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 vill tacka våra finansiärer för deras stöd: 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.) och Biotechnology and Biological Sciences Research Council samarbetspartnerskap doktorandskap med Eli Lilly (G.W.T.N.). Vi vill tacka alla bidragsgivare till utvecklingen av APTrack. Vi vill också tacka våra volontärer som deltog i mikroneugrafiexperimenten och våra medarbetare i patient- och allmänhetens engagemang och engagemang för deras ovärderliga 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>

G.W.T.N. är doktorand vid BBSRC Collaborative Training Partnership med University of Bristol och Eli Lilly and Company (BB/T508342/1). A.P.N. är för närvarande anställd hos Eli Lilly and Company och kan äga aktier i detta företag.

APTrack är ett mjukvaruplugin för användning med Open Eprys-plattformen. Vi har valt denna plattform eftersom den är öppen källkod, flexibel och billig att implementera. Exklusive kostnaden för konstantströmsstimulatorn kan all utrustning som krävs för att börja använda plugin köpas för cirka $ 5,000 USD i skrivande stund. Vi hoppas att detta kommer att göra det möjligt för forskare att lättare implementera APTrack i sina perifera nervelektrofysiologiska studier. Dessutom kan forskare fritt modifiera programvaran för att passa deras experimentella behov. Det är viktigt att detta verktyg har möjliggjort elektrisk tröskelspårning av enstaka C-fibernociceptorer för första gången hos människor.
Ju högre signal-brusförhållande, desto bättre kan algoritmerna identifiera åtgärdspotentialer. Signal-brusförhållandet under mikroneurografi var tillräckligt i de flesta av våra inspelningar, men användarna måste vara uppmärksamma på risken för signalförsämring över tid. Detta är särskilt viktigt för längre experimentella protokoll, för om den spårade åtgärdspotentialens amplitud sjunker under detektionströskeln kommer stimuleringsamplituden att ökas felaktigt; Detta kan mildras genom att experimenterare övervakar plugin-programmet och sedan justerar inställningarna om det behövs. Signal-brusförhållandet förbättras med bandpassfiltrering, men större transienter kan fortfarande felidentifieras som åtgärdspotentialer om de skulle komma under sökrutans tidsfönster. Risken för felidentifiering av övergående brus som en åtgärdspotential kan minskas genom att begränsa tidsfönstret under vilket plugin söker efter åtgärdspotentialer och genom att optimera tröskelinställningarna. Det finns dock fortfarande situationer som man kan stöta på som hindrar plugin-programmets prestanda. Spontan aktivitet kan orsaka svårigheter om åtgärdspotentialer med större amplitud faller inom algoritmens sökrutefönster, eftersom de kommer att felidentifieras som målåtgärdspotentialen. Dessutom kan spontan aktivitet i neuronen av intresse innebära att den elektriska stimuleringen faller under sin eldfasta period, vilket orsakar misslyckande med att generera en åtgärdspotential. Svårigheter att använda programvaran kan också uppstå när primära afferenta neuroner uppvisar flip-flop, varigenom alternativa terminala grenar av en enda neuron stimuleras, vilket orsakar att den framkallade åtgärdspotentialen har två (eller flera) baslinjelatenser som är ömsesidigt uteslutande20. Under inspelningar från neuroner som uppvisar flip-flop med höga signal-brusförhållanden utförde vi framgångsrikt latens och elektrisk tröskelspårning genom att öka sökrutans bredd för att kapsla in alla potentiella ledningshastigheter som neuronen uppvisade. Den elektriska tröskeln kan emellertid variera beroende på den terminala grenen av neuronen som exciteras, vilket sannolikt delvis beror på skillnader i avståndet från platsen för den elektriska stimuleringen till de alternativa nociceptorterminalerna. Ytterligare arbete med processen för identifiering av åtgärdspotential för att inkludera till exempel mallmatchning är genomförbart och skulle kunna integreras i denna programvara. GUI-plugins för bandstopp eller adaptiv brusfiltrering kan också användas uppströms APTrack i signalkedjan om de skulle utvecklas.
Vi anser att den elektriska tröskeln som bestäms är den ström som krävs för att framkalla en åtgärdspotential 50% av tiden, över ett användardefinierat antal elektriska stimuli, vanligtvis 2-10. Morfologin för elektrisk stimulering är 0,5 ms och positiva fyrkantvågspulser. Detta är inte detsamma som att bestämma reobasen, ett vanligt mått på neuronal excitabilitet. Insticksprogrammet kan anpassas för att bestämma reobasen. Vi eftersträvade dock ett enklare mått, eftersom dynamiska förändringar i retbarhet, såsom de som antas inträffa under uppvärmning, skulle ha varit svårare att kvantifiera med reobasförändringar än vår elektriska tröskeluppskattning.
Denna programvara kan användas i både mänskliga och gnagare experiment. Detta möjliggörs genom flexibelt stöd för de elektriska stimuleringssystemen. Programvaran fungerar med alla stimulatorer som accepterar en analog kommandospänning eller kan anslutas manuellt med en stegmotor. För mikroneurografi använde vi den med en CE-märkt konstantströmstimulator som var utformad för användning i mänsklig forskning och hade stimuleringen styrd av en ratt. Stimulatorer som accepterar analoga spänningskommandon kan vara bullriga eftersom de inte kopplar bort kretsen mellan stimuli, vilket innebär att 50/60 Hz brum eller brus på den analoga ingången kommer att överföras till inspelningen. En stimulator som kräver en ytterligare TLL-utlösningssignal för att ansluta kretsen, vilket tillåter en stimulans vid en ström som är analog med den analoga spänningsingången som ska genereras, är idealisk för användning med plugin. Detta förhindrar att bruset överförs till inspelningen mellan stimuli.
Programvaran använder en enkel upp-ner-metod för att uppskatta den elektriska tröskeln. Detta har använts i psykofysiktester i många decennier25. I linje med upp-ned-metoden tar den elektriska tröskelspårningsalgoritmen för modulering av stimuleringsamplituden endast hänsyn till den tidigare stimuleringens amplitud och respons vid beräkning av nästa stimulerings amplitud. Detta innebär att stimuleringsamplituden kommer att svänga runt den sanna elektriska tröskeln, vilket ger en 50% avfyrningshastighet, förutsatt att tröskeln är stabil. Minsta storleken på ett steg eller minskning är 0,01 V; detta motsvarar 0,01 mA förutsatt att stimulatorn har ett 1 V: 1 mA input-to-output-förhållande och tillräcklig upplösning för att uppnå stegförändringar så små. Insticksprogrammet uppdaterar den levande uppskattningen av målåtgärdspotentialens elektriska tröskel varje gång den når en 50% avfyrningshastighet över ett användardefinierat antal tidigare stimuli (2-10). Post hoc rekommenderar vi att du använder ett rullande medelvärde av stimuleringsamplituden under de senaste 2-10 stimuli för att uppskatta den elektriska tröskeln, och det bör noteras att denna uppskattning endast kommer att vara korrekt när avfyrningshastigheten är relativt stabil vid 50%. I både live- och post hoc-uppskattningarna av den elektriska tröskeln finns det en balans mellan upplösning, tillförlitlighet och tid att överväga. Användning av mindre steg för ökning och minskning ökar noggrannheten i uppskattningen av den elektriska tröskeln, men ökar den tid det tar att hitta den nya elektriska tröskeln initialt och efter störning. Att beräkna den elektriska tröskeln över ett större antal tidigare stimuli ger bättre tillförlitlighet men ökar den tid som krävs för att nå en exakt uppskattning.
APTrack utformades för användning i perifera nervinspelningar, speciellt för att spåra de elektriska trösklarna för C-fibrer under experimentella och patologiska störningar under perioder där åtgärdspotentialens latens kan variera beroende på den underliggande neuronala aktiviteten. Denna metod kommer att möjliggöra undersökning av inte bara axonal excitabilitet utan även av nociceptorgeneratorpotentialer hos friska frivilliga och patienter. Vi förväntar oss att andra områden inom elektrofysiologi kan anta och anpassa detta verktyg för användning i alla experiment som kräver elektrisk tröskelspårning av en stimulanslåst aktivitet. Till exempel kan detta lika gärna anpassas för optogenetisk stimulering med ljuspulser drivna från APTrack. Insticksprogrammet är öppen källkod och tillgängligt för forskare under en GPLv3-licens. Den är byggd på Open Ephys-plattformen, som är ett anpassningsbart, billigt datainsamlingssystem med öppen källkod. Insticksprogrammet ger ytterligare krokar för nedströms plugins för att extrahera åtgärdspotentialinformationen och tillhandahålla ytterligare användargränssnitt eller adaptativa paradigmer. Insticksprogrammet ger ett enkelt användargränssnitt för visualisering och latensspårning av åtgärdspotentialer i realtid. Det kan också spela upp tidigare data och visualisera dem med hjälp av det tidsmässiga rasterdiagrammet. Dessutom kan den också utföra latensspårning under uppspelning av tidigare data. Även om det finns andra programvarupaket tillgängliga för latensspårning i realtid, är de inte öppen källkod och kan inte utföra elektrisk tröskelspårning26,27. APTrack har en fördel jämfört med traditionella metoder för att identifiera åtgärdspotentialer med konstant latens från spänningsspår eftersom den använder ett tidsmässigt rasterdiagram för datavisualiseringen. Dessutom har våra erfarenheter av att använda den i experiment med låga signal-brusförhållanden indikerat att visualiseringsmetoden för temporala rasterdiagram möjliggör identifiering av åtgärdspotentialer med konstant latens som annars kan ha missats.
Tröskelspårning för hela nerven är en allmänt använd metod för att bedöma axonal excitabilitet13. Single-neuron elektrisk tröskelspårning i gnagare C-fibrer har tidigare använts för att kvantifiera nociceptor excitabilitet14, och dess användbarhet hos människor känns igen10,11; Men hittills var detta inte möjligt. Vi tillhandahåller ett nytt verktyg med öppen källkod för att direkt mäta excitabilitet för enstaka nociceptor i elektrofysiologiska studier på både gnagare och humana perifera nerver. APTrack möjliggör realtids, öppen källkod, elektrisk tröskelspårning av enstaka neuronåtgärdspotentialer hos människor, för första gången. Vi förväntar oss att det kommer att underlätta translationella studier av nociceptorer mellan gnagare och människor.

Nociceptorer är primära afferenta neuroner i det perifera nervsystemet som aktiveras av öppet eller potentiellt vävnadsskadande händelser och spelar en kritisk skyddande roll vid akut smärta1. Elektrofysiologiska inspelningar från C-fiber och Aδ-fiber nociceptorer i djurmodeller, friska frivilliga försökspersoner och patienter har avslöjat sensibilisering och onormal spontan aktivitet i ett brett spektrum av smärttillstånd 2,3,4,5,6,7. Att förstå mekanismerna som ligger till grund för dessa förändringar i nociceptor excitabilitet hos patienter kan möjliggöra riktade terapeutiska ingrepp8. Det finns emellertid få verktyg för att bedöma nociceptor excitabilitet direkt, särskilt hos patienter9, men potentialen för användbarheten av sådana verktyg är välkänd10,11.
Helnerv elektrisk tröskelspårning kan användas för att undersöka axonal excitabilitet hos människor12. Men eftersom stora, myeliniserade, perifera neuroner bidrar oproportionerligt till amplituden för den sensoriska sammansatta åtgärdspotentialen, tillåter inte helnervens elektriska tröskelspårning bedömningen av C-fiberfunktion11,13. Faktum är att i en tidigare studie visade helnervens elektriska tröskelspårning i kroniska neuropatiska smärtkohorter med diabetisk neuropati och kemoterapiinducerad polyneuropati inga skillnader i axonal excitabilitet11.
I en tidigare studie användes elektrisk tröskelspårning på singelneuronnivå för att undersöka excitabiliteten hos C-fibernociceptorer under retade fiberinspelningar i ett ex vivo råtthudnervpreparat14. Författarna visade att en ökad kaliumkoncentration, sura förhållanden och bradykinin alla ökade C-fiber nociceptor excitabilitet, vilket återspeglas av en minskad elektrisk tröskel för generering av åtgärdspotential. Dessutom minskade uppvärmningen av det receptiva fältet hos de värmekänsliga nociceptorerna deras elektriska tröskel, medan värmekänsliga nociceptorer uppvisade en ökning av deras elektriska tröskel14. Detta ger viktiga bevis på att elektrisk tröskelspårning med en neuron är möjlig och kan vara till nytta, men det finns för närvarande ingen programvara och / eller hårdvarulösningar tillgängliga för att möjliggöra sådana undersökningar, särskilt för mänskliga studier.
Hos människor är mikroneurografi den enda tillgängliga metoden för att direkt bedöma de elektrofysiologiska egenskaperna hos C-fibrer15. Detta tillvägagångssätt har använts för att visa nociceptordysfunktion hos patienter med kronisk smärta 2,3,4,5,6,7. Mikroneurografi kan detektera enstaka neuron åtgärdspotentialer; På grund av de låga signal-brusförhållandena använder forskare dock märkningstekniken för att karakterisera C-fiberaktivitet16. I märkningstekniken appliceras supratröskel elektrisk stimulering på C-fiberreceptiva fält i huden. Denna elektriska stimulering genererar en åtgärdspotential som uppstår vid en konstant latens, som bestäms av C-fiberns ledningshastighet. C-fibrer uppvisar aktivitetsberoende avmattning, varigenom deras ledningshastighet minskar och därför ökar deras ledningslatens under perioder av verkningspotentialurladdning 17. Under basala förhållanden genererar C-fibrer normalt inte åtgärdspotentialer i frånvaro av skadliga stimuli, och därför är deras ledningslatens som svar på lågfrekvent elektrisk stimulering konstant. Mekaniska, termiska eller farmakologiska stimuli, som framkallar avfyrning, inducerar aktivitetsberoende avmattning, vilket ökar latensen hos de aktionspotentialer som framkallas av samtidig lågfrekvent elektrisk stimulering. Detta möjliggör objektiv identifiering av svar på de applicerade icke-elektriska stimuli i samband med ett lågt signal-brusförhållande. Därför kan aktivitetsberoende bromsning användas för att funktionellt karakterisera C-fibrer16. Faktum är att olika funktionella klasser av C-fibrer uppvisar distinkta mönster av aktivitetsberoende avmattning i elektriska stimuleringsparadigmer som involverar att variera stimuleringsfrekvensen18,19. Denna variation i latensen för C-fiberåtgärdspotentialer utgör en utmaning för algoritmer som är utformade för att övervaka dem.
Pågående aktivitet i en nociceptor leder till ökad variation i dess latens under lågfrekvent elektrisk stimulering, och detta beror återigen på aktivitetsberoende avmattning. Denna ökade variabilitet, eller jitter, är ett kvantifierbart proxymått på excitabilitet2. Ytterligare orsaker till variabilitet i åtgärdspotentiallatens inkluderar flip-flop, där alternativa terminala grenar av en enda neuron stimuleras, vilket gör att den framkallade åtgärdspotentialen har två (eller flera) baslinjelatenser som är ömsesidigt uteslutande20. Slutligen orsakar förändringar i temperaturen hos en perifer neurons terminala grenar också förändringar i åtgärdspotentialen på ett termodynamiskt sätt, med uppvärmning som ökar ledningshastigheten och kylning saktar ledningshastigheten19. Således måste all programvara som försöker utföra sluten elektrisk tröskelspårning av nociceptiva C-fibrer möjliggöra förändringar i latens i elektriskt framkallade åtgärdspotentialer.
För att uppnå vårt mål om artöverskridande elektrisk tröskelspårning av C-fibernociceptorer utvecklade vi APTrack, ett plugin med öppen källkod för Open Eprys-plattformen21, för att möjliggöra realtidsspårning, sluten slinga, elektrisk tröskelspårning och latensspårning. Vi tillhandahåller proof-of-concept-data som visar att C-fiber nociceptor elektrisk tröskelspårning under mänsklig mikroneurografi är möjlig. Vidare visar vi att detta verktyg kan användas i gnagare ex vivo retad fiberelektrofysiologi, vilket möjliggör translationella studier mellan människor och gnagare. Här kommer vi att beskriva i detalj hur forskare kan implementera och använda detta verktyg för att underlätta deras studier av nociceptorfunktion och excitabilitet.

<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 är en klass av primära afferenta neuroner som signalerar potentiellt skadliga skadliga stimuli. En ökning av nociceptor excitabilitet uppträder vid akuta och kroniska smärttillstånd. Detta ger onormal pågående aktivitet eller minskade aktiveringströsklar till skadliga stimuli. Att identifiera orsaken till denna ökade excitabilitet krävs för utveckling och validering av mekanismbaserade behandlingar. Elektrisk tröskelspårning med en neuron kan kvantifiera nociceptorens excitabilitet. Därför har vi utvecklat en applikation för att tillåta sådana mätningar och demonstrera dess användning hos människor och gnagare. APTrack tillhandahåller datavisualisering i realtid och identifiering av åtgärdspotential med hjälp av ett tidsmässigt rasterdiagram. Algoritmer upptäcker åtgärdspotentialer genom tröskelkorsning och övervakar deras latens efter elektrisk stimulering. Plugin modulerar sedan den elektriska stimuleringsamplituden med hjälp av en upp-ner-metod för att uppskatta nociceptorernas elektriska tröskel. Programvaran byggdes på Open Eprys-systemet (V0.54) och kodades i C ++ med hjälp av JUCE-ramverket. Den körs på Windows, Linux och Mac operativsystem. Den öppna källkoden är tillgänglig (<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 elektrofysiologiska inspelningarna togs från nociceptorer i både ett mushudnervpreparat med användning av den retade fibermetoden i saphenous nerven och hos friska mänskliga frivilliga med mikroneurografi i den ytliga peronealnerven. Nociceptorer klassificerades av deras svar på termiska och mekaniska stimuli, liksom genom att övervaka den aktivitetsberoende avmattningen av ledningshastigheten. Programvaran underlättade experimentet genom att förenkla identifieringen av åtgärdspotentialen genom det tidsmässiga rasterdiagrammet. Vi demonstrerar realtids sluten slinga elektrisk tröskelspårning av single-neuron aktionspotentialer under in vivo human mikroneurografi, för första gången, och under ex vivo mus elektrofysiologiska inspelningar av C-fibrer och Aδ-fibrer. Vi etablerar principbevis genom att visa att den elektriska tröskeln för en mänsklig värmekänslig C-fibernociceptor reduceras genom uppvärmning av det receptiva fältet. Detta plugin möjliggör elektrisk tröskelspårning av enstaka neuronåtgärdspotentialer och möjliggör kvantifiering av förändringar i nociceptorens excitabilitet.

Ett representativt exempel på programvaran som arbetar för att styra ett experiment visas i figur 7. Den justerar iterativt stimuleringsamplituden med hjälp av en upp-ner-metod för att effektivt hitta den elektriska tröskeln för enstaka nociceptorer. För första gången demonstrerar vi genomförbarheten av realtids single-neuron elektrisk tröskelspårning hos människor under mikroneurografi (Figur 7A). Dessutom visar vi elektrisk tröskelspårning i en mus Aδ-fiber (figur 7B). Identifieringen av åtgärdspotentialer genom tröskelkorsning, som används här, är tillräcklig för att spåra elektriska trösklar över tiden. Vi rekommenderar att användare vidtar åtgärder för att minimera elektriskt brus under sina inspelningar, till exempel genom att använda en Faraday-bur och bandpassfilter för att förbättra signal-brusförhållandet.
För att visa att elektrisk tröskelspårning kan användas som ett mått på förändringar i nociceptorretbarhet hos människor utfördes spårning av den elektriska tröskeln under ett stegat uppvärmningsparadigm (figur 8). Att öka temperaturen på nociceptorterminalerna minskade den elektriska stimuleringsströmmen som krävs för att framkalla en åtgärdspotential, vilket återspeglar en ökning av nociceptorens excitabilitet (figur 8C). Detta orsakades sannolikt av generering av receptorpotentialer av de värmekänsliga jonkanalerna uttryckta i C-fibernociceptor14. Vid det högsta temperatursteget, 44 °C, framkallades termiskt framkallade åtgärdspotentialer (figur 8A, stimulusnummer 86-96). Detta medför en ökning av den elektriska tröskeln eftersom nociceptorn kan vara i eldfast tillstånd efter högfrekvent urladdning. Som förväntat minskade svarstiden för den spårade åtgärdspotentialen när temperaturen ökade. Detta tros inträffa på grund av en termodynamisk effekt på ledningsmaskineriet, vilket ökar ledningshastigheten hos C-fibern. Denna C-fiber kan också uppvisa flip-flop (figur 8B, stimulansnummer 47-54), vilket kan resultera i att följande elektriska stimulering felaktigt ökas i amplitud om åtgärdspotentialen faller utanför algoritmens sökfönster.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig01.jpg"> Figur 1: En schematisk bild av utrustningsinställningar och kabelanslutningar som krävs för nociceptors elektriska tröskelspårning med APTrack hos gnagare och människor. Observera de två olika metoderna för stimuleringsamplitudkontroller: en stegmotor för manuellt justerade stimulatorer i vår mänskliga inställning och en PulsePal för ingångsspänningsstyrda stimulatorer i vår gnagarinställning. (1) En PC (Windows, Mac eller Linux) som kör plugin-programmet för Open Ephus-plattformen. (2) En stegmotor som driver stimuleringsamplitudratten på DS7. (3) En konstantströmstimulator godkänd för användning hos människor; här använde vi en DS7. (4) En USB 3.0-optoisolator som isolerar den mänskliga deltagaren från datorn (tillval, krävs endast för mänsklig forskning). (5) En pulsePal V2-pulsgenerator, som genererar TTL-tidsstämplar (utgångskanal 2) och spänningssteg som motsvarar den begärda stimuleringsamplituden (utgångskanal 1). (6) En konstantströmstimulator för användning på djur. här använde vi en DS4. (7) En likströmsförsörjning för systemet (nätaggregat för likström som används för gnagarinstallationen och batteriets likströmsförsörjning som används för den mänskliga installationen). (8) En förvärvsnämnd. (9) Ett I / O-kort för att ansluta BNC-koaxialkablarna som bär signalerna som ska registreras, såsom termoelementutgångar och TTL-markörer. (10) Hudnervpreparatet på möss som genomgår elektrofysiologiska registreringar av nociceptor. (11) En mänsklig deltagare som genomgår mikroneurografiinspelning från C-fibrer i den ytliga peronealnerven. (12) En Intan RHD2216 headstage för förvärv och digitalisering av inspelningarna. (13) Ett Intan-elektrodadapterkort, som inspelningselektroderna är anslutna till och som gör att signalen kan överföras till RHD2216-scenen. (14) Ett termiskt stimuleringssystem som kan mata ut temperaturen via en BNC-koaxialanslutning. (15) En 3,3 V batteridriven knapp-/fotpedal som används för att markera mekaniska stimuleringshändelser och läkemedelstillämpningar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig01large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig02.jpg"> Figur 2: Mallsignalkedja. Den röda pilen pekar på knappen för att aktivera ADC-indata från I/O-kortet. Den gula pilen anger rullgardinsmenyn för att välja filformatet Open Eprys. Den gröna pilen visar knapparna Spela upp och Spela in. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig02large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig03.jpg"> Bild 3: Grafiskt användargränssnitt. GUI består av fyra huvudkomponenter. (1) Temporal Raster Plot panel (grön) för datavisualisering och inställningarna för att styra diagrammet. Ett konstant svarssvar som visar gradvis aktivitetsberoende avmattning indikeras av den gröna pilen. (2) Stimuleringskontrollpanel (gul) för inställning av stimuleringsamplitudparametrarna och laddning av stimuleringsparadigmskripten. (3) Multi-Unit Tracking Table (blå) för att lägga till åtgärdspotentialerna för spårning och aktivering av latens och elektrisk tröskelspårning. (4) Alternativmeny för att välja färgstilar och ingångskanal för data- och TTL-utlösare. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig03large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig04.jpg"> Figur 4: Underlättande av identifiering av åtgärdspotentialer med konstant latens genom datavisualisering i realtid på ett tidsrasterdiagram med APTrack. Detta är ett exempel med högt signal-brusförhållande. De data som presenteras i det temporala rasterdiagrammet är från en mänsklig C-fiberinspelning från den ytliga peroneala nerven under mikroneurografi. Voltage Trace är det oscilloskopliknande LFP Viewer-pluginet inom Open Ephys. APTrack-användargränssnittet är det grafiska användargränssnittet för plugin. Den spårade åtgärdspotentialen indikeras med gröna pilar och det cirkulära skjutreglaget på gränsen till det temporala rasterdiagrammet är för att styra sökrutans position där algoritmerna söker efter tröskelkorsningshändelser. Artefakten för elektrisk stimulering är markerad med blått på spänningsspåret. Stimuleringsamplituden för det analoga spänningskommandot indikeras i rött; Observera att detta kanske inte är detsamma som stimuleringsströmamplituden beroende på skalningsfaktorn inställd på stimulatorn. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig04large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig05.jpg"> Bild 5: Grafisk representation av latensspårningsalgoritmen. Enkelt uttryckt, om en åtgärdspotential detekteras genom tröskelkorsning, kommer sökrutan att justera sin position för att centrera sig vid tidpunkten för toppspänningen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig05large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig06.jpg"> Figur 6: Grafisk representation av algoritmen för elektrisk tröskelspårning. Enkelt uttryckt, om en åtgärdspotential detekteras genom tröskelkorsning, kommer stimuleringsamplituden att minskas med minskningshastigheten. Om ingen åtgärdspotential detekteras kommer stimuleringsamplituden att ökas med ökningshastigheten. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig06large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig07.jpg"> Figur 7: Automatiserad elektrisk tröskelspårning av åtgärdspotentialer med en neuron vid en stimuleringsfrekvens på 0,25 Hz . (A) Sekventiella spår av en mänsklig C-fiber av den ytliga peronealnerven under ett mikroneurografiexperiment. (B) Sekventiella spår av en mus Aδ-fiber av saphenous nerven under hud-nervberedning retade fiberelektrofysiologi. Spåren färgades röda när en åtgärdspotential identifierades, vilket resulterade i en minskning av stimulansamplituden. Mjukvarualgoritmen finner effektivt den stimulansamplitud som krävs för en 50% sannolikhet för avfyrning. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig07large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig08.jpg"> Figur 8: Elektrisk tröskelspårning vid en stimuleringsfrekvens på 0,25 Hz under termisk stimulering av en human C-fibernociceptor. Y-axeln kodar stimuleringsnumret från paradigmets början. (A) Spänningsspår för 4 000 ms efter elektrisk stimulering, med tröskelkorsningshändelser markerade med rött. (B) Spänningsspår från A inzoomat runt den spårade åtgärdspotentialen. Spåren färgades röda när den spårade åtgärdspotentialen upptäcktes. Den vertikala blå linjen är baslinjefördröjningen för den spårade enheten. (C) Stimuleringsström som styrs av APTrack. Den vertikala blå linjen är baslinjens elektriska tröskel. (D) Receptivt fält TCS-II termisk stimulerande sondtemperatur. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig08large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Förening</td>
			<td>Koncentration</td>
		</tr><tr><td>NaCl</td>
			<td>107,8 mM</td>
		</tr><tr><td>NaHCO3 Annonser</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>Sackaros</td>
			<td>7,6 mM</td>
		</tr><tr><td>Glukos</td>
			<td>5,55 mM</td>
		</tr></tbody></table>Tabell 1: Innehåll i den syntetiska interstitiella vätskan för musens hudnervpreparat23.

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 är ett mjukvaruplugin utvecklat för Open Ephus-plattformen som möjliggör datavisualisering i realtid och sluten elektrisk tröskelspårning av neuronala åtgärdspotentialer. Vi har framgångsrikt använt detta i mikroneurografi för humana C-fibernociceptorer och mus-C-fiber- och Aδ-fibernociceptorer.

Öppen källkod i realtid sluten slinga elektrisk tröskelspårning för translationell smärtforskning

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

Detta verktyg kan användas för att undersöka olika mekanismer för nociceptorsensibilisering, och det är denna sensibilisering som kan driva vissa former av kronisk smärta. Automatiserad elektrisk tröskelspårning ger en pålitlig, online, realtidsmätning av nociceptor excitabilitet. Som sådan ger denna åtgärd en viktig translationell bro, vilket gör det möjligt att göra mätningar hos både människor och djur.På samma sätt kan effektiv patologi och behandlingar bedömas. I framtiden kan AP Track användas hos patienter med kronisk smärta för att bekräfta om ett terapeutiskt medel normaliserar excitabiliteten hos deras sensibiliserade nociceptorer. Detta skulle utgöra en avgörande biomarkör för effekt.Vi förväntar oss att vår verktygslåda med öppen källkod, AP Track, kommer att vara användbar för elektrofysiologer som studerar tidsloopstimuli av olika storlek. Vi tror till exempel att det kommer vara användbart för att studera optogenetik. Att hantera ett experiment och programvara samtidigt är utmanande till en början, så jag rekommenderar att användare laddar förinspelade data i AP Track för att bekanta sig med dess användning innan de försöker ett experiment.Vi har tillhandahållit demodata. Börja med att ansluta anskaffningskortet till datorn med den kabel som tillverkaren levererade och slå på dem. Anslut sedan IO-kortet till den analoga importen på anskaffningskortet och anslut ett Intan RHD Recording Headstage till anskaffningskortet med en kabel för Serial Peripheral Interface.Anslut sedan Pulse Pal till datorn. Dela signalen från Pulse Pal-utgångskanalen en med en BNC T-delare och anslut den sedan till konstantströmsstimulatorns ingång och IO-kortet så att det analoga spänningskommandot kan spelas in. Anslut Pulse Pal-utgångskanal två till IO-kortet för att spela in TTL-händelsemarkörerna för stimulering.För montering med en rattstyrd konstantströmstimulator, slå på en konstantströmstimulator och anslut stegmotorns styrkort till stegmotorn med hjälp av den medföljande kabeln och magnetfästet. Anslut styrkortet direkt till datorn med en vanlig USB-A till USB micro B-kabel. Anslut styrkortet och stegmotorn till ett anpassat monteringsfäste och ställ in stimuleringsamplitudratten på konstantströmsstimulatorn till noll milliampere.Anslut sedan en anpassad fatadapter till stegmotorröret. Fäst stegmotorn och den anpassade monteringsapparaten på stimuleringsamplitudratten på konstantströmsstimulatorn med hjälp av fatadaptern och slå på den. Öppna AP Track GUI och upprätta en stabil elektromagnetisk inspelning av perifer nerv.Identifiera det receptiva fältet på huden och placera den stimulerande elektroden där. I menyn Alternativ väljer du Utlösarkanal och väljer den ADC-kanal som innehåller TTL-markören för elektrisk stimulering från Pulse Pal-utgångskanal två. Välj sedan datakanalen och välj den kanal som innehåller elektrofysiologiska data.Klicka på Anslut för att ansluta AP Track till Pulse Pal och stegmotorapparaten. Det kan ta en stund. När den är ansluten kommer stegmotorns styrkort att ställa in sig i läge noll.I stimuleringskontrollpanelen definierar du initiala minsta och maximala stimuleringsamplituder med skjutreglaget. Se till att den aktuella stimuleringen är inställd över noll så att TTL-markörer genereras. Klicka på F för att ladda en fil som innehåller stimuleringsinstruktionerna och klicka sedan på högerpilen för att starta det laddade stimuleringsparadigmet.Det temporala rasterdiagrammet börjar uppdateras med svaret på elektrisk stimulering, där varje nytt stimuleringssvar visas som en ny kolumn till höger. För att framgångsrikt identifiera de enskilda neuronåtgärdspotentialerna, gå till panelen temporal rasterplot och justera tröskelvärdena för låg, detektering och hög bild. Med lämpliga bildtrösklar inställda kodas tröskelkorsningshändelserna som detekteras av algoritmerna i grönt.Flytta systematiskt den stimulerande elektroden runt hudområdet som innerveras av nerven. Övervaka temporalrasterdiagrammet för tre tröskelkorsningshändelser som visas i rad med samma latens medan elektroden är i samma stimuleringsläge. Detta indikerar identifieringen av en konstant latens perifer neuronåtgärdspotential.När du har identifierat den enskilda neuronåtgärdspotentialen i det temporala rasterdiagrammet flyttar du det grå linjära skjutreglaget till höger om diagrammet för att justera sökrutans position. Justera sedan sökrutan med vridreglaget till lämplig bredd. Gör sökrutans bredd smal.För att börja spåra den riktade åtgärdspotentialen, klicka på plustecknet under spårningstabellen för flera enheter. En ny rad läggs till i tabellen som innehåller information om målåtgärdspotentialen, inklusive latensplatsen, procentandelen som avfyras över två till 10 stimuli och den upptäckta toppamplituden. Latensspårningsalgoritmen körs automatiskt på den vid varje efterföljande elektrisk stimulering.Markera rutan spårspik i tabellen för att flytta sökrutan till lämplig position för den specifika åtgärdspotentialen. Beräkna ledningshastigheten hos den perifera neuronen genom att dividera avståndet mellan stimulerings- och inspelningsställena med latensen som visas i tabellen. För att utföra den elektriska tröskelspårningen, justera öknings- och minskningshastigheterna i stimuleringskontrollpanelen till önskad hastighet.Håll dessa värden lika. Se till att stimuleringsfrekvensen är inställd på en lämplig hastighet, vanligtvis 0,25 till 0,5 Hertz. Justera stimuleringsamplituden manuellt ungefär till neuronens elektriska tröskel.Markera sedan rutan spårtröskel i spårningstabellen med flera enheter, som initierar den elektriska tröskelspårningsalgoritmen. I spårningstabellen med flera enheter övervakar du avfyrningshastigheten. En eldningshastighet på 50%indikerar att den ungefärliga elektriska tröskeln har fastställts och tröskelvärdet kommer att uppdateras.Slutligen, applicera en experimentell manipulation på det receptiva fältet och fortsätt spåra den elektriska tröskeln. Detta kommer att kvantifiera förändringar i perifer neuron excitabilitet. De sekventiella spåren av en mänsklig C-fiber av den ytliga fleråriga nerven under ett mikroneurografiexperiment och de sekventiella spåren av en mus A-delta-fiber av den saphenösa nerven under hudnervberedning, retad fiberelektrofysiologi visas i denna figur.Spåren färgades röda när en åtgärdspotential identifierades, vilket resulterade i en minskning av stimulansamplituden. Programvarualgoritmen hittar effektivt den stimulansamplitud som krävs för en 50% sannolikhet för avfyrning. Den elektriska tröskelspårningen vid en stimuleringsfrekvens på 0,25 Hertz under termisk stimulering av en human C-fibernociceptor presenteras i denna figur.Y-axeln kodar stimuleringsnumret från paradigmets början. Spänningsspåren i 4 000 millisekunder efter den elektriska stimuleringen med tröskelkorsningshändelserna är markerade med rött. Spänningsspåret som zoomas in runt den spårade åtgärdspotentialen visas här.Den vertikala blå linjen är baslinjefördröjningen för den spårade enheten. Stimuleringsströmmen som styrs av AP Track visas i denna figur. Den vertikala blå linjen är baslinjens elektriska tröskel.Här presenteras det receptiva fältet TCS-II termisk stimulerande sondtemperatur. När det receptiva fältet för denna värmekänsliga C-fiber värms upp av den termiska stimulatorn minskar den elektriska tröskeln. Det är viktigt att välja lämpliga värden för sökrutans bredd och detektionströskel, eftersom de avsevärt förbättrar AP Tracks prestanda genom att minska påverkan av elektriskt brus.Kvantifiering av effekterna av terapeutiska medel på hyperexcitabilitet hos nociceptorer kan hjälpa oss att bättre förstå mekanismerna bakom kronisk smärta. Vi hoppas att andra forskare kommer att använda detta fritt tillgängliga verktyg för att bättre förstå nociceptiv biologi och de förändringar som inträffade under nociceptorsensibilisering.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

En experimentell plattform för att studera Slutna Utförande av Brain-machine interface

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

Inspelning mänskliga Electrocorticographic (ECOG) signaler för neurovetenskaplig forskning och Real-time Funktionell 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

Att bygga en öppen källkod 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

Realtidselektro: Använda Closed-loop protokollen till Probe neurala Dynamics and Beyond

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

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

Slutna Neuro-robot experiment för att testa Computational Egenskaper för neurala nätverk

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

Ett protokoll för den Administration av Real-Time fMRI Neurofeedback träning

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

Realtid videoprojektion i en MRI för karaktärisering av neurala korrelat samband med spegel terapi för fantomsmärta

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

Använda neuron Tillspikning aktivitet för att utlösa slutna kretsar stimuli i neurofysiologiska experiment

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

Realtids fMRI-hjärnkartläggning hos djur

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

Konventionella och tröskelspårning transkraniella magnetiska stimuleringstester för enhandsdrift

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