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

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.), 그리고 Eli Lilly (G.W.T.N.)와 생명 공학 및 생물 과학 연구위원회 협력 교육 파트너십 박사 과정 학생. APTrack의 개발에 기여한 모든 분들께 감사의 말씀을 전합니다. 또한 미세 신경학 실험에 참여한 자원 봉사자들과 귀중한 공헌에 대해 환자 및 대중 참여 및 참여 협력자들에게 감사드립니다.

<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>

GWTN은 브리스톨 대학교와 Eli Lilly and Company (BB / T508342 / 1)의 BBSRC 협력 교육 파트너십 박사 과정 학생입니다. A.P.N.은 Eli Lilly and Company의 현재 직원이며 이 회사의 주식을 소유할 수 있습니다.

APTrack은 Open Ephys 플랫폼과 함께 사용하기 위한 소프트웨어 플러그인입니다. 우리는 이 플랫폼을 오픈 소스이고 유연하며 구현 비용이 저렴하기 때문에 선택했습니다. 정전류 자극기의 비용을 포함하지 않고 플러그인 사용을 시작하는 데 필요한 모든 장비는 작성 당시 약 $5,000 USD에 구입할 수 있습니다. 이를 통해 연구자들이 말초 신경 전기생리학 연구에서 APTrack을 보다 쉽게 구현할 수 있기를 바랍니다. 또한 연구원은 실험 요구 사항에 맞게 소프트웨어를 자유롭게 수정할 수 있습니다. 중요한 것은 이 도구를 통해 처음으로 인간에서 단일 C-섬유 통각 수용체의 전기적 임계값 추적이 가능해졌다는 것입니다.
신호 대 잡음비가 높을수록 알고리즘이 활동 전위를 더 잘 식별할 수 있습니다. 미세 신경조영술 중 신호 대 잡음비는 대부분의 기록에서 충분했지만 사용자는 시간이 지남에 따라 신호 저하 위험에 주의해야 합니다. 이는 추적된 활동 전위의 진폭이 검출 임계값 아래로 떨어지면 자극 진폭이 실수로 증가하기 때문에 더 긴 실험 프로토콜에 특히 중요합니다. 실험자가 플러그인을 모니터링한 다음 필요한 경우 설정을 조정하여 이 문제를 완화할 수 있습니다. 신호 대 잡음비는 대역 통과 필터링을 통해 개선되지만 더 큰 과도 현상은 검색 상자 시간 창 동안 도착하는 경우 여전히 활동 전위로 잘못 식별 될 수 있습니다. 과도 노이즈를 활동 전위로 잘못 식별할 위험은 플러그인이 활동 전위를 검색하는 시간 창을 좁히고 임계값 설정을 최적화하여 줄일 수 있습니다. 그러나 플러그인의 성능을 저해하는 상황이 여전히 발생할 수 있습니다. 자발적인 활동은 더 큰 진폭의 활동 전위가 알고리즘의 검색 상자 창에 속하는 경우 목표 활동 전위로 잘못 식별되기 때문에 어려움을 겪을 수 있습니다. 또한 관심 뉴런의 자발적인 활동은 전기 자극이 불응 기간 동안 떨어져 활동 전위를 생성하지 못한다는 것을 의미할 수 있습니다. 소프트웨어를 사용하는 어려움은 일차 구심성 뉴런이 플립플롭(flip-flop)을 나타낼 때에도 발생할 수 있으며, 이에 따라 단일 뉴런의 대체 말단 가지가 자극되어 유발된 활동 전위가 상호 배타적인2개(또는 그 이상)의 기준선 대기 시간을 갖도록 합니다. 높은 신호 대 잡음비로 플립 플롭을 나타내는 뉴런에서 기록하는 동안 뉴런이 나타내는 모든 잠재적 전도 속도를 캡슐화하기 위해 검색 상자 너비를 늘려 대기 시간 및 전기적 임계 값 추적을 성공적으로 수행했습니다. 그러나 전기적 임계값은 여기되는 뉴런의 말단 가지에 따라 달라질 수 있으며, 이는 부분적으로 전기 자극 부위에서 대체 통각 수용체 말단까지의 거리 차이로 인한 것일 수 있습니다. 예를 들어, 템플릿 매칭을 포함하는 행동 전위 식별 프로세스에 대한 추가 작업이 가능하며 이 소프트웨어에 통합될 수 있습니다. 대역 정지 또는 적응형 노이즈 필터링을 위한 GUI 플러그인은 개발될 경우 신호 체인에서 APTrack의 업스트림으로 사용될 수도 있습니다.
우리는 결정된 전기 임계값을 사용자가 정의한 전기 자극 수(일반적으로 2-10)에 대해 시간의 50%를 통해 활동 전위를 유도하는 데 필요한 전류로 간주합니다. 전기 자극의 형태는 0.5ms이고 양의 구형파 펄스입니다. 이것은 신경 흥분성의 일반적으로 사용되는 척도인 레오베이스를 결정하는 것과 동일하지 않습니다. 플러그인은 레오베이스를 결정하도록 조정할 수 있습니다. 그러나 가열 중에 발생하는 것으로 가정된 것과 같은 흥분성의 동적 변화는 전기적 임계값 추정치보다 가변 염기 변화로 정량화하기가 더 어려웠을 것이기 때문에 더 간단한 측정을 추구했습니다.
이 소프트웨어는 인간과 설치류 실험 모두에 사용할 수 있습니다. 이는 전기 자극 시스템에 대한 유연한 지원으로 가능합니다. 이 소프트웨어는 아날로그 명령 전압을 수용하거나 스테퍼 모터와 수동으로 인터페이스할 수 있는 모든 자극기와 함께 작동합니다. 미세 신경조영술의 경우 인간 연구에 사용하도록 설계되고 다이얼로 자극을 제어하는 CE 마크 정전류 자극기와 함께 사용했습니다. 아날로그 볼륨을 받아들이는 자극기tage 명령은 자극 사이의 회로를 분리하지 않기 때문에 잡음이 있을 수 있으며, 이는 아날로그 입력의 50/60Hz 윙윙거리는 소리 또는 노이즈가 녹음으로 전송됨을 의미합니다. 회로를 연결하기 위해 추가 TLL 트리거 신호가 필요한 자극기는 아날로그 전압 입력과 유사한 전류에서 자극을 생성할 수 있으므로 플러그인과 함께 사용하기에 이상적입니다. 이렇게 하면 자극 사이에 소음이 녹음으로 전달되는 것을 방지할 수 있습니다.
이 소프트웨어는 간단한 업-다운 방법을 사용하여 전기 임계값을 추정합니다. 이것은 수십 년 동안 정신 물리학 시험에 사용되어 왔습니다25. 업다운 방법에 따라 자극 진폭을 조절하기 위한 전기적 임계값 추적 알고리즘은 다음 자극의 진폭을 계산할 때 이전 자극의 진폭과 반응만 고려합니다. 즉, 자극 진폭이 실제 전기 임계값 주위에서 진동하므로 임계값이 안정적이라고 가정할 때 50%의 발사 속도를 생성합니다. 증가 또는 감소의 최소 크기는 0.01V입니다. 이는 자극기가 1V:1mA 입력-출력 비율과 이 작은 스텝 변화를 달성하기에 충분한 분해능을 갖는다고 가정할 때 0.01mA에 해당합니다. 플러그인은 사용자가 정의한 이전 자극 수(50-2)에 대해 10% 발사 속도에 도달할 때마다 목표 활동 전위의 전기적 임계값에 대한 실시간 추정치를 업데이트합니다. 사후, 전기적 임계값을 추정하기 위해 마지막 2-10 자극에 대한 자극 진폭의 롤링 평균을 사용하는 것이 좋으며, 이 추정치는 발사 속도가 50%로 비교적 안정적인 경우에만 정확하다는 점에 유의해야 합니다. 전기 임계값의 실시간 및 사후 추정치에는 분해능, 신뢰성 및 고려해야 할 시간의 균형이 있습니다. 더 작은 증가 및 감소 단계를 사용하면 전기 임계값 추정치의 정확도가 증가하지만 섭동 후 초기 및 이후에 새 전기 임계값을 찾는 데 걸리는 시간이 늘어납니다. 더 많은 수의 이전 자극에 대해 전기 임계값을 계산하면 더 나은 신뢰성을 제공하지만 정확한 추정치에 도달하는 데 필요한 시간이 늘어납니다.
APTrack은 말초 신경 기록에 사용하도록 설계되었으며, 특히 활동 전위 잠복기가 기본 신경 활동에 따라 달라질 수 있는 기간 동안 실험 및 병리학적 섭동 동안 C-섬유의 전기적 임계값을 추적하기 위해 설계되었습니다. 이 방법을 사용하면 축삭 흥분성뿐만 아니라 건강한 지원자와 환자의 통각 수용체 생성 가능성을 검사할 수 있습니다. 우리는 전기 생리학의 다른 분야가 자극 고정 활동의 전기적 임계값 추적이 필요한 모든 실험에 사용하기 위해 이 도구를 채택하고 조정할 수 있을 것으로 예상합니다. 예를 들어, 이것은 APTrack에서 구동되는 광 펄스를 사용한 광유전학적 자극에 쉽게 적응할 수 있습니다. 플러그인은 오픈 소스이며 GPLv3 라이선스에 따라 연구원이 사용할 수 있습니다. 적응 가능하고 저렴한 오픈 소스 데이터 수집 시스템인 Open Ephys 플랫폼을 기반으로 합니다. 플러그인은 다운스트림 플러그인에 대한 추가 후크를 제공하여 작업 잠재적 정보를 추출하고 추가 사용자 인터페이스 또는 적응형 패러다임을 제공합니다. 플러그인은 실시간으로 활동 전위의 시각화 및 대기 시간 추적을 위한 간단한 사용자 인터페이스를 제공합니다. 또한 이전 데이터를 재생하고 시간 래스터 플롯을 사용하여 시각화할 수 있습니다. 또한 이전 데이터를 재생하는 동안 대기 시간 추적을 수행할 수도 있습니다. 실시간 레이턴시 트래킹을 위해 이용 가능한 다른 소프트웨어 패키지들이 있지만, 이들은 오픈 소스가 아니며, 전기적 임계 값 트래킹(26,27)을 수행할 수 없다. APTrack은 데이터 시각화를 위해 시간적 래스터 플롯을 사용하기 때문에 전압 트레이스로부터 일정한 대기 시간 활동 전위를 식별하는 전통적인 방법에 비해 이점이 있습니다. 또한, 신호 대 잡음비가 낮은 실험에서 이를 사용한 경험에 따르면 시간적 래스터 플롯 시각화 방법을 사용하면 놓쳤을 수 있는 일정한 대기 시간 활동 전위를 식별할 수 있습니다.
전신경 역치 추적(whole-nerve threshold tracking)은 축삭 흥분성을 평가하기 위해 널리 사용되는 방법이다13. 설치류 C-섬유에서 단일 뉴런 전기적 역치 추적은 통각수용체 흥분성을 정량화하기 위해 이전에 사용되어 왔으며14, 인간에서의 유용성은 인정되고 있다10,11; 그러나 지금까지는 불가능했습니다. 우리는 설치류 및 인간 말초 신경 전기생리학적 연구 모두에서 단일 통각 수용체 흥분성을 직접 측정할 수 있는 새로운 오픈 소스 도구를 제공합니다. APTrack은 최초로 인간의 단일 뉴런 활동 전위에 대한 실시간 오픈 소스 전기적 임계값 추적을 가능하게 합니다. 우리는 그것이 설치류와 인간 사이의 통각 수용체에 대한 번역 연구를 촉진 할 것으로 기대합니다.

통각수용기는 말초 신경계의 일차 구심성 뉴런으로, 명백하거나 잠재적으로 조직을 손상시키는 사건에 의해 활성화되며 급성 통증에서 중요한 보호 역할을 합니다1. 동물 모델, 건강한 인간 지원자 및 환자에서 C-섬유 및 Aδ-섬유 통각 수용체의 전기생리학적 기록은 다양한 범위의 통증 상태에서 감작 및 비정상적인 자발적 활동을 밝혀냈습니다 2,3,4,5,6,7. 환자의 통각 수용체 흥분성의 이러한 변화의 기초가 되는 메커니즘을 이해하면 표적 치료 개입이 가능할 수 있습니다8. 그러나,특히 환자에서 통각수용체 흥분성을 직접 평가할 수 있는 도구는 거의 없지만9, 이러한 도구의 유용성에 대한 잠재력은 잘 알려져 있다10,11.
전신경 전기적 역치 추적은 인간의 축삭 흥분성을 검사하는 데 사용할 수 있다12. 그러나, 크고 수초화된 말초 뉴런이 감각 화합물 활동 전위의 진폭에 불균형적으로 기여하기 때문에, 전신경 전기적 역치 추적은 C-섬유 기능의 평가를 허용하지 않는다11,13. 실제로, 이전 연구에서, 당뇨병성 신경병증과 화학요법 유발 다발신경병증이 있는 만성 신경병성 통증 코호트에서 전신경 전기적 역치 추적은 축삭 흥분성에 차이가 없는 것으로 나타났다11.
이전 연구에서, 단일 뉴런 수준에서의 전기적 역치 추적은 생체 외 쥐 피부 신경 제제14에서 티징된 섬유 기록 동안 C-섬유 통각 수용체의 흥분성을 조사하는 데 사용되었습니다. 저자들은 증가된 칼륨 농도, 산성 조건 및 브래디키닌이 모두 활동 전위 생성에 대한 감소된 전기적 임계값에 의해 반영된 바와 같이 C-섬유 통각 수용체 흥분성을 증가시킨다는 것을 입증했습니다. 또한, 열에 민감한 통각 수용체의 수용 영역을 가열하면 전기 임계 값이 감소한 반면, 열에 민감하지 않은 통각 수용체는 전기 임계 값이 증가한 것으로 나타났습니다14. 이것은 단일 뉴런 전기적 임계 값 추적이 가능하고 유용 할 수 있다는 중요한 증거를 제공하지만, 현재 특히 인간 연구에서 이러한 조사를 가능하게하는 소프트웨어 및 / 또는 하드웨어 솔루션은 없습니다.
인간의 경우, 미세신경조영술(microneurography)은 C-섬유의 전기생리학적 특성을 직접 평가할 수 있는 유일한 방법이다15. 이 접근법은 만성 통증환자에서 통각 수용체 기능 장애를 입증하는 데 사용되었습니다 2,3,4,5,6,7. 미세 신경조영술은 단일 뉴런 활동 전위를 감지할 수 있습니다. 그러나, 신호 대 잡음비가 낮기 때문에, 연구자들은 C-섬유 활성을 특성화하기 위해 마킹 기법을 사용한다16. 마킹 기술에서, 역치 상 전기 자극은 피부의 C- 섬유 수용 영역에 적용됩니다. 이 전기 자극은 C 섬유의 전도 속도에 의해 결정되는 일정한 대기 시간에 발생하는 활동 전위를 생성합니다. C-섬유는 활동 의존적 감속을 나타내는데, 이에 따라 전도 속도가 감소하고, 따라서 활동 전위 방전 기간 동안 전도 잠복기가 증가한다17. 기저 조건에서 C-섬유는 일반적으로 유해한 자극이 없을 때 활동 전위를 생성하지 않으므로 저주파 전기 자극에 대한 전도 대기 시간은 일정합니다. 발화를 유발하는 기계적, 열적 또는 약리학적 자극은 활동 의존적 감속을 유도하여 수반되는 저주파 전기 자극에 의해 유발되는 활동 전위의 잠복기를 증가시킵니다. 이를 통해 낮은 신호 대 잡음비의 맥락에서 적용된 비전기적 자극에 대한 반응을 객관적으로 식별할 수 있습니다. 그러므로, 활성-의존적 감속은 C-섬유(16)를 기능적으로 특성화하기 위해 사용될 수 있다. 실제로, C-섬유의 상이한 기능적 부류는 자극 주파수를 변화시키는 것을 포함하는 전기 자극 패러다임에서 활동 의존적 감속의 독특한 패턴을 나타낸다18,19. C-섬유 활동 전위의 이러한 대기 시간의 가변성은 이를 모니터링하도록 설계된 알고리즘에 대한 도전 과제를 제시합니다.
통각 수용체의 지속적인 활동은 저주파 전기 자극 동안 대기 시간의 변동성을 증가시키며, 이는 다시 활동 의존적 속도 저하로 인한 것입니다. 이 증가된 변동성 또는 지터는 흥분성의 정량화 가능한 대리 척도입니다2. 활동 전위 잠복기의 가변성의 또 다른 원인으로는 플립플롭(flip-flop)이 있는데, 여기서 단일 뉴런의 대체 말단 가지가 자극되어 유발된 활동 전위가 상호 배타적인 2개(또는 그 이상)의 기준선 대기 시간을 갖도록 합니다(20). 마지막으로, 말초 뉴런의 말단 가지의 온도 변화는 열역학적 방식으로 활동 전위 잠복기 변화를 일으키며, 온난화는 전도 속도를 증가시키고 냉각은 전도 속도를 늦춘다(19). 따라서 통각 수용성 C-섬유의 폐쇄 루프 전기 임계값 추적을 수행하려는 모든 소프트웨어는 전기적으로 유발된 활동 전위의 대기 시간 변화를 허용해야 합니다.
C-fiber nociceptor의 종간 전기 임계값 추적이라는 목표를 달성하기 위해 Open Ephys 플랫폼21용 오픈 소스 소프트웨어 플러그인인 APTrack을 개발하여 실시간, 폐쇄 루프, 전기 임계값 추적 및 대기 시간 추적을 가능하게 했습니다. 우리는 인간 미세 신경조영술 동안 C-섬유 통각 수용체 전기 역치 추적이 가능하다는 것을 입증하는 개념 증명 데이터를 제공합니다. 또한, 우리는 이 도구가 설치류의 생체 외 티즈드 섬유 전기생리학에 사용될 수 있음을 보여주며, 따라서 인간과 설치류 간의 번역 연구를 가능하게 합니다. 여기에서는 연구자가 통각 수용체 기능 및 흥분성에 대한 연구를 돕기 위해 이 도구를 구현하고 사용하는 방법을 자세히 설명합니다.

<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

통각 수용체는 잠재적으로 유해한 유해 자극을 알리는 일차 구심성 뉴런의 한 종류입니다. 통각 수용체 흥분성의 증가는 급성 및 만성 통증 상태에서 발생합니다. 이것은 비정상적인 지속적인 활동을 생성하거나 유해한 자극에 대한 활성화 역치를 감소시킵니다. 이러한 증가된 흥분성의 원인을 식별하는 것은 메커니즘 기반 치료법의 개발 및 검증에 필요합니다. 단일 뉴런 전기 역치 추적은 통각 수용체 흥분성을 정량화할 수 있습니다. 따라서 우리는 이러한 측정을 허용하고 인간과 설치류에서의 사용을 입증하는 응용 프로그램을 개발했습니다. APTrack은 시간적 래스터 플롯을 사용하여 실시간 데이터 시각화 및 활동 전위 식별을 제공합니다. 알고리즘은 임계값 교차를 통해 활동 전위를 감지하고 전기 자극 후 대기 시간을 모니터링합니다. 그런 다음 플러그인은 통각 수용체의 전기 임계값을 추정하기 위해 업다운 방법을 사용하여 전기 자극 진폭을 변조합니다. 이 소프트웨어는 Open Ephys 시스템(V0.54)을 기반으로 구축되었으며 JUCE 프레임워크를 사용하여 C++로 코딩되었습니다. Windows, Linux 및 Mac 운영 체제에서 실행됩니다. 오픈 소스 코드를 사용할 수 있습니다(<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>). 전기생리학적 기록은 복재 신경에서 티즈드 파이버 방법을 사용하는 마우스 피부-신경 제제와 표재성 비골 신경에서 미세신경조영술을 사용하는 건강한 인간 지원자 모두의 통각 수용체에서 가져왔습니다. 통각 수용체는 열 및 기계적 자극에 대한 반응과 전도 속도의 활동 의존적 둔화를 모니터링하여 분류되었습니다. 이 소프트웨어는 시간적 래스터 플롯을 통해 활동 전위 식별을 단순화하여 실험을 용이하게 했습니다. 우리는 생체 내 인간 미세 신경조영술 동안, 처음으로, 그리고 C-섬유 및 Aδ-섬유의 생체 외 마우스 전기생리학적 기록 동안 단일 뉴런 활동 전위의 실시간 폐쇄 루프 전기 임계값 추적을 보여줍니다. 우리는 인간의 열에 민감한 C-섬유 통각수용기의 전기적 임계값이 수용장을 가열함으로써 감소한다는 것을 보여줌으로써 원리 증명을 확립합니다. 이 플러그인은 단일 뉴런 활동 전위의 전기적 임계값 추적을 가능하게 하고 통각 수용체 흥분성의 변화를 정량화할 수 있습니다.

실험을 제어하기 위해 작동하는 소프트웨어의 대표적인 예가 그림 7에 나와 있습니다. 업-다운 방법을 사용하여 자극 진폭을 반복적으로 조정하여 단일 통각 수용체의 전기적 임계값을 효과적으로 찾습니다. 처음으로, 우리는 미세 신경조영술 동안 인간의 실시간 단일 뉴런 전기 역치 추적의 타당성을 입증합니다(그림 7A). 또한 마우스 Aδ-파이버에서 전기적 임계값 추적을 보여줍니다(그림 7B). 여기에 사용된 임계값 교차에 의한 활동 전위 식별은 시간 경과에 따른 전기적 임계값을 추적하기에 충분합니다. 사용자는 패러데이 케이지 및 대역 통과 필터를 사용하여 신호 대 잡음비를 개선하는 등 녹음 중에 전기적 잡음을 최소화하기 위한 조치를 취하는 것이 좋습니다.
전기 임계값 추적이 인간의 통각 수용체 흥분성 변화의 척도로 사용될 수 있음을 입증하기 위해 단계적 가열 패러다임 동안 전기 임계값 추적이 수행되었습니다(그림 8). 통각 수용체 단자의 온도를 높이면 통각 수용체 흥분성의 증가를 반영하여 활동 전위를 유도하는 데 필요한 전기 자극 전류가 감소했습니다(그림 8C). 이것은 C-섬유 통각수용기(14)에서 발현된 열에 민감한 이온 채널에 의한 수용체 전위의 생성에 의해 발생했을 가능성이 있습니다. 최고 온도 단계인 44°C에서 열적으로 유발된 활동 전위가 유도되었습니다(그림 8A, 자극 번호 86-96). 이로 인해 통각 수용체가 고주파 방전 후 내화 상태가 될 수 있으므로 전기 임계값이 증가합니다. 예상대로, 추적 된 활동 전위의 대기 시간은 온도가 증가함에 따라 감소했습니다. 이것은 C-섬유의 전도 속도를 증가시키는 전도 기계에 대한 열역학적 효과로 인해 발생하는 것으로 생각됩니다. 이 C-파이버는 또한 플립플롭(그림 8B, 자극 번호 47-54)을 나타낼 수 있으며, 이로 인해 활동 전위가 알고리즘 검색 창을 벗어나면 다음과 같은 전기 자극의 진폭이 잘못 증가할 수 있습니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig01.jpg"> 그림 1: 설치류와 인간에서 APTrack을 사용한 통각 수용체 전기 임계값 추적에 필요한 장비 설정 및 케이블 연결의 개략도. 자극 진폭 제어의 두 가지 다른 방법, 즉 인간 설정에서 수동으로 조정된 자극기를 위한 스테퍼 모터와 설치류 설정에서 입력 전압 제어 자극기를 위한 PulsePal에 주목하십시오. (1) Open Ephys 플랫폼용 플러그인을 실행하는 PC(Windows, Mac 또는 Linux). (2) DS7의 자극 진폭 다이얼을 작동시키는 스테퍼 모터. (3) 인간에게 사용하도록 승인된 정전류 자극기; 여기서는 DS7을 사용했습니다. (4) USB 3.0 광절연기, 인간 참가자를 PC에서 격리합니다(선택 사항, 인간 연구에만 필요). (5) PulsePal V2 펄스 발생기는 TTL 타임 스탬프(출력 채널 2)와 요청된 자극 진폭에 해당하는 전압 스텝(출력 채널 1)을 생성합니다. (6) 동물에 사용하기 위한 정전류 자극기; 여기서는 DS4를 사용했습니다. (7) 시스템용 DC 전원 공급 장치(설치류 설정에 사용되는 주 DC 전원 공급 장치 및 사람 설정에 사용되는 배터리 DC 전원 공급 장치). (8) 인수 위원회. (9) 열전대 출력 및 TTL 마커와 같이 기록할 신호를 전달하는 BNC 동축 케이블을 연결하는 I/O 보드. (10) 통각수용기 전기생리학적 기록을 받는 마우스 피부-신경 제제. (11) 표재성 비골 신경의 C-섬유에서 미세신경조영술 기록을 받는 인간 참가자. (12) 녹음 수집 및 디지털화를 위한 Intan RHD2216 헤드스테이지. (13) 녹음 전극이 연결되어 있고 신호가 RHD2216 헤드스테이지로 전달될 수 있도록 하는 Intan 전극 어댑터 보드. (14) BNC 동축 연결을 통해 온도를 출력할 수 있는 열 자극 시스템. (15) 기계적 자극 이벤트 및 약물 적용을 표시하는 데 사용되는 3.3V 배터리 구동 버튼/풋 페달. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig02.jpg"> 그림 2: 템플릿 신호 체인. 빨간색 화살표는 I/O 보드에서 ADC 입력을 활성화하기 위한 버튼을 가리킵니다. 노란색 화살표는 Open Ephys 파일 형식을 선택하기 위한 드롭다운 메뉴를 나타냅니다. 녹색 화살표는 재생 및 녹음 버튼을 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig02large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig03.jpg"> 그림 3: 그래픽 사용자 인터페이스 GUI는 네 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. (1) 데이터 시각화를 위한 Temporal Raster Plot 패널(녹색) 및 플롯 제어와 관련된 설정. 점진적인 활동 의존적 속도 저하를 보여주는 일정한 대기 시간 응답은 녹색 화살표로 표시됩니다. (2) 자극 진폭 파라미터를 설정하고 자극 패러다임 스크립트를 로드하기 위한 자극 제어판(노란색). (3) 대기 시간 및 전기적 임계값 추적을 추적하고 활성화하기 위한 활동 전위를 추가하기 위한 다중 장치 추적 테이블(파란색). (4) 데이터 및 TTL 트리거에 대한 색상 스타일과 입력 채널을 선택할 수 있는 옵션 메뉴입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig03large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig04.jpg"> 그림 4: APTrack을 사용하여 시간적 래스터 플롯에서 실시간 데이터 시각화를 통해 일정한 대기 시간 활동 전위 식별을 용이하게 합니다. 이것은 높은 신호 대 잡음비의 예입니다. 측두엽 래스터 플롯에 제시된 데이터는 미세신경조영술 동안 표재성 비골 신경에서 기록된 인간 C-섬유에서 가져온 것입니다. Voltage Trace는 Open Ephys의 오실로스코프와 유사한 LFP 뷰어 플러그인입니다. APTrack 사용자 인터페이스는 플러그인의 그래픽 사용자 인터페이스입니다. 추적된 활동 전위는 녹색 화살표로 표시되며, 시간 래스터 플롯의 경계에 있는 원형 슬라이더는 알고리즘이 임계값 교차 이벤트를 검색할 검색 상자 위치를 제어하기 위한 것입니다. 전기 자극 아티팩트는 전압 트레이스에 파란색으로 표시됩니다. 아날로그 전압 명령의 자극 진폭은 빨간색으로 표시됩니다. 이것은 자극기에 설정된 스케일링 팩터에 따라 자극 전류 진폭과 동일하지 않을 수 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig04large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig05.jpg"> 그림 5: 지연 시간 추적 알고리즘의 그래픽 표현. 간단히 말해서, 임계 값 교차에 의해 활동 전위가 감지되면 검색 상자는 피크 전압 시간에 중심에 위치하도록 위치를 조정합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig05large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig06.jpg"> 그림 6: 전기 임계값 추적 알고리즘의 그래픽 표현. 간단히 말해서, 임계 값 교차에 의해 활동 전위가 감지되면 자극 진폭은 감소율만큼 감소합니다. 활동 전위가 감지되지 않으면 자극 진폭이 증가율만큼 증가합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig06large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig07.jpg"> 그림 7: 0.25Hz 자극 주파수에서 단일 뉴런 활동 전위의 자동화된 전기적 임계값 추적 . (A) 미세 신경조영술 실험 중 표재성 비골 신경의 인간 C-섬유의 순차적 흔적. (B) 피부-신경 준비 중 복재 신경의 마우스 Aδ-섬유의 순차적 흔적은 섬유 전기생리학을 괴롭혔습니다. 활동 전위가 확인되었을 때 흔적은 빨간색으로 표시되어 자극 진폭이 감소했습니다. 소프트웨어 알고리즘은 50%의 발사 가능성에 필요한 자극 진폭을 효과적으로 찾습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig07large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig08.jpg"> 그림 8: 인간 C-섬유 통각 수용체의 열 자극 동안 0.25Hz 자극 주파수에서 전기적 임계값 추적. y축은 패러다임의 시작부터 자극 수를 인코딩합니다. (A) 전기 자극 후 4,000ms 동안의 전압 추적, 임계값 초과 이벤트는 빨간색으로 표시됨. (B) A 의 전압 추적은 추적된 활동 전위 주위를 확대합니다. 추적된 활동 전위가 감지되었을 때 흔적은 빨간색으로 표시되었습니다. 파란색 세로선은 추적된 단위의 기준 지연 시간입니다. (C) APTrack이 명령하는 자극 전류. 파란색 세로선은 기준 전기 임계값입니다. (D) 수용장 TCS-II 열 자극 프로브 온도. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig08large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>화합물</td>
			<td>농도</td>
		</tr><tr><td>염화나트륨(NaCl)</td>
			<td>107.8 밀리엠</td>
		</tr><tr><td>나코3</td>
			<td>26.2 밀리엠</td>
		</tr><tr><td>케이씨엘</td>
			<td>3.5 밀리엠</td>
		</tr><tr><td>NaH2포4</td>
			<td>1.67 밀리엠</td>
		</tr><tr><td>CaCl2</td>
			<td>1.53 밀리엠</td>
		</tr><tr><td>마그네슘4</td>
			<td>0.69 밀리엠</td>
		</tr><tr><td>글루콘산나트륨</td>
			<td>9.64 밀리엠</td>
		</tr><tr><td>자당</td>
			<td>7.6 밀리엠</td>
		</tr><tr><td>포도당</td>
			<td>5.55 밀리엠</td>
		</tr></tbody></table>표 1: 마우스 피부신경 제제를 위한 합성 간질액의 함량23.

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

APTrack은 Open Ephys 플랫폼용으로 개발된 소프트웨어 플러그인으로, 실시간 데이터 시각화 및 뉴런 활동 전위의 폐쇄 루프 전기 임계값 추적을 가능하게 합니다. 우리는 이것을 인간 C-섬유 통각수용체와 마우스 C-섬유 및 Aδ-섬유 통각수용체에 대한 미세신경조영술에서 성공적으로 사용했습니다.

중개 통증 연구를 위한 오픈 소스 실시간 폐쇄 루프 전기 임계값 추적

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

이 도구는 통각 수용체 감작의 다양한 메커니즘을 조사하는 데 사용할 수 있으며 일부 형태의 만성 통증을 유발할 수 있는 것은 바로 이 감작입니다. 자동화된 전기 임계값 추적은 통각 수용체 흥분성에 대한 신뢰할 수 있는 온라인 실시간 측정을 제공합니다. 따라서 이 측정은 인간과 동물 모두에서 측정할 수 있는 중요한 병진 다리를 제공합니다.같은 방식으로 효과적인 병리학 및 치료법을 평가할 수 있습니다. 앞으로 AP Track은 만성 통증 환자에게 치료제가 감작된 통각 수용체의 흥분성을 정상화하는지 확인하는 데 사용될 수 있습니다. 이것은 효능의 중요한 바이오마커를 나타냅니다.우리는 오픈 소스 툴킷인 AP Track이 다양한 크기의 타임 루프 자극을 연구하는 전기생리학자에게 유용할 것으로 기대합니다. 예를 들어, 우리는 광유전학을 연구하는 데에도 유용할 것이라고 생각합니다. 실험과 소프트웨어를 동시에 관리하는 것은 처음에는 어려운 일이므로 사용자가 실험을 시도하기 전에 미리 기록된 데이터를 AP Track에 로드하여 사용법에 익숙해지는 것이 좋습니다.데모 데이터를 제공했습니다. 시작하려면 제조업체에서 제공한 케이블을 사용하여 수집 보드를 컴퓨터에 연결하고 전원을 켭니다. 그런 다음 IO 보드를 수집 보드의 아날로그 가져오기에 연결하고 직렬 주변 장치 인터페이스 케이블을 사용하여 Intan RHD 레코딩 헤드스테이지를 수집 보드에 연결합니다.다음으로, Pulse Pal을 컴퓨터에 연결합니다. BNC T 스플리터를 사용하여 Pulse Pal 출력 채널의 신호를 분할한 다음 정전류 자극기 입력과 IO 보드에 연결하여 아날로그 전압 명령을 기록할 수 있습니다. Pulse Pal 출력 채널 2를 IO 보드에 연결하여 자극 TTL 이벤트 마커를 기록합니다.다이얼 제어 정전류 자극기로 조립하려면 정전류 자극기의 전원을 켜고 제조업체에서 제공한 케이블과 마그네틱 마운트를 사용하여 스테퍼 모터 제어 보드를 스테퍼 모터에 연결합니다. 표준 USB-A-USB 마이크로 B 케이블을 사용하여 제어 보드를 컴퓨터에 직접 연결합니다. 제어 보드와 스테퍼 모터를 맞춤형 장착 브래킷에 연결하고 정전류 자극기의 자극 진폭 다이얼을 0밀리암페어로 설정합니다.그런 다음 맞춤형 배럴 어댑터를 스테퍼 모터 배럴에 연결합니다. 스테퍼 모터와 맞춤형 장착 장치를 배럴 어댑터를 사용하여 정전류 자극기의 자극 진폭 다이얼에 부착하고 전원을 켭니다. AP Track GUI를 열고 안정적인 말초 신경 전기생리학적 기록을 설정합니다.피부의 수용 영역을 식별하고 거기에 자극 전극을 배치합니다. 옵션 메뉴에서, 트리거 채널을 선택하고 Pulse Pal 출력 채널 2에서 전기 자극 TTL 마커가 포함된 ADC 채널을 선택합니다. 그런 다음 데이터 채널을 선택하고 전기생리학적 데이터가 포함된 채널을 선택합니다.Connect(연결)를 클릭하여 AP Track을 Pulse Pal 및 스테퍼 모터 장치에 연결합니다. 이 작업은 잠시 시간이 걸릴 수 있습니다. 연결되면 스테퍼 모터 제어 보드가 위치 0으로 설정됩니다.자극 제어판에서 슬라이더를 사용하여 초기 최소 및 최대 자극 진폭을 정의합니다. TTL 마커가 생성되도록 전류 자극이 0보다 높게 설정되어 있는지 확인합니다. F를 클릭하여 자극 지침이 포함된 파일을 로드한 다음 오른쪽 화살표를 클릭하여 로드된 자극 패러다임을 시작합니다.시간 래스터 플롯은 전기 자극에 대한 반응으로 업데이트되기 시작하며, 각각의 새로운 자극 반응은 오른쪽에 새 열로 표시됩니다. 단일 뉴런 활동 전위를 성공적으로 검출하려면 시간 래스터 플롯 패널로 이동하여 낮은 이미지 임계값, 검출 임계값 및 높은 이미지 임계값을 조정하십시오. 적절한 이미지 임계값이 설정되면 알고리즘에 의해 감지된 임계값 교차 이벤트가 녹색으로 인코딩됩니다.체계적으로 자극 전극을 신경에 의해 신경이 분포된 피부 부위 주위로 움직입니다. 전극이 동일한 자극 위치에 있는 동안 동일한 대기 시간에 연속으로 나타나는 세 개의 임계값 교차 이벤트에 대한 시간 래스터 플롯을 모니터링합니다. 이는 일정한 잠복 말초 뉴런 활동 전위의 식별을 나타낸다.시간 래스터 그림에서 단일 뉴런 활동 전위를 식별한 후 그림의 오른쪽에 있는 회색 선형 슬라이더를 이동하여 검색 상자의 위치를 조정합니다. 그런 다음 회전 슬라이더가 있는 검색 상자를 적절한 너비로 조정합니다. 검색 상자 너비를 좁게 만듭니다.목표 활동 전위 추적을 시작하려면 다중 단위 추적 테이블 아래에 있는 더하기 기호를 클릭하십시오. 대기 시간 위치, 2-10개의 자극에 대한 발사 비율 및 감지된 최대 진폭을 포함하여 목표 활동 전위에 대한 세부 정보가 포함된 테이블에 새 행이 추가됩니다. 대기 시간 추적 알고리즘은 이후의 모든 전기 자극에 따라 자동으로 실행됩니다.표에서 트랙 스파이크 상자를 선택하여 검색 상자를 특정 활동 전위에 적합한 위치로 이동합니다. 자극 부위와 기록 부위 사이의 거리를 표에 표시된 대기 시간으로 나누어 말초 뉴런의 전도 속도를 계산합니다. 전기 임계값 추적을 수행하려면 자극 제어판의 증가 및 감소 속도를 원하는 속도로 조정하십시오.이 값을 동일하게 유지합니다. 자극 주파수가 적절한 속도(일반적으로 0.25-0.5Hz)로 설정되어 있는지 확인합니다. 자극 진폭을 뉴런의 전기적 임계 값에 대해 수동으로 조정합니다.그런 다음 다중 장치 추적 테이블에서 추적 임계값 상자를 선택하면 전기 임계값 추적 알고리즘이 시작됩니다. 다중 장치 추적 테이블에서 발사 속도를 모니터링합니다. 발사 속도가 50%이면 대략적인 전기 임계값이 결정되고 임계값이 업데이트됨을 나타냅니다.마지막으로, 수용 필드에 실험적 조작을 적용하고 전기 임계 값을 계속 추적합니다. 이것은 말초 뉴런 흥분성의 변화를 정량화합니다. 미세 신경학 실험 동안 표재성 다년생 신경의 인간 C 섬유의 순차적 흔적과 피부-신경 준비 동안 복재 신경의 마우스 A-델타 섬유의 순차적 흔적이 이 그림에 나와 있습니다.활동 전위가 확인되었을 때 흔적은 빨간색으로 표시되어 자극 진폭이 감소했습니다. 소프트웨어 알고리즘은 50%의 발사 가능성에 필요한 자극 진폭을 효과적으로 찾습니다. 인간 C 섬유 통각 수용체의 열 자극 동안 0.25 헤르츠 자극 주파수에서 전기적 임계 값 추적이이 그림에 나와 있습니다.y축은 패러다임의 시작부터 자극 수를 인코딩합니다. 임계 값 교차 이벤트가있는 전기 자극 후 4, 000 밀리 초 동안의 전압 트레이스는 빨간색으로 표시됩니다. 추적된 동작 전위 주위로 확대된 전압 트레이스가 여기에 표시됩니다.파란색 세로선은 추적된 단위의 기준 지연 시간입니다. AP Track에서 명령하는 자극 전류가 이 그림에 나와 있습니다. 파란색 세로선은 기준 전기 임계값입니다.수용장 TCS-II 열 자극 프로브 온도가 여기에 표시됩니다. 이 열에 민감한 C 섬유의 수용 필드가 열 자극기에 의해 따뜻해지면 전기 임계값이 감소합니다. 검색 상자 너비 및 감지 임계값에 대한 적절한 값을 선택하는 것은 전기적 노이즈의 영향을 줄여 AP 트랙의 성능을 크게 향상시키기 때문에 중요합니다.통각 수용체의 과흥분성에 대한 치료제의 영향을 정량화하면 만성 통증의 기전을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 우리는 다른 연구자들이 이 무료로 사용할 수 있는 도구를 활용하여 통각 수용 생물학과 통각 수용체 감작 중에 발생한 변화를 더 잘 이해하기를 바랍니다.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

뇌 - 기계 인터페이스의 폐쇄 루프 성능을 연구하기 위해 실험 플랫폼

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

연구

신경과학

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

Neuroscientific 연구 및 실시간 기능성 두피 매핑을위한 인적 Electrocorticographic (ECoG) 신호를 녹음하기

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

오픈 소스 로봇 정위 장비 구축

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

실시간 전기 생리학 : 프로브 신경 역학과 저쪽​​에 폐쇄 루프 프로토콜을 사용하여

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

폐쇄 루프 신경 로봇 실험은 신경 네트워크의 전산 등록을 테스트하는

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

관리의 실시간 fMRI Neurofeedback 훈련에 대 한 프로토콜

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

팬텀 사지 통증에 대 한 미러 치료와 관련 된 신경 상관 관계의 특성에 대 한 MRI에서 실시간 비디오 프로젝션

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

신경 생리학적 실험에서 신경 스파이크 활동을 사용하여 폐쇄 루프 자극을 트리거합니다.

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

동물의 실시간 fMRI 뇌 매핑

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

한 손 작업에 대한 종래및 임계값 추적 경두개 자기 자극 테스트

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