。(C)APTrackによって命令される刺激電流。青い縦線はベースラインの電気的しきい値です。(D)受容場TCS-II熱刺激プローブ温度。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig08large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>化合物</td>
			<td>濃度</td>
		</tr><tr><td>ナクル</td>
			<td>107.8 ミリリットル</td>
		</tr><tr><td>NaHCO3</td>
			<td>26.2 ミリリットル</td>
		</tr><tr><td>ティッカー</td>
			<td>3.5ミリリットル</td>
		</tr><tr><td>NaH2PO4</td>
			<td>1.67ミリリットル</td>
		</tr><tr><td>CaCl2</td>
			<td>1.53 ミリリットル</td>
		</tr><tr><td>マグネシウムソ4</td>
			<td>0.69 ミリM</td>
		</tr><tr><td>グルコン酸ナトリウム</td>
			<td>9.64ミリリットル</td>
		</tr><tr><td>蔗糖</td>
			<td>7.6 ミリリットル</td>
		</tr><tr><td>グルコース</td>
			<td>5.55 ミリリットル</td>
		</tr></tbody></table>表1:マウス皮膚神経製剤23用の合成間質液の内容物。

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

APTrackは、Open Ephysプラットフォーム用に開発されたソフトウェアプラグインで、リアルタイムのデータ視覚化とニューロン活動電位の閉ループ電気閾値追跡を可能にします。ヒトC線維侵害受容器やマウスC線維およびAδ線維侵害受容器のマイクロニューログラフィにこれをうまく使用しました。

トランスレーショナルペイン研究のためのオープンソースのリアルタイム閉ループ電気閾値追跡

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

このツールは、侵害受容器感作のさまざまなメカニズムを調査するために使用でき、ある種の慢性疼痛を引き起こす可能性があるのはこの感作です。自動化された電気的閾値追跡は、侵害受容器の興奮性の信頼性の高いオンラインリアルタイム測定を提供します。このように、この測定は重要な並進ブリッジを提供し、人間と動物の両方で測定を行うことができます。同様に、効果的な病理と治療法を評価することができます。将来的には、AP Trackを慢性疼痛患者に使用して、治療薬が感作侵害受容器の興奮性を正常化しているかどうかを確認することができます。これは、有効性の重要なバイオマーカーを表します。私たちのオープンソースツールキットであるAP Trackは、さまざまな大きさのタイムループ刺激を研究する電気生理学者に役立つと期待しています。例えば、オプトジェネティクスの研究にも役立つと考えています。実験とソフトウェアを同時に管理することは最初は難しいので、実験を試みる前に、事前に記録されたデータをAP Trackにロードして、その使用法に慣れることをお勧めします。デモデータを提供しています。まず、製造元が提供するケーブルを使用して集録ボードをコンピュータに接続し、電源を入れます。次に、IOボードをアクイジションボードのアナログインポートに接続し、シリアルペリフェラルインターフェイスケーブルを使用してIntan RHDレコーディングヘッドステージをアクイジションボードに接続します。次に、パルスパルをコンピューターに接続します。BNC Tスプリッターを使用してパルスパル出力チャンネル1の信号を分割し、定電流刺激器入力とIOボードに接続して、アナログ電圧コマンドを記録できるようにします。パルスパル出力チャンネル2をIOボードに接続して、刺激TTLイベントマーカーを記録します。ダイヤル制御の定電流刺激装置で組み立てるには、定電流刺激装置の電源を入れ、メーカー提供のケーブルと磁気マウントを使用してステッピングモーター制御ボードをステッピングモーターに接続します。標準のUSB-A-USB-USBマイクロBケーブルを使用して、コントロールボードをコンピューターに直接接続します。コントロールボードとステッピングモーターをカスタム取り付けブラケットに接続し、定電流刺激装置の刺激振幅ダイヤルをゼロミリアンペアに設定します。次に、カスタムバレルアダプターをステッピングモーターバレルに接続します。バレルアダプターを使用して、ステッピングモーターとカスタムマウント装置を定電流刺激装置の刺激振幅ダイヤルに取り付け、電源を入れます。AP Track GUI を開き、安定した末梢神経電気生理学的記録を確立します。皮膚上の受容野を特定し、そこに刺激電極を配置します。オプションメニューで、トリガーチャンネルを選択し、パルスパル出力チャンネル2から電気刺激TTLマーカーを含むADCチャンネルを選択します。次に、データチャネルを選択し、電気生理学的データを含むチャネルを選択します。[接続]をクリックして、APトラックをパルスパルおよびステッピングモーター装置に接続します。これには少し時間がかかる場合があります。接続されると、ステッピングモーター制御ボードは位置ゼロに設定されます。刺激コントロールパネルで、スライダーを使用して初期最小および最大刺激振幅を定義します。TTLマーカーが生成されるように、電流刺激がゼロより上に設定されていることを確認してください。Fをクリックして刺激指示を含むファイルをロードし、次に右矢印をクリックしてロードされた刺激パラダイムを開始します。時系列ラスタープロットは、電気刺激に対する応答で更新を開始し、新しい刺激応答ごとに右側に新しい列として表示されます。単一ニューロンの活動電位を正常に検出するには、時系列ラスタープロットパネルに移動し、画像の低、検出、および高のしきい値を調整します。適切な画像しきい値を設定すると、アルゴリズムによって検出されたしきい値超過イベントが緑色でエンコードされます。体系的に、神経によって神経支配された皮膚領域の周りで刺激電極を動かします。電極が同じ刺激位置にある間に同じ待ち時間で連続して現れる3つの閾値交差イベントの時系列ラスタープロットを監視します。これは、一定潜時末梢神経細胞活動電位の同定を示す。時系列ラスタープロットで単一ニューロン活動電位を特定したら、プロットの右側にある灰色の線形スライダーを動かして、検索ボックスの位置を調整します。次に、ロータリースライダーで検索ボックスを適切な幅に調整します。検索ボックスの幅を狭くします。ターゲットとする活動電位の追跡を開始するには、マルチユニット追跡テーブルの下にあるプラス記号をクリックします。待ち時間の位置、2〜10の刺激で発火する割合、検出されたピーク振幅など、ターゲット活動電位の詳細を含む新しい行がテーブルに追加されます。レイテンシートラッキングアルゴリズムは、その後の電気刺激ごとに自動的に実行されます。テーブルのトラックスパイクボックスをオンにして、検索ボックスをその特定の活動電位の適切な位置に移動します。末梢ニューロンの伝導速度は、刺激部位と記録部位の間の距離を表に表示された潜時で割ることにより算出する。電気的しきい値トラッキングを実行するには、刺激コントロールパネルの増分率と減分率を目的の速度に調整します。これらの値は同じに保ちます。刺激周波数が適切なレート(通常は0.25〜0.5ヘルツ)に設定されていることを確認してください。刺激振幅をニューロンの電気的閾値にほぼ手動で調整します。次に、マルチユニットトラッキングテーブルのトラックしきい値チェックボックスをオンにして、電気的しきい値トラッキングアルゴリズムを開始します。マルチユニット追跡テーブルで、発火率を監視します。50%の発火率は、おおよその電気的しきい値が決定され、しきい値が更新されることを示します。最後に、受容野に実験的操作を適用し、電気的閾値を追跡し続けます。これにより、末梢ニューロンの興奮性の変化が定量化されます。マイクロニューログラフィ実験中の表在多年生神経のヒトC線維の連続痕跡と、線維電気生理学の皮膚神経調製中の伏在神経のマウスAデルタ線維の連続痕跡をこの図に示します。活動電位が特定されると、トレースは赤色に着色され、刺激振幅が減少しました。ソフトウェアアルゴリズムは、50%の発火確率に必要な刺激振幅を効果的に検出します。ヒトC線維侵害受容器の熱刺激中の0.25ヘルツ刺激周波数での電気的閾値追跡をこの図に示します。y軸は、パラダイムの開始からの刺激数をコード化します。閾値交差イベントによる電気刺激後の4, 000ミリ秒の電圧トレースは赤でマークされています。追跡された活動電位を中心にズームインされた電圧トレースがここに示されています。青い縦線は、追跡対象のユニットのベースライン遅延です。APトラックによって指令される刺激電流をこの図に示します。青い縦線はベースラインの電気的しきい値です。ここでは、受容磁場TCS-II熱刺激プローブの温度を示します。この感熱Cファイバの受容場が熱刺激装置によって暖められると、電気的閾値が低下する。検索ボックスの幅と検出しきい値に適切な値を選択することは、電気的ノイズの影響を低減して AP Track のパフォーマンスを大幅に向上させるため、重要です。侵害受容器の興奮亢進に対する治療薬の影響を定量化することは、慢性疼痛の根底にあるメカニズムをよりよく理解するのに役立つ可能性があります。他の研究者がこの自由に利用できるツールを使用して、侵害受容生物学と侵害受容器感作中に発生した変化をよりよく理解することを願っています。

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

ブレインマシンインタフェースの閉ループ性能を研究する実験プラットフォーム

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

神経科学の研究とリアルタイム機能皮質マッピングのためのヒトElectrocorticographic（ECOG）信号を記録

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

オープンソースロボット定位固定装置を構築する

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

リアルタイム電気生理学：プローブ神経ダイナミクスとその先にクローズド·ループ·プロトコルの使用

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

閉ループ神経のロボット実験は、神経回路網の計算特性を試験すること

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

管理のリアルタイム fMRI ニューロフィード バック トレーニングのプロトコル

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

幻肢痛に対する鏡治療に関連付けられている関連する神経基盤の特性のため、MRI でリアルタイム映像投影

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

ニューロンスパイク活性を利用して神経生理学実験における閉ループ刺激を引き起こす

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

動物におけるリアルタイムfMRI脳マッピング

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

単独操作のための従来型および閾値追跡経頭蓋磁気刺激試験

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