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

Vi vil gjerne takke våre finansiører for deres støtte: Academy of Medical Sciences (JPD, AEP), Versus leddgikt (JPD, AEP), Jean Golding Institute Seedcorn Grant (JPD, AEP, GW, ACS, MMP), og Bioteknologi og biologisk vitenskap Research Council samarbeidsopplæringspartnerskap doktorgradsstudium med Eli Lilly (GWTN). Vi ønsker å utvide vår takk til alle bidragsytere til utviklingen av APTrack. Vi vil også takke våre frivillige som deltok i mikroneurografieksperimentene og våre samarbeidspartnere for pasient- og offentlig engasjement og engasjement for deres uvurderlige bidrag.

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

GWTN er et BBSRC Collaborative Training Partnership doktorgradsstudium med University of Bristol og Eli Lilly and Company (BB / T508342 / 1). APN er en nåværende ansatt i Eli Lilly and Company og kan eie aksjer i dette selskapet.

APTrack er en programvareplugin for bruk med Open Ephys-plattformen. Vi har valgt denne plattformen da den er åpen kildekode, fleksibel og billig å implementere. Ikke inkludert kostnaden for konstant strømstimulator, alt utstyret som kreves for å begynne å bruke pluginet, kan kjøpes for rundt $ 5,000 USD i skrivende stund. Vi håper dette vil gjøre det mulig for forskere å implementere APTrack i sine perifere nerveelektrofysiologistudier lettere. Videre kan forskere fritt endre programvaren for å passe deres eksperimentelle behov. Det er viktig at dette verktøyet har tillatt elektrisk terskelsporing av enkeltfibernociceptorer, for første gang, hos mennesker.
Jo høyere signal-støy-forhold, desto bedre kan algoritmene identifisere handlingspotensialer. Signal-støy-forholdet under mikronevrografi var tilstrekkelig i de fleste av våre registreringer, men brukerne må være oppmerksomme på risikoen for signalforringelse over tid. Dette er spesielt viktig for lengre eksperimentelle protokoller, fordi hvis det sporede aksjonspotensialets amplitude faller under deteksjonsterskelen, vil stimuleringsamplituden økes feilaktig; Dette kan reduseres ved at eksperimenter overvåker pluginet og deretter justerer innstillingene om nødvendig. Signal-støy-forholdet forbedres med båndpassfiltrering, men større transienter kan fortsatt feilidentifiseres som handlingspotensialer hvis de ankommer i løpet av søkeboksens tidsvindu. Risikoen for feilidentifisering av forbigående støy som et handlingspotensial kan reduseres ved å begrense tidsvinduet der programtillegget søker etter handlingspotensialer og ved å optimalisere terskelinnstillingene. Imidlertid er det fortsatt situasjoner man kan støte på som hindrer pluginets ytelse. Spontan aktivitet kan forårsake vanskeligheter hvis aksjonspotensialer med større amplitude faller innenfor algoritmens søkeboksvindu, da de vil bli feilidentifisert som målhandlingspotensialet. I tillegg kan spontan aktivitet i nevronet av interesse bety at den elektriske stimuleringen faller i løpet av sin ildfaste periode, noe som forårsaker manglende generering av et handlingspotensial. Vanskeligheter med å bruke programvaren kan også oppstå når primære afferente nevroner utviser flip-flop, hvorved alternative terminale grener av et enkelt nevron stimuleres, og dermed forårsaker at det fremkalte handlingspotensialet har to (eller flere) baseline latenser som er gjensidig utelukkende20. Under opptak fra nevroner som viser flip-flop med høye signal-til-støy-forhold, utførte vi vellykket latens og elektrisk terskelsporing ved å øke bredden på søkeboksen for å innkapsle alle potensielle ledningshastigheter som nevronet viste. Den elektriske terskelen kan imidlertid variere avhengig av den terminale grenen av nevronet som blir begeistret, noe som sannsynligvis delvis skyldes forskjeller i avstanden fra stedet for den elektriske stimuleringen til de alternative nociceptorterminalene. Ytterligere arbeid på handlingspotensialidentifikasjonsprosessen for å inkludere for eksempel malmatching er mulig og kan integreres i denne programvaren. GUI-pluginene for båndstopp eller adaptiv støyfiltrering kan også brukes oppstrøms for APTrack i signalkjeden hvis de utvikles.
Vi anser den elektriske terskelen bestemt til å være strømmen som kreves for å fremkalle et handlingspotensial 50% av tiden, over et brukerdefinert antall elektriske stimuli, typisk 2-10. Morfologien til elektrisk stimulering er 0,5 ms og positive, firkantbølgepulser. Dette er ikke det samme som å bestemme reobasen, et vanlig mål for neuronal excitability. Plugin kan tilpasses for å bestemme reobasen. Imidlertid forfulgte vi et enklere tiltak, da dynamiske endringer i eksitabilitet, som de som antas å forekomme under oppvarming, ville ha vært vanskeligere å kvantifisere med rheobaseendringer enn vårt elektriske terskelestimat.
Denne programvaren kan brukes i både eksperimenter med mennesker og gnagere. Dette er mulig takket være fleksibel støtte til de elektriske stimuleringssystemene. Programvaren vil fungere med enhver stimulator som aksepterer en analog kommandospenning eller kan kobles manuelt med en stepper motor. For mikroneurografi brukte vi den med en CE-merket konstant strømstimulator som var designet for bruk i menneskelig forskning og fikk stimuleringen styrt av en skive. Stimulatorer som godtar analoge spenningskommandoer kan være støyende da de ikke kobler fra kretsen mellom stimuli, noe som betyr at enhver 50/60 Hz hum eller støy på den analoge inngangen vil bli overført til opptaket. En stimulator som krever et ekstra TLL-utløsersignal for å koble til kretsen, slik at en stimulus ved en strøm som er analog med den analoge spenningsinngangen som skal genereres, er ideell for bruk med pluginet. Dette forhindrer at støyen overføres til opptaket mellom stimuli.
Programvaren bruker en enkel opp-ned-metode for å estimere den elektriske terskelen. Dette har blitt brukt i psykofysikktester i mange tiår25. I tråd med opp-ned-metoden tar den elektriske terskelsporingsalgoritmen for modulering av stimuleringsamplituden bare hensyn til den forrige stimuleringens amplitude og respons ved beregning av neste stimuleringsamplitude. Dette betyr at stimuleringsamplituden vil svinge rundt den sanne elektriske terskelen, og dermed produsere en 50% avfyringshastighet, forutsatt at terskelen er stabil. Minste størrelse på en økning eller reduksjon er 0, 01 V; Dette tilsvarer 0,01 mA forutsatt at stimulatoren har et inngangsforhold på 1 V: 1 mA inngang til utgang og tilstrekkelig oppløsning for å oppnå trinnendringer så små. Plugin vil oppdatere live-estimatet av målhandlingspotensialets elektriske terskel hver gang den når en 50% avfyringshastighet over et brukerdefinert antall tidligere stimuli (2-10). Post hoc anbefaler vi å bruke et rullerende gjennomsnitt av stimuleringsamplituden over de siste 2-10 stimuli for å estimere den elektriske terskelen, og det skal bemerkes at dette estimatet bare vil være nøyaktig når avfyringshastigheten er relativt stabil på 50%. I både live og post hoc estimater av den elektriske terskelen, er det en balanse mellom oppløsning, pålitelighet og tid til å vurdere. Bruk av mindre øknings- og reduksjonstrinn vil øke nøyaktigheten til det elektriske terskelestimatet, men vil øke tiden det tar å finne den nye elektriske terskelen først og etter forstyrrelse. Beregning av den elektriske terskelen over et større antall tidligere stimuli vil gi bedre pålitelighet, men vil øke tiden som kreves for å nå et nøyaktig estimat.
APTrack ble designet for bruk i perifere nerveopptak, spesielt for å spore de elektriske tersklene til C-fibre under eksperimentelle og patologiske forstyrrelser over perioder hvor handlingspotensialets latens kan variere avhengig av den underliggende nevronaktiviteten. Denne metoden vil muliggjøre undersøkelse av ikke bare aksonal eksitabilitet, men også av nociceptorgeneratorpotensialer hos friske frivillige og pasienter. Vi forventer at andre felt av elektrofysiologi kan vedta og tilpasse dette verktøyet til bruk i ethvert eksperiment som krever elektrisk terskelsporing av en stimuluslåst aktivitet. For eksempel kan dette like gjerne tilpasses for optogenetisk stimulering med lyspulser drevet fra APTrack. Plugin er åpen kildekode og tilgjengelig for forskere under en GPLv3-lisens. Den er bygget på Open Ephys-plattformen, som er et tilpasningsdyktig, rimelig datainnsamlingssystem med åpen kildekode. Plugin gir ekstra kroker for nedstrøms plugins for å trekke ut handlingspotensialinformasjonen og gi flere brukergrensesnitt eller adaptative paradigmer. Plugin gir et enkelt brukergrensesnitt for visualisering og latenssporing av handlingspotensialer i sanntid. Den kan også spille av tidligere data og visualisere dem ved hjelp av det temporale rasterplottet. Videre kan den også utføre latenssporing under avspilling av tidligere data. Selv om det finnes andre programvarepakker tilgjengelig for latenssporing i sanntid, er de ikke åpen kildekode og kan ikke utføre elektrisk terskelsporing26,27. APTrack har en fordel i forhold til tradisjonelle metoder for å identifisere konstante latenshandlingspotensialer fra spenningsspor, da den bruker et tidsmessig rasterplott for datavisualiseringen. Videre har våre erfaringer med å bruke den i eksperimenter med lave signal-støy-forhold indikert at den temporale rasterplottvisualiseringsmetoden tillater identifisering av konstante latenshandlingspotensialer som ellers kan ha blitt savnet.
Helnerveterskelsporing er en mye brukt metode for å vurdere aksonal eksitabilitet13. Single-neuron elektrisk terskelsporing i gnagere C-fibre har tidligere blitt brukt til å kvantifisere nociceptor excitability14, og dens nytte hos mennesker er anerkjent10,11; Men til nå har dette ikke vært mulig. Vi tilbyr et nytt verktøy med åpen kildekode for direkte måling av eksitabilitet for enkeltnociceptorer i både elektrofysiologiske studier av gnagere og mennesker. APTrack muliggjør sanntids, åpen kildekode, elektrisk terskelsporing av enkeltnevronaksjonspotensialer hos mennesker, for første gang. Vi forventer at det vil lette translasjonsstudier av nociceptorer mellom gnagere og mennesker.

Nociseptorer er primære afferente nevroner i det perifere nervesystemet som aktiveres ved åpenbare eller potensielt vevsskadelige hendelser og spiller en kritisk beskyttende rolle ved akutt smerte1. Elektrofysiologiske registreringer fra C-fiber og Aδ-fiber nociceptorer i dyremodeller, friske frivillige mennesker og pasienter har avslørt sensibilisering og unormal spontan aktivitet i et mangfoldig spekter av smertetilstander 2,3,4,5,6,7. Å forstå mekanismene som ligger til grunn for disse endringene i nociceptoreksitabilitet hos pasienter, kan muliggjøre målrettede terapeutiske inngrep8. Det er imidlertid få verktøy for å vurdere nociceptor excitability direkte, spesielt hos pasienter9, men potensialet for nytten av slike verktøy er vel anerkjent10,11.
Helnerve elektrisk terskelsporing kan brukes til å undersøke aksonal eksitabilitet hos mennesker12. Imidlertid, da store, myeliniserte, perifere nevroner bidrar uforholdsmessig til amplituden til det sensoriske sammensatte handlingspotensialet, tillater ikke sporing av helnerve elektrisk terskel vurdering av C-fiberfunksjon11,13. Faktisk, i en tidligere studie, helnerve elektrisk terskel sporing i kroniske nevropatiske smertekohorter med diabetisk nevropati og kjemoterapi-indusert polyneuropati viste ingen forskjeller i aksonal eksitabilitet11.
I en tidligere studie ble elektrisk terskelsporing på enkeltnevronnivå brukt til å undersøke eksitabiliteten til C-fibernociceptorer under ertet fiberopptak i et ex vivo hud-nervepreparat14. Forfatterne viste at en økt kaliumkonsentrasjon, sure forhold og bradykinin alle økte C-fiber nociceptor excitability, noe som reflekteres av en redusert elektrisk terskel for generering av handlingspotensial. Videre reduserte oppvarming av det mottakelige feltet til de varmefølsomme nociceptorene deres elektriske terskel, mens varmefølsomme nociceptorer viste en økning i deres elektriske terskel14. Dette gir viktig bevis på at sporing av elektrisk terskel er mulig og kan være nyttig, men det finnes for øyeblikket ingen programvare- og/eller maskinvareløsninger tilgjengelig for å muliggjøre slike undersøkelser, spesielt for menneskelige studier.
Hos mennesker er mikroneurografi den eneste tilgjengelige metoden for direkte å vurdere de elektrofysiologiske egenskapene til C-fibre15. Denne tilnærmingen har blitt brukt til å demonstrere nociceptor dysfunksjon hos pasienter med kronisk smerte 2,3,4,5,6,7. Microneurography kan oppdage single-neuron handlingspotensialer; På grunn av de lave signal-støy-forholdene, bruker forskere imidlertid merkingsteknikken for å karakterisere C-fiberaktivitet16. I markeringsteknikken brukes supraterskel elektrisk stimulering på C-fiber mottakelige felt i huden. Denne elektriske stimuleringen genererer et handlingspotensial som oppstår ved konstant latens, som bestemmes av C-fiberens ledningshastighet. C-fibre utviser aktivitetsavhengig bremsing, hvorved ledningshastigheten reduseres, og derfor øker ledningsforsinkelsen i perioder med handlingspotensiell utladning17. Under basale forhold genererer C-fibre normalt ikke handlingspotensialer i fravær av skadelige stimuli, og derfor er ledningsforsinkelsen som respons på lavfrekvent elektrisk stimulering konstant. Mekaniske, termiske eller farmakologiske stimuli, som fremkaller avfyring, induserer aktivitetsavhengig bremsing, noe som øker latensen til aksjonspotensialene fremkalt ved samtidig lavfrekvent elektrisk stimulering. Dette tillater objektiv identifisering av responser på de anvendte ikke-elektriske stimuli i sammenheng med et lavt signal-støy-forhold. Derfor kan aktivitetsavhengig bremsing brukes til å funksjonelt karakterisere C-fibre16. Faktisk viser forskjellige funksjonelle klasser av C-fibre særegne mønstre av aktivitetsavhengig bremsing i elektriske stimuleringsparadigmer som involverer å variere stimuleringsfrekvensen18,19. Denne variasjonen i latensen til C-fiber-handlingspotensialer gir en utfordring for algoritmer designet for å overvåke dem.
Pågående aktivitet i en nociceptor fører til økt variasjon i latens under lavfrekvent elektrisk stimulering, og dette skyldes igjen aktivitetsavhengig bremsing. Denne økte variabiliteten, eller jitter, er et kvantifiserbart proxy-mål for eksitabilitet2. Ytterligere årsaker til variabilitet i handlingspotensiell latens inkluderer flip-flop, hvor alternative terminale grener av et enkelt nevron stimuleres, noe som fører til at det fremkalte handlingspotensialet har to (eller flere) baseline latenser som er gjensidig utelukkende20. Endelig forårsaker endringer i temperaturen til en perifer neurons terminale grener også handlingspotensielle latensendringer på termodynamisk måte, med oppvarming som øker ledningshastigheten og kjøling som reduserer ledningshastigheten19. Dermed må all programvare som søker å utføre elektrisk terskelsporing med lukket sløyfe av nociceptive C-fibre, tillate endringer i latens i elektrisk fremkalte handlingspotensialer.
For å oppnå vårt mål om sporing av elektrisk terskel på tvers av arter av C-fibernociceptorer, utviklet vi APTrack, en programvareplugin med åpen kildekode for Open Ephys-plattformen21, for å muliggjøre sanntids, lukket sløyfe, elektrisk terskelsporing og latenssporing. Vi gir proof-of-concept data som viser at C-fiber nociceptor elektrisk terskel sporing under human microneurography er mulig. Videre viser vi at dette verktøyet kan brukes i elektrofysiologi for nagere ex vivo , og dermed muliggjøre translasjonsstudier mellom mennesker og gnagere. Her vil vi beskrive i detalj hvordan forskere kan implementere og bruke dette verktøyet til å hjelpe deres studie av nociceptorfunksjon og spenning.

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

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

Nociceptorer er en klasse av primære afferente nevroner som signaliserer potensielt skadelige skadelige stimuli. En økning i nociceptor excitability oppstår i akutte og kroniske smerteforhold. Dette gir unormal pågående aktivitet eller reduserte aktiveringsterskler for skadelige stimuli. Å identifisere årsaken til denne økte spenningen er nødvendig for utvikling og validering av mekanismebaserte behandlinger. Single-neuron elektrisk terskel sporing kan kvantifisere nociceptor excitability. Derfor har vi utviklet en applikasjon for å tillate slike målinger og demonstrere bruken hos mennesker og gnagere. APTrack gir sanntids datavisualisering og identifisering av handlingspotensial ved hjelp av et tidsmessig rasterplott. Algoritmer oppdager handlingspotensialer ved terskelovergang og overvåker ventetiden etter elektrisk stimulering. Pluggen modulerer deretter den elektriske stimuleringsamplituden ved hjelp av en opp-ned-metode for å estimere den elektriske terskelen til nociceptorene. Programvaren ble bygget på Open Ephys-systemet (V0.54) og kodet i C ++ ved hjelp av JUCE rammeverket. Den kjører på Windows, Linux og Mac-operativsystemer. Åpen kildekode er tilgjengelig (<a data-saferedirecturl="https://www.google.com/url?q=https://github.com/Microneurography/APTrack&source=gmail&ust=1680789829274000&usg=AOvVaw0nMk9J_EI2jUn8SlmC5JJm" href="https://github.com/Microneurography/APTrack" target="_blank">https://github.com/ Microneurography/APTrack</a>). De elektrofysiologiske opptakene ble tatt fra nociceptorer i både et musehud-nervepreparat ved hjelp av den ertet fibermetoden i saphenøs nerve og hos friske frivillige mennesker ved bruk av mikroneurografi i overfladisk peroneal nerve. Nociceptorer ble klassifisert etter deres respons på termiske og mekaniske stimuli, samt ved å overvåke den aktivitetsavhengige bremsingen av ledningshastigheten. Programvaren forenklet eksperimentet ved å forenkle identifikasjonen av handlingspotensialet gjennom det tidsmessige rasterplottet. Vi demonstrerer sanntids lukket sløyfe elektrisk terskelsporing av enkeltnevronaksjonspotensialer under in vivo human mikroneurografi, for første gang, og under ex vivo mus elektrofysiologiske opptak av C-fibre og Aδ-fibre. Vi etablerer prinsippbevis ved å vise at den elektriske terskelen til en menneskelig varmefølsom C-fiber nociceptor reduseres ved oppvarming av det mottakelige feltet. Dette pluginet muliggjør elektrisk terskelsporing av enkeltnevronaksjonspotensialer og tillater kvantifisering av endringer i nociceptor-excitabilitet.

Et representativt eksempel på programvaren som arbeider for å kontrollere et eksperiment er vist i figur 7. Den justerer iterativt stimuleringsamplituden ved hjelp av en opp-ned-metode for effektivt å finne den elektriske terskelen til enkeltnociceptorer. For første gang demonstrerer vi muligheten for sanntids single-neuron elektrisk terskelsporing hos mennesker under mikroneurografi (figur 7A). I tillegg viser vi elektrisk terskelsporing i en mus Aδ-fiber (figur 7B). Identifisering av tiltakspotensialer ved terskelkryssing, som brukt her, er tilstrekkelig for å spore elektriske terskler over tid. Vi anbefaler at brukerne tar skritt for å minimere elektrisk støy under opptakene sine, for eksempel ved å bruke et Faraday-bur og båndpassfiltre for å forbedre signal-støy-forholdet.
For å demonstrere at sporing av elektrisk terskel kan brukes som et mål på endringer i nociceptorspenning hos mennesker, ble sporing av den elektriske terskelen under et trinnvis oppvarmingsparadigme utført (figur 8). Å øke temperaturen på nociceptorterminalene reduserte den elektriske stimuleringsstrømmen som kreves for å fremkalle et aksjonspotensial, noe som reflekterer en økning i nociceptor-eksitabilitet (figur 8C). Dette var sannsynligvis forårsaket av generering av reseptorpotensialer av de varmefølsomme ionkanalene uttrykt i C-fiber nociceptor14. Ved høyeste temperaturtrinn, 44 °C, ble termisk fremkalte aksjonspotensialer fremkalt (figur 8A, stimulus nummer 86-96). Dette medfører en økning i den elektriske terskelen, da nociceptoren kan være i en ildfast tilstand etter høyfrekvent utladning. Som forventet ble latensen til det sporede handlingspotensialet redusert etter hvert som temperaturen økte. Dette antas å skje på grunn av en termodynamisk effekt på ledningsmaskineriet, noe som øker ledningshastigheten til C-fiberen. Denne C-fiberen kan også vise flip-flop (figur 8B, stimulus nummer 47-54), noe som kan resultere i at følgende elektriske stimulering feilaktig økes i amplitude hvis handlingspotensialet faller utenfor algoritmens søkevindu.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig01.jpg"> Figur 1: Et skjema over utstyrsoppsettet og kabeltilkoblingene som kreves for sporing av nociceptor-elektrisk terskel med APTrack hos gnagere og mennesker. Legg merke til de to forskjellige metodene for stimuleringsamplitudekontroller: en steppermotor for manuelt justerte stimulatorer i vårt menneskelige oppsett, og en PulsePal for inngangsspenningsstyrte stimulatorer i vårt gnageroppsett. (1) En PC (Windows, Mac eller Linux) som kjører plugin-modulen for Open Ephes-plattformen. (2) En stepper motor som driver stimuleringsamplitudehjulet på DS7. (3) En konstant strømstimulator godkjent for bruk hos mennesker; her brukte vi en DS7. (4) En USB 3.0 optoisolator, som isolerer den menneskelige deltakeren fra PCen (valgfritt, bare nødvendig for menneskelig forskning). (5) En PulsePal V2 pulsgenerator, som genererer TTL-tidsstempler (utgangskanal 2) og spenningstrinn som tilsvarer den forespurte stimuleringsamplituden (utgangskanal 1). (6) En konstant strømstimulator for bruk hos dyr; Her brukte vi en DS4. (7) En likestrømforsyning for systemet (nettstrømforsyning som brukes til gnageroppsettet og batteriets likestrømforsyning som brukes til det menneskelige oppsettet). (8) Et ervervsstyre. (9) Et I/O-kort for å koble til BNC-koaksialkablene som bærer signalene som skal registreres, for eksempel termoelementutgangene og TTL-markørene. (10) Musens hud-nervepreparasjon gjennomgår nociceptor elektrofysiologiske opptak. (11) En menneskelig deltaker som gjennomgår mikroneurografiopptak fra C-fibre i den overfladiske peroneale nerven. (12) En Intan RHD2216 headstage for anskaffelse og digitalisering av opptakene. (13) Et Intan Electrode Adapter Board, som opptakselektrodene er koblet til og som gjør det mulig å sende signalet til RHD2216-hovedscenen. (14) Et termisk stimuleringssystem som kan sende ut temperaturen via en BNC-koaksialforbindelse. (15) En 3,3 V batteridrevet knapp / fotpedal som brukes til å markere mekaniske stimuleringshendelser og narkotikaapplikasjoner. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig01large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig02.jpg"> Figur 2: Malsignalkjede. Den røde pilen peker på knappen for å aktivere ADC-inngangen fra I/O-kortet. Den gule pilen indikerer rullegardinmenyen for å velge Open Ephys-filformatet. Den grønne pilen angir knappene Spill av og Ta opp. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig02large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig03.jpg"> Figur 3: Grafisk brukergrensesnitt. GUI-en består av fire hovedkomponenter. (1) Temporal Raster Plot-panel (grønn) for datavisualisering og innstillingene knyttet til kontroll av plottet. En konstant latensrespons som viser gradvis aktivitetsavhengig bremsing, indikeres av den grønne pilen. (2) Stimuleringskontrollpanel (gul) for innstilling av stimuleringsamplitudeparametrene og lasting av stimuleringsparadigmeskriptene. (3) Multi-Unit Tracking Table (blå) for å legge til handlingspotensialene for sporing og aktivering av latens og elektrisk terskelsporing. (4) Alternativer: Meny for valg av fargestiler og inngangskanal for dataene og TTL-utløsere. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig03large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig04.jpg"> Figur 4: Tilrettelegging for identifisering av handlingspotensialer med konstant latens gjennom sanntids datavisualisering på et tidsmessig rasterplott ved hjelp av APTrack. Dette er et eksempel på høyt signal-støy-forhold. Dataene som presenteres i det temporale rasterplottet er fra et humant C-fiberopptak fra den overfladiske peroneale nerven under mikroneurografi. Voltage Trace er oscilloskoplignende LFP Viewer-plugin i Open Ephys. APTrack brukergrensesnitt er det grafiske brukergrensesnittet til pluginet. Det sporede handlingspotensialet indikeres av grønne piler, og den sirkulære glidebryteren på kanten av det temporale rasterplottet er for å kontrollere søkeboksposisjonen der algoritmene vil søke etter terskelkryssingshendelser. Den elektriske stimuleringsartefakten er merket med blått på spenningssporet. Stimuleringsamplituden til den analoge spenningskommandoen er indikert i rødt; Merk at dette kanskje ikke er det samme som stimuleringsstrømamplituden, avhengig av skaleringsfaktoren som er satt på stimulatoren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig04large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig05.jpg"> Figur 5: Grafisk fremstilling av latenssporingsalgoritmen. Enkelt sagt, hvis et handlingspotensial oppdages ved terskelkryssing, vil søkeboksen justere posisjonen for å sentrere seg selv på tidspunktet for toppspenningen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig05large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig06.jpg"> Figur 6: Grafisk fremstilling av den elektriske terskelsporingsalgoritmen. Enkelt sagt, hvis et aksjonspotensial oppdages ved terskelovergang, vil stimuleringsamplituden reduseres med reduksjonsraten. Hvis det ikke oppdages noe aksjonspotensial, økes stimuleringsamplituden med økningshastigheten. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig06large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig07.jpg"> Figur 7: Automatisert elektrisk terskelsporing av enkeltnevronaksjonspotensialer ved en stimuleringsfrekvens på 0,25 Hz . (A) Sekvensielle spor av en human C-fiber av den overfladiske peroneale nerven under et mikroneurografieksperiment. (B) Sekvensielle spor av en mus Aδ-fiber av saphenøs nerve under hud-nerve forberedelse ertet fiber elektrofysiologi. Sporene ble farget rødt når et aksjonspotensial ble identifisert, noe som resulterte i en reduksjon i stimulusamplituden. Programvarealgoritmen finner effektivt stimulusamplituden som kreves for en 50% sannsynlighet for avfyring. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig07large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig08.jpg"> Figur 8: Sporing av elektrisk terskel ved en stimuleringsfrekvens på 0,25 Hz under termisk stimulering av en human C-fiber nociceptor. Y-aksen koder for stimuleringstallet fra starten av paradigmet. (A) Spenningsspor i 4000 ms etter elektrisk stimulering, med terskelkryssingshendelser merket med rødt. (B) Spenningsspor fra A zoomet inn rundt det sporede handlingspotensialet. Sporene ble farget røde da det sporede aksjonspotensialet ble oppdaget. Den vertikale blå linjen er grunnlinjeventetiden til den sporede enheten. (C) Stimuleringsstrøm kommandert av APTrack. Den vertikale blå linjen er den grunnleggende elektriske terskelen. (D) Mottakelig felt TCS-II termisk stimulerende sondetemperatur. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig08large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Sammensatt</td>
			<td>Konsentrasjon</td>
		</tr><tr><td>NaCl</td>
			<td>107,8 mM</td>
		</tr><tr><td>NaHCO3</td>
			<td>26,2 mM</td>
		</tr><tr><td>KCl</td>
			<td>3,5 mM</td>
		</tr><tr><td>NaH2PO4</td>
			<td>1,67 mM</td>
		</tr><tr><td>CaCl2</td>
			<td>1,53 mM</td>
		</tr><tr><td>MgSO4</td>
			<td>0,69 mM</td>
		</tr><tr><td>Natriumglukonat</td>
			<td>9,64 mM</td>
		</tr><tr><td>Sukrose</td>
			<td>7,6 mM</td>
		</tr><tr><td>Glukose</td>
			<td>5,55 mM</td>
		</tr></tbody></table>Tabell 1: Innhold av syntetisk interstitiell væske for musens hud-nervepreparat23.

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

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

APTrack er et programvareplugin utviklet for Open Ephys-plattformen som muliggjør datavisualisering i sanntid og elektrisk terskelsporing med lukket sløyfe av nevrale handlingspotensialer. Vi har med hell brukt dette i mikroneurografi for humane C-fiber nociceptorer og mus C-fiber og Aδ-fiber nociceptorer.

Åpen kildekode Real-Time Closed-Loop Elektrisk terskelsporing for translasjonell smerteforskning

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

Dette verktøyet kan brukes til å undersøke forskjellige mekanismer for nociceptorsensibilisering, og det er denne sensibiliseringen som kan drive noen former for kronisk smerte. Automatisert elektrisk terskelsporing gir en pålitelig, online, sanntidsmåling av nociceptor-eksitabilitet. Som sådan gir dette tiltaket en viktig translasjonsbro, slik at målinger kan gjøres både hos mennesker og dyr.På samme måte, slik at effektiv patologi og behandlinger kan vurderes. I fremtiden kan AP Track brukes hos kroniske smertepasienter for å bekrefte om et terapeutisk middel normaliserer eksitabiliteten til deres sensibiliserte nociceptorer. Dette vil representere en avgjørende biomarkør for effekt.Vi forventer at vår åpen kildekode-verktøykasse, AP Track, vil være nyttig for elektrofysiologer som studerer tidssløyfestimuli av forskjellige størrelser. For eksempel tror vi også det vil være nyttig for å studere optogenetikk. Det er utfordrende å administrere et eksperiment og en programvare samtidig i begynnelsen, så jeg anbefaler at brukerne laster inn forhåndsinnspilte data i AP Track for å gjøre seg kjent med bruken før de prøver et eksperiment.Vi har gitt demodata. For å begynne, koble anskaffelseskortet til datamaskinen ved hjelp av produsentens kabel, og slå dem på. Deretter kobler du IO-kortet til den analoge importen på anskaffelseskortet og kobler en Intan RHD Recording Headstage til anskaffelseskortet ved hjelp av en kabel for serielt periferielt grensesnitt.Deretter kobler du Pulse Pal til datamaskinen. Del signalet til Pulse Pal-utgangskanalen en ved hjelp av en BNC T-splitter, og koble den deretter til den konstante strømstimulatorinngangen og IO-kortet, slik at den analoge spenningskommandoen kan registreres. Koble Pulse Pal-utgangskanal to til I/O-kortet for å registrere TTL-markørene for stimulering.For montering med en skivestyrt konstant strømstimulator, slå på en konstant strømstimulator og koble steppermotorens kontrollkort til trinnmotoren ved hjelp av produsentens kabel og magnetfeste. Koble kontrollkortet til datamaskinen direkte ved hjelp av en hvilken som helst standard USB-A til USB mikro B-kabel. Koble kontrollkortet og trinnmotoren til en tilpasset monteringsbrakett, og sett stimuleringsamplitudehjulet på konstantstrømstimulatoren til null milliampere.Deretter kobler du en tilpasset fatadapter til trinnmotorfatet. Fest steppermotoren og det tilpassede monteringsapparatet til stimuleringsamplitudehjulet på konstantstrømstimulatoren ved hjelp av fatadapteren, og slå den på. Åpne AP Track GUI og opprett et stabilt perifert nerveelektrofysiologisk opptak.Identifiser det mottakelige feltet på huden og plasser den stimulerende elektroden der. I Alternativer-menyen velger du Trigger Channel og ADC-kanalen som inneholder TTL-markøren for elektrisk stimulering fra Pulse Pal-utgangskanal to. Velg deretter datakanalen og velg kanalen som inneholder de elektrofysiologiske dataene.Klikk på Koble til for å koble AP Track til Pulse Pal og stepper motorapparatet. Dette kan ta et øyeblikk. Når den er koblet til, vil steppermotorens kontrollkort sette seg til posisjon null.I stimuleringskontrollpanelet definerer du de innledende minimums- og maksimumsstimuleringsamplitudene ved hjelp av glidebryteren. Forsikre deg om at gjeldende stimulering er satt over null, slik at TTL-markører genereres. Klikk F for å laste inn en fil som inneholder stimuleringsinstruksjonene, og klikk deretter på høyrepilen for å starte det lastede stimuleringsparadigmet.Det temporale rasterplottet vil begynne å oppdateres med responsen på elektrisk stimulering, med hver ny stimuleringsrespons som vises som en ny kolonne til høyre. For å kunne oppdage enkeltnevronaksjonspotensialene, gå til det temporale rasterplottpanelet og juster verdiene for lav, deteksjon og høy bildeterskel. Når egnede bildeterskler er angitt, blir terskelkryssingshendelsene som registreres av algoritmene, kodet i grønt.Systematisk beveger du den stimulerende elektroden rundt hudområdet som er innervert av nerven. Overvåk det temporale rasterplottet for tre terskelkryssingshendelser som vises på rad med samme ventetid mens elektroden er i samme stimuleringsposisjon. Dette indikerer identifisering av et konstant latens perifert neuron handlingspotensial.Etter å ha identifisert enkeltnevronaksjonspotensialet på det temporale rasterplottet, flytter du den grå lineære glidebryteren på høyre side av plottet for å justere posisjonen til søkeboksen. Deretter justerer du søkeboksen med roterende glidebryter til en passende bredde. Gjør bredden på søkeboksen smal.For å begynne å spore det målrettede handlingspotensialet, klikk på plusstegnet under sporingstabellen med flere enheter. En ny rad vil bli lagt til i tabellen som inneholder detaljene for målhandlingspotensialet, inkludert latensplasseringen, prosentandelen som skyter over to til 10 stimuli og toppamplituden som oppdages. Latenssporingsalgoritmen vil automatisk bli utført på den ved hver påfølgende elektrisk stimulering.Merk av for sporpiggboksen i tabellen for å flytte søkeboksen til riktig posisjon for det bestemte handlingspotensialet. Beregn ledningshastigheten til det perifere nevronet ved å dele avstanden mellom stimulerings- og opptaksstedene med latensen som vises i tabellen. For å utføre sporing av elektrisk terskel, juster stignings- og reduksjonshastighetene i stimuleringskontrollpanelet til ønsket hastighet.Hold disse verdiene like. Sørg for at stimuleringsfrekvensen er satt til en passende hastighet, vanligvis 0,25 til 0,5 Hertz. Juster stimuleringsamplituden manuelt omtrent til nevronets elektriske terskel.Merk deretter av for sporeterskelboksen i sporingstabellen med flere enheter, som vil starte den elektriske terskelsporingsalgoritmen. I sporingstabellen med flere enheter overvåker du avfyringshastigheten. En avfyringshastighet på 50%indikerer at den omtrentlige elektriske terskelen er bestemt og terskelverdien vil bli oppdatert.Til slutt, bruk en eksperimentell manipulasjon på det mottakelige feltet og fortsett å spore den elektriske terskelen. Dette vil kvantifisere endringer i perifer neuron excitability. De sekvensielle sporene av en human C-fiber av den overfladiske flerårige nerven under et mikroneurografieksperiment og de sekvensielle sporene av en mus A-deltafiber av saphenøs nerve under hudnervepreparasjon ertet fiberelektrofysiologi er vist i denne figuren.Sporene ble farget rødt når et aksjonspotensial ble identifisert, noe som resulterte i en reduksjon i stimulusamplituden. Programvarealgoritmen finner effektivt stimulusamplituden som kreves for en 50% sannsynlighet for avfyring. Den elektriske terskelsporingen ved en 0,25 Hertz stimuleringsfrekvens under termisk stimulering av en human C-fibernociceptor er presentert i denne figuren.Y-aksen koder for stimuleringstallet fra starten av paradigmet. Spenningssporene i 4.000 millisekunder etter den elektriske stimuleringen med terskelkryssingshendelsene er merket med rødt. Spenningssporet zoomet inn rundt det sporede handlingspotensialet vises her.Den vertikale blå linjen er grunnlinjeventetiden til den sporede enheten. Stimuleringsstrømmen fra AP Track er vist i denne figuren. Den vertikale blå linjen er den grunnleggende elektriske terskelen.Det mottakelige feltet TCS-II termisk stimulerende sondetemperatur presenteres her. Når det mottakelige feltet til denne varmefølsomme C-fiberen varmes opp av den termiske stimulatoren, reduseres den elektriske terskelen. Det er viktig å velge de riktige verdiene for søkeboksbredden og deteksjonsterskelen, da de forbedrer AP Tracks ytelse betydelig ved å redusere virkningen av elektrisk støy.Kvantifisering av virkningen av terapeutiske midler på hyperexcitability hos nociceptorer kan hjelpe oss med å bedre forstå mekanismene som ligger til grunn for kronisk smerte. Vi håper andre forskere vil bruke dette fritt tilgjengelige verktøyet for å bedre forstå nociceptiv biologi og endringene som skjedde under nociceptorsensibilisering.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

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

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

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

Opptak menneskerettigheter Electrocorticographic (ECOG) Signaler for nevrovitenskapelig forskning og Real-time Funksjonell kortikal Mapping

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

Building An Open-source Robotic Stereotaxic Instrument

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

Sanntidselektro: Bruk lukket sløyfe Protokoller å probe Nevronale Dynamics og Beyond

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

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

Lukket-sløyfe Neuro-robot eksperimenter for å teste Computational Egenskaper av nevrale nettverk

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

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

En protokoll for administrasjon av Real-Time fMRI Neurofeedback opplæring

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

Sanntid videoprojeksjon i MRI for kategorisering av nevrale korrelerer knyttet speil terapi for Phantom lem smerte

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

Bruke Nevron skyter aktivitet å utløse lukket loop stimuli i nevrofysiologiske eksperimenter

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

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Sanntids fMRI-hjernekartlegging hos dyr

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

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

Konvensjonelle og terskelsporing transkranielle magnetiske stimuleringstester for enhåndsdrift

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