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

Fon sağlayıcılarımıza destekleri için teşekkür ederiz: Tıp Bilimleri Akademisi (J.P.D., A.E.P.), Versus Arthritis (J.P.D., A.E.P.), Jean Golding Enstitüsü Seedcorn Grant (J.P.D., A.E.P., G.W., A.C.S., M.M.P.) ve Biyoteknoloji ve Biyolojik Bilimler Araştırma Konseyi işbirlikçi eğitim ortaklığı Eli Lilly (G.W.T.N.) ile doktora öğrenciliği. APTrack'in geliştirilmesine katkıda bulunan tüm katılımcılara teşekkürlerimizi sunarız. Ayrıca mikronörografi deneylerine katılan gönüllülerimize ve Hasta ve Halkın Katılımı ve Katılımı işbirlikçilerimize paha biçilmez katkılarından dolayı teşekkür ederiz.

<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., Bristol Üniversitesi ve Eli Lilly and Company (BB / T508342/1) ile BBSRC İşbirlikçi Eğitim Ortaklığı Doktora Öğrencisidir. A.P.N., Eli Lilly and Company'nin şu anki çalışanıdır ve bu şirkette hisse sahibi olabilir.

APTrack, Open Ephys platformuyla kullanım için bir yazılım eklentisidir. Bu platformu açık kaynaklı, esnek ve uygulanması ucuz olduğu için seçtik. Sabit akım stimülatörünün maliyeti dahil değil, eklentiyi kullanmaya başlamak için gereken tüm ekipman, yazma sırasında yaklaşık 5.000 ABD Doları karşılığında satın alınabilir. Bunun, araştırmacıların periferik sinir elektrofizyolojisi çalışmalarında APTrack'i daha kolay uygulamalarını sağlayacağını umuyoruz. Ayrıca, araştırmacılar yazılımı deneysel ihtiyaçlarına uyacak şekilde serbestçe değiştirebilirler. Önemli olarak, bu araç, insanlarda ilk kez tek C-fiber nosiseptörlerin elektriksel eşik takibine izin vermiştir.
Sinyal-gürültü oranı ne kadar yüksek olursa, algoritmalar aksiyon potansiyellerini o kadar iyi tanımlayabilir. Mikronörografi sırasındaki sinyal-gürültü oranı, kayıtlarımızın çoğunda yeterliydi, ancak kullanıcılar zaman içinde sinyal bozulması riskine karşı uyanık olmalıdır. Bu, daha uzun deneysel protokoller için özellikle önemlidir, çünkü izlenen aksiyon potansiyelinin genliği tespit eşiğinin altına düşerse, stimülasyon genliği yanlışlıkla artacaktır; Bu, deneycilerin eklentiyi izlemesi ve ardından gerekirse ayarları değiştirmesiyle azaltılabilir. Sinyal-gürültü oranı, bandpass filtreleme ile iyileştirilmiştir, ancak daha büyük geçici olanlar, arama kutusu zaman penceresinde gelmeleri durumunda eylem potansiyeli olarak yanlış tanımlanabilir. Geçici gürültüyü bir eylem potansiyeli olarak yanlış tanımlama riski, eklentinin eylem potansiyellerini aradığı zaman penceresini daraltarak ve eşik ayarlarını optimize ederek azaltılabilir. Bununla birlikte, eklentinin performansını engelleyen hala karşılaşılabilecek durumlar vardır. Spontan aktivite, daha büyük genlikli aksiyon potansiyelleri algoritmanın arama kutusu penceresine düşerse, hedef eylem potansiyeli olarak yanlış tanımlanacakları için zorluklara neden olabilir. Ek olarak, ilgilenilen nörondaki spontan aktivite, elektriksel stimülasyonun refrakter döneminde düştüğü ve bir aksiyon potansiyeli üretememesine neden olduğu anlamına gelebilir. Yazılımı kullanmadaki zorluklar, birincil afferent nöronlar flip-flop sergilediğinde de ortaya çıkabilir, böylece tek bir nöronun alternatif terminal dalları uyarılır, böylece uyandırılan eylem potansiyelinin karşılıklı olarak dışlayan iki (veya daha fazla) temel gecikme süresine sahip olmasına neden olur20. Yüksek sinyal-gürültü oranlarına sahip parmak arası terlik sergileyen nöronlardan yapılan kayıtlar sırasında, nöronun sergilediği tüm potansiyel iletim hızlarını kapsüllemek için arama kutusu genişliğini artırarak gecikme ve elektriksel eşik izlemeyi başarıyla gerçekleştirdik. Bununla birlikte, elektriksel eşik, uyarılan nöronun terminal dalına bağlı olarak değişebilir, bu da kısmen elektriksel stimülasyon bölgesinden alternatif nosiseptör terminallerine olan mesafedeki farklılıklardan kaynaklanmaktadır. Örneğin, şablon eşleştirmeyi içerecek eylem potansiyeli tanımlama süreci üzerinde ek çalışmalar yapılabilir ve bu yazılıma entegre edilebilir. Bant durdurma veya uyarlanabilir gürültü filtreleme için GUI eklentileri, geliştirilmeleri durumunda sinyal zincirindeki APTrack'in yukarı yönünde de kullanılabilir.
Zamanın %50'sinde, kullanıcı tarafından tanımlanan elektriksel uyaran sayısında, tipik olarak 2-10 arasında bir aksiyon potansiyeli ortaya çıkarmak için gereken akım olarak belirlenen elektrik eşiğini dikkate alıyoruz. Elektriksel stimülasyonun morfolojisi 0.5 ms ve pozitif, kare dalga darbeleridir. Bu, nöronal uyarılabilirliğin yaygın olarak kullanılan bir ölçüsü olan reobazın belirlenmesiyle aynı şey değildir. Eklenti, reobase'i belirlemek için uyarlanabilir. Bununla birlikte, daha basit bir önlem aldık, çünkü ısıtma sırasında meydana geldiği varsayılanlar gibi uyarılabilirlikteki dinamik değişikliklerin, reobaz değişiklikleriyle ölçülmesi, elektrik eşiği tahminimizden daha zor olurdu.
Bu yazılım hem insan hem de kemirgen deneylerinde kullanılabilir. Bu, elektriksel stimülasyon sistemleri için esnek destek ile mümkün olmaktadır. Yazılım, analog komut voltajını kabul eden veya bir step motorla manuel olarak arayüzlenebilen herhangi bir uyarıcı ile çalışacaktır. Mikronörografi için, insan araştırmalarında kullanılmak üzere tasarlanmış ve stimülasyonu bir kadran tarafından kontrol edilen CE işaretli bir sabit akım uyarıcısı ile kullandık. Analog voltaj komutlarını kabul eden uyarıcılar, uyaranlar arasındaki devrenin bağlantısını kesmedikleri için gürültülü olabilir, yani analog girişteki herhangi bir 50/60 Hz hum veya gürültü kayda iletilir. Devreyi bağlamak için ek bir TLL tetikleme sinyali gerektiren ve analog voltaj girişine benzer bir akımda bir uyaranın üretilmesine izin veren bir uyarıcı, eklenti ile kullanım için idealdir. Bu, gürültünün uyaranlar arasındaki kayda iletilmesini önler.
Yazılım, elektrik eşiğini tahmin etmek için basit bir yukarı-aşağı yöntem kullanır. Bu, onlarca yıldır psikofizik testlerinde kullanılmaktadır25. Yukarı-aşağı yöntemine uygun olarak, stimülasyon genliğini modüle etmek için elektriksel eşik izleme algoritması, bir sonraki stimülasyonun genliğini hesaplarken yalnızca önceki stimülasyonun genliğini ve tepkisini dikkate alır. Bu, stimülasyon genliğinin gerçek elektriksel eşiğin etrafında salınacağı ve böylece eşiğin sabit olduğu varsayılarak% 50'lik bir ateşleme hızı üreteceği anlamına gelir. Bir artış veya azalmanın minimum boyutu 0,01 V'dir; bu, uyarıcının 1 V: 1 mA giriş-çıkış oranına ve bu küçük adım değişikliklerini elde etmek için yeterli çözünürlüğe sahip olduğunu varsayarsak, 0,01 mA'ya eşdeğerdir. Eklenti, hedef eylem potansiyelinin elektriksel eşiğinin canlı tahminini, kullanıcı tarafından tanımlanan önceki uyaran sayısına (2-10) göre% 50'lik bir ateşleme oranına her ulaştığında güncelleyecektir. Post hoc, elektrik eşiğini tahmin etmek için son 2-10 uyaran üzerindeki stimülasyon genliğinin yuvarlanan ortalamasını kullanmanızı öneririz ve bu tahminin yalnızca ateşleme oranı% 50'de nispeten kararlı olduğunda doğru olacağı belirtilmelidir. Elektrik eşiğinin hem canlı hem de post hoc tahminlerinde, dikkate alınması gereken bir çözünürlük, güvenilirlik ve zaman dengesi vardır. Daha küçük artış ve azaltma adımlarının kullanılması, elektrik eşiği tahmininin doğruluğunu artıracak, ancak başlangıçta ve pertürbasyondan sonra yeni elektrik eşiğini bulmak için geçen süreyi artıracaktır. Elektrik eşiğini daha fazla sayıda önceki uyaran üzerinden hesaplamak daha iyi güvenilirlik sağlayacaktır, ancak doğru bir tahmine ulaşmak için gereken süreyi artıracaktır.
APTrack, periferik sinir kayıtlarında, özellikle de aksiyon potansiyeli gecikmesinin altta yatan nöronal aktiviteye bağlı olarak değişebileceği dönemlerde deneysel ve patolojik pertürbasyonlar sırasında C-liflerinin elektriksel eşiklerini izlemek için tasarlanmıştır. Bu yöntem, sağlıklı gönüllülerde ve hastalarda sadece aksonal uyarılabilirliğin değil, aynı zamanda nosiseptör jeneratör potansiyellerinin de incelenmesini sağlayacaktır. Elektrofizyolojinin diğer alanlarının, uyaran kilitli bir aktivitenin elektriksel eşik takibini gerektiren herhangi bir deneyde kullanılmak üzere bu aracı benimseyebileceğini ve uyarlayabileceğini tahmin ediyoruz. Örneğin, bu, APTrack'ten tahrik edilen ışık darbeleriyle optogenetik stimülasyon için kolayca uyarlanabilir. Eklenti açık kaynaklıdır ve GPLv3 lisansı altında araştırmacılar tarafından kullanılabilir. Uyarlanabilir, düşük maliyetli, açık kaynaklı bir veri toplama sistemi olan Open Ephys platformu üzerine kurulmuştur. Eklenti, eylem potansiyeli bilgilerini çıkarmak ve ek kullanıcı arayüzleri veya uyarlanabilir paradigmalar sağlamak için aşağı akış eklentileri için ek kancalar sağlar. Eklenti, eylem potansiyellerinin gerçek zamanlı olarak görselleştirilmesi ve gecikme süresi takibi için basit bir kullanıcı arayüzü sağlar. Ayrıca önceki verileri oynatabilir ve zamansal raster grafiğini kullanarak bunları görselleştirebilir. Ayrıca, önceki verilerin oynatılması sırasında gecikme izlemeyi de gerçekleştirebilir. Gerçek zamanlı gecikme takibi için başka yazılım paketleri mevcut olsa da, açık kaynaklı değildir ve elektrik eşiği izleme26,27 gerçekleştiremezler. APTrack, veri görselleştirme için zamansal bir raster grafiği kullandığından, voltaj izlerinden sabit gecikmeli aksiyon potansiyellerini tanımlamaya yönelik geleneksel yöntemlere göre bir avantaja sahiptir. Ayrıca, düşük sinyal-gürültü oranlarına sahip deneylerde kullanma deneyimlerimiz, zamansal raster arsa görselleştirme yönteminin, aksi takdirde kaçırılmış olabilecek sabit gecikmeli eylem potansiyellerinin tanımlanmasına izin verdiğini göstermiştir.
Tüm sinir eşiği izleme, aksonal uyarılabilirliği değerlendirmek için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir13. Kemirgen C-liflerinde tek nöron elektriksel eşik takibi daha önce nosiseptör uyarılabilirliğini ölçmek için kullanılmıştır14 ve insanlardaki faydası10,11; Ancak, şimdiye kadar, bu mümkün değildi. Hem kemirgen hem de insan periferik sinir elektrofizyolojik çalışmalarında tek nosiseptör uyarılabilirliğini doğrudan ölçmek için yeni, açık kaynaklı bir araç sunuyoruz. APTrack, ilk kez insanlarda tek nöron aksiyon potansiyellerinin gerçek zamanlı, açık kaynaklı, elektriksel eşik takibini mümkün kılar. Kemirgenler ve insanlar arasındaki nosiseptörlerin translasyonel çalışmalarını kolaylaştıracağını tahmin ediyoruz.

Nosiseptörler, periferik sinir sisteminde, açıkça veya potansiyel olarak dokuya zarar veren olaylarla aktive olan ve akut ağrıda kritik bir koruyucu rol oynayan birincil afferent nöronlardır1. Hayvan modellerinde, sağlıklı insan gönüllülerde ve hastalarda C-fiber ve Aδ-fiber nosiseptörlerinden elde edilen elektrofizyolojik kayıtlar, çeşitli ağrı koşullarında duyarlılık ve anormal spontan aktivite ortaya koymuştur 2,3,4,5,6,7. Hastalarda nosiseptör uyarılabilirliğindeki bu değişikliklerin altında yatan mekanizmaların anlaşılması, hedefe yönelik terapötik müdahaleleri mümkün kılabilir8. Bununla birlikte, özellikle hastalarda nosiseptör uyarılabilirliğini doğrudan değerlendirmek için çok az araç vardır9, ancak bu tür araçların yararlılığı için potansiyel iyi bilinmektedir10,11.
Tüm sinir elektriksel eşik izleme, insanlarda aksonal uyarılabilirliği incelemek için kullanılabilir12. Bununla birlikte, büyük, miyelinli, periferik nöronlar, duyusal bileşik aksiyon potansiyelinin genliğine orantısız bir şekilde katkıda bulunduğundan, tüm sinir elektriksel eşik izleme, C-lifi fonksiyonunun değerlendirilmesine izin vermez11,13. Gerçekten de, önceki bir çalışmada, diyabetik nöropati ve kemoterapiye bağlı polinöropatili kronik nöropatik ağrı kohortlarında tüm sinir elektriksel eşik takibi, aksonal uyarılabilirlikte hiçbir fark göstermemiştir11.
Önceki bir çalışmada, tek nöron seviyesinde elektriksel eşik izleme, bir ex vivo sıçan deri-sinir preparasyonunda alay edilen fiber kayıtları sırasında C-fiber nosiseptörlerinin uyarılabilirliğini incelemek için kullanılmıştır14. Yazarlar, artmış potasyum konsantrasyonunun, asidik koşulların ve bradikinin, aksiyon potansiyeli üretimi için azaltılmış bir elektrik eşiği ile yansıtıldığı gibi, C-lifi nosiseptör uyarılabilirliğini arttırdığını göstermiştir. Ayrıca, ısıya duyarlı nosiseptörlerin alıcı alanını ısıtmak elektriksel eşiklerini düşürürken, ısıya duyarlı olmayan nosiseptörler elektriksel eşiklerinde bir artış sergilemiştir14. Bu, tek nöronlu elektriksel eşik izlemenin mümkün olduğuna ve faydalı olabileceğine dair önemli kanıtlar sağlar, ancak şu anda özellikle insan çalışmaları için bu tür araştırmaları mümkün kılacak hiçbir yazılım ve / veya donanım çözümü bulunmamaktadır.
İnsanlarda, mikronörografi, C-liflerinin elektrofizyolojik özelliklerini doğrudan değerlendirmek için mevcut tek yöntemdir15. Bu yaklaşım, kronik ağrılı hastalarda nosiseptör disfonksiyonunu göstermek için kullanılmıştır 2,3,4,5,6,7. Mikronörografi, tek nöron aksiyon potansiyellerini tespit edebilir; Bununla birlikte, düşük sinyal-gürültü oranları nedeniyle, araştırmacılar C-fiber aktivitesini karakterize etmek için işaretleme tekniğini kullanırlar16. İşaretleme tekniğinde, derideki C-lifi alıcı alanlara eşik üstü elektriksel stimülasyon uygulanır. Bu elektriksel stimülasyon, C-fiberin iletim hızı tarafından belirlenen sabit bir gecikme süresinde meydana gelen bir aksiyon potansiyeli üretir. C-lifleri aktiviteye bağlı yavaşlama sergiler, bu sayede iletim hızları azalır ve bu nedenle etki potansiyeli deşarjı dönemlerinde iletim gecikmeleri artar17. Bazal koşullar altında, C-lifleri normalde zararlı uyaranların yokluğunda aksiyon potansiyelleri üretmezler ve bu nedenle, düşük frekanslı elektriksel stimülasyona yanıt olarak iletim gecikmeleri sabittir. Ateşlemeyi uyandıran mekanik, termal veya farmakolojik uyaranlar, aktiviteye bağlı yavaşlamaya neden olur, bu da eşzamanlı düşük frekanslı elektriksel stimülasyonun uyandırdığı aksiyon potansiyellerinin gecikmesini arttırır. Bu, düşük sinyal-gürültü oranı bağlamında uygulanan elektriksel olmayan uyaranlara verilen tepkilerin objektif olarak tanımlanmasını sağlar. Bu nedenle, aktiviteye bağlı yavaşlama, C-liflerini işlevsel olarak karakterize etmek için kullanılabilir16. Gerçekten de, C-liflerinin farklı fonksiyonel sınıfları, stimülasyon frekansını18,19 değiştirmeyi içeren elektriksel stimülasyon paradigmalarında aktiviteye bağlı yavaşlamanın ayırt edici modellerini sergiler. C-fiber aksiyon potansiyellerinin gecikmesindeki bu değişkenlik, onları izlemek için tasarlanmış algoritmalar için bir zorluk teşkil etmektedir.
Bir nosiseptörde devam eden aktivite, düşük frekanslı elektriksel stimülasyon sırasında gecikmesinde artan değişkenliğe yol açar ve bu yine aktiviteye bağlı yavaşlamadan kaynaklanmaktadır. Bu artan değişkenlik veya titreme, uyarılabilirlik2'nin ölçülebilir bir proxy ölçüsüdür. Aksiyon potansiyel gecikmesindeki değişkenliğin diğer nedenleri, tek bir nöronun alternatif terminal dallarının uyarıldığı flip-flop'u içerir, bu da uyandırılan aksiyon potansiyelinin birbirini dışlayan iki (veya daha fazla) temel gecikmeye sahip olmasına neden olur20. Son olarak, bir periferik nöronun terminal dallarının sıcaklığındaki değişiklikler, termodinamik bir şekilde aksiyon potansiyeli gecikme değişikliklerine de neden olur; ısınma iletim hızını arttırır ve soğutma iletim hızını yavaşlatır19. Bu nedenle, nosiseptif C-liflerinin kapalı döngü elektriksel eşik izlemesini gerçekleştirmek isteyen herhangi bir yazılım, elektriksel olarak uyarılmış aksiyon potansiyellerinde gecikme süresinde değişikliklere izin vermelidir.
C-fiber nosiseptörlerin türler arası elektriksel eşik izleme hedefimize ulaşmak için, gerçek zamanlı, kapalı döngü, elektriksel eşik izleme ve gecikme takibini etkinleştirmek için Open Ephys platform21 için açık kaynaklı bir yazılım eklentisi olan APTrack'i geliştirdik. İnsan mikronörografisi sırasında C-fiber nosiseptör elektriksel eşik izlemenin mümkün olduğunu gösteren kavram kanıtı verileri sağlıyoruz. Ayrıca, bu aracın kemirgen ex vivo alaylı lif elektrofizyolojisinde kullanılabileceğini ve böylece insanlar ve kemirgenler arasında translasyonel çalışmalara olanak tanıdığını gösteriyoruz. Burada, araştırmacıların nosiseptör fonksiyonu ve uyarılabilirlik çalışmalarına yardımcı olmak için bu aracı nasıl uygulayabileceklerini ve kullanabileceklerini ayrıntılı olarak açıklayacağız.

<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

Nosiseptörler, potansiyel olarak zararlı zararlı uyaranları işaret eden birincil afferent nöronların bir sınıfıdır. Nosiseptör uyarılabilirliğinde bir artış, akut ve kronik ağrı koşullarında meydana gelir. Bu, anormal devam eden aktivite üretir veya zararlı uyaranlara aktivasyon eşiklerini azaltır. Bu artmış uyarılabilirliğin nedeninin belirlenmesi, mekanizma bazlı tedavilerin geliştirilmesi ve doğrulanması için gereklidir. Tek nöronlu elektriksel eşik izleme, nosiseptör uyarılabilirliğini ölçebilir. Bu nedenle, bu tür ölçümlere izin vermek ve insanlarda ve kemirgenlerde kullanımını göstermek için bir uygulama geliştirdik. APTrack, zamansal raster grafiği kullanarak gerçek zamanlı veri görselleştirme ve eylem potansiyeli tanımlama sağlar. Algoritmalar, eşik geçişi yoluyla aksiyon potansiyellerini tespit eder ve elektriksel stimülasyondan sonra gecikmelerini izler. Eklenti daha sonra nosiseptörlerin elektriksel eşiğini tahmin etmek için yukarı-aşağı bir yöntem kullanarak elektriksel stimülasyon genliğini modüle eder. Yazılım, Open Ephys sistemi (V0.54) üzerine inşa edilmiş ve JUCE çerçevesi kullanılarak C ++ ile kodlanmıştır. Windows, Linux ve Mac işletim sistemlerinde çalışır. Açık kaynak kodu mevcuttur (<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>). Elektrofizyolojik kayıtlar, hem safen sinirde alay edilen lif yöntemi kullanılarak bir fare derisi-sinir preparatında hem de yüzeysel peroneal sinirde mikronörografi kullanan sağlıklı insan gönüllülerde nosiseptörlerden alındı. Nosiseptörler, termal ve mekanik uyaranlara verdikleri tepkilere göre ve iletim hızının aktiviteye bağlı yavaşlamasını izleyerek sınıflandırıldı. Yazılım, zamansal raster grafiği aracılığıyla eylem potansiyeli tanımlamasını basitleştirerek deneyi kolaylaştırdı. İn vivo insan mikronörografisi sırasında ve C-liflerinin ve Aδ-liflerinin ex vivo fare elektrofizyolojik kayıtları sırasında tek nöron aksiyon potansiyellerinin gerçek zamanlı kapalı döngü elektriksel eşik takibini gösteriyoruz. İnsan ısısına duyarlı bir C-fiber nosiseptörün elektriksel eşiğinin, alıcı alanın ısıtılmasıyla azaltıldığını göstererek ilke kanıtı oluşturuyoruz. Bu eklenti, tek nöron aksiyon potansiyellerinin elektriksel eşik takibini sağlar ve nosiseptör uyarılabilirliğindeki değişikliklerin nicelleştirilmesine izin verir.

Bir denemeyi kontrol etmek için çalışan yazılımın temsili bir örneği Şekil 7'de gösterilmiştir. Tek nosiseptörlerin elektriksel eşiğini etkili bir şekilde bulmak için yukarı-aşağı bir yöntem kullanarak stimülasyon genliğini yinelemeli olarak ayarlar. İlk kez, mikronörografi sırasında insanlarda gerçek zamanlı tek nöronlu elektriksel eşik takibinin fizibilitesini gösteriyoruz (Şekil 7A). Ek olarak, bir fare Aδ-fiberinde elektriksel eşik izlemeyi gösteriyoruz (Şekil 7B). Burada kullanıldığı gibi, eşik geçişi ile aksiyon potansiyellerinin tanımlanması, zaman içindeki elektriksel eşiklerin izlenmesi için yeterlidir. Kullanıcıların, sinyaller-gürültü oranını iyileştirmek için bir Faraday kafesi ve bandpass filtreleri kullanmak gibi kayıtları sırasında elektriksel gürültüyü en aza indirecek adımlar atmalarını öneririz.
Elektriksel eşik izlemenin insanlarda nosiseptör uyarılabilirliğindeki değişikliklerin bir ölçüsü olarak kullanılabileceğini göstermek için, kademeli bir ısıtma paradigması sırasında elektriksel eşiğin izlenmesi gerçekleştirilmiştir (Şekil 8). Nosiseptör terminallerinin sıcaklığının arttırılması, bir aksiyon potansiyeli ortaya çıkarmak için gereken elektriksel stimülasyon akımını azalttı ve nosiseptör uyarılabilirliğindeki artışı yansıttı (Şekil 8C). Bu muhtemelen C-fiber nosiseptör14'te ifade edilen ısıya duyarlı iyon kanalları tarafından reseptör potansiyellerinin üretilmesinden kaynaklanmıştır. En yüksek sıcaklık basamağı olan 44 °C'de, termal olarak uyarılmış aksiyon potansiyelleri ortaya çıkmıştır (Şekil 8A, uyaran numarası 86-96). Bu, nosiseptör yüksek frekanslı deşarjı takiben refrakter bir durumda olabileceğinden, elektriksel eşikte bir artışa neden olur. Beklendiği gibi, sıcaklık arttıkça izlenen eylem potansiyelinin gecikmesi azaldı. Bunun, C-fiberinin iletim hızını artıran iletim makinesi üzerindeki termodinamik bir etki nedeniyle meydana geldiği düşünülmektedir. Bu C-fiber aynı zamanda parmak arası terlik de sergiliyor olabilir (Şekil 8B, uyaran numarası 47-54), bu da aksiyon potansiyeli algoritma arama penceresinin dışına düşerse, aşağıdaki elektriksel stimülasyonun yanlışlıkla genlikte artmasına neden olabilir.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig01.jpg"> Şekil 1: Kemirgenlerde ve insanlarda APTrack ile nosiseptör elektriksel eşik takibi için gerekli ekipman kurulumunun ve kablo bağlantılarının bir şeması. İki farklı stimülasyon genlik kontrolü yöntemine dikkat edin: insan kurulumumuzda manuel olarak ayarlanan uyarıcılar için bir step motor ve kemirgen kurulumumuzda giriş voltajı kontrollü uyarıcılar için bir PulsePal. (1) Open Ephys platformu için eklentiyi çalıştıran bir PC (Windows, Mac veya Linux). (2) DS7 üzerindeki stimülasyon genliği kadranını çalıştıran bir step motor. (3) İnsanlarda kullanım için onaylanmış sabit akım uyarıcısı; burada bir DS7 kullandık. (4) İnsan katılımcıyı PC'den izole eden bir USB 3.0 optoizolatör (isteğe bağlı, yalnızca insan araştırmaları için gereklidir). (5) TTL zaman damgaları (çıkış kanalı 2) ve istenen stimülasyon genliğine (çıkış kanalı 1) karşılık gelen voltaj adımları üreten bir PulsePal V2 Darbe Jeneratörü. (6) Hayvanlarda kullanılmak üzere sabit akım uyarıcısı; burada bir DS4 kullandık. (7) Sistem için bir DC güç kaynağı (kemirgen kurulumu için kullanılan şebeke DC güç kaynağı ve insan kurulumu için kullanılan pil DC güç kaynağı). (8) Bir satın alma kurulu. (9) Termokupl çıkışları ve TTL işaretleyicileri gibi kaydedilecek sinyalleri taşıyan BNC koaksiyel kablolarını bağlamak için bir I/O kartı. (10) Nosiseptör elektrofizyolojik kayıtlara tabi tutulan fare deri-sinir preparatı. (11) Yüzeysel peroneal sinirdeki C-liflerinden mikronörografi kaydı yapılan bir insan katılımcı. (12) Kayıtların elde edilmesi ve dijitalleştirilmesi için bir Intan RHD2216 headstage. (13) Kayıt elektrotlarının bağlı olduğu ve sinyalin RHD2216 headstage'e iletilmesini sağlayan bir Intan Elektrot Adaptör Kartı. (14) BNC koaksiyel bağlantı yoluyla sıcaklığı çıkarabilen bir termal stimülasyon sistemi. (15) Mekanik stimülasyon olaylarını ve ilaç uygulamalarını işaretlemek için kullanılan 3,3 V pille çalışan bir düğme / ayak pedalı. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig01large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig02.jpg"> Şekil 2: Şablon sinyal zinciri. Kırmızı ok, G/Ç kartından ADC girişini etkinleştirmek için düğmeyi işaret eder. Sarı ok, Open Ephys dosya formatını seçmek için açılan menüyü gösterir. Yeşil ok, Oynat ve Kaydet düğmelerini gösterir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig02large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig03.jpg"> Şekil 3: Grafik kullanıcı arayüzü. GUI dört ana bileşenden oluşur. (1) Veri görselleştirme ve grafiğin kontrolüyle ilişkili ayarlar için Zamansal Raster Grafiği paneli (yeşil). Etkinliğe bağlı kademeli yavaşlamayı gösteren sabit bir gecikme yanıtı yeşil okla gösterilir. (2) Stimülasyon genlik parametrelerini ayarlamak ve stimülasyon paradigması komut dosyalarını yüklemek için Stimülasyon Kontrol paneli (sarı). (3) Gecikme ve elektrik eşiği izlemeyi izlemek ve etkinleştirmek için eylem potansiyellerini eklemek için Çok Birimli İzleme Tablosu (mavi). (4) Veri ve TTL tetikleyicileri için renk stillerini ve giriş kanalını seçmek için Seçenekler Menüsü. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig03large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig04.jpg"> Şekil 4: APTrack kullanarak zamansal raster grafiği üzerinde gerçek zamanlı veri görselleştirme yoluyla sabit gecikmeli eylem potansiyellerinin tanımlanmasının kolaylaştırılması. Bu, yüksek sinyal-gürültü oranına sahip bir örnektir. Temporal raster grafiğinde sunulan veriler, mikronörografi sırasında yüzeysel peroneal sinirden bir insan C-lifi kaydından alınmıştır. Voltaj İzleme, Open Ephys içindeki osiloskop benzeri LFP Viewer eklentisidir. APTrack Kullanıcı Arabirimi, eklentinin grafik kullanıcı arabirimidir. İzlenen eylem potansiyeli yeşil oklarla gösterilir ve zamansal raster grafiğinin kenarındaki dairesel kaydırıcı, algoritmaların eşik geçiş olaylarını arayacağı arama kutusu konumunu kontrol etmek içindir. Elektriksel stimülasyon artefaktı, voltaj izi üzerinde mavi renkle işaretlenmiştir. Analog voltaj komutunun stimülasyon genliği kırmızı ile gösterilir; Bunun, stimülatörde ayarlanan ölçekleme faktörüne bağlı olarak stimülasyon akımı genliği ile aynı olmayabileceğini unutmayın. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig04large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig05.jpg"> Şekil 5: Gecikme izleme algoritmasının grafik gösterimi. Basit bir ifadeyle, eşik geçişi ile bir eylem potansiyeli tespit edilirse, arama kutusu konumunu tepe voltajı sırasında kendisini merkezleyecek şekilde ayarlayacaktır. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig05large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig06.jpg"> Şekil 6: Elektrik eşiği izleme algoritmasının grafiksel gösterimi. Basit bir ifadeyle, eşik geçişi ile bir aksiyon potansiyeli tespit edilirse, stimülasyon genliği azalma oranı ile azaltılacaktır. Herhangi bir aksiyon potansiyeli tespit edilmezse, stimülasyon genliği artış oranı ile artırılacaktır. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig06large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig07.jpg"> Şekil 7: 0.25 Hz stimülasyon frekansında tek nöron aksiyon potansiyellerinin otomatik elektriksel eşik takibi . (A) Bir mikronörografi deneyi sırasında yüzeysel peroneal sinirin bir insan C-lifinin sıralı izleri. (B) Bir farenin safen sinirinin Aδ-lifinin deri-sinir preparasyonu sırasında sıralı izleri, lif elektrofizyolojisi ile dalga geçmiştir. İzler, bir aksiyon potansiyeli tanımlandığında kırmızı renkteydi ve bu da uyaran genliğinde bir azalmaya neden oldu. Yazılım algoritması,% 50 ateşleme olasılığı için gereken uyaran genliğini etkili bir şekilde bulur. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig07large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64898/64898fig08.jpg"> Şekil 8: Bir insan C-fiber nosiseptörünün termal stimülasyonu sırasında 0.25 Hz stimülasyon frekansında elektriksel eşik izleme. Y ekseni, paradigmanın başlangıcından itibaren stimülasyon sayısını kodlar. (A) Elektriksel stimülasyonu takiben 4.000 ms boyunca gerilim izi, eşik geçiş olayları kırmızı ile işaretlenmiştir. (B) A'dan gelen voltaj izi, izlenen aksiyon potansiyelinin etrafına yakınlaştırılmıştır. İzlenen aksiyon potansiyeli tespit edildiğinde izler kırmızı renkteydi. Dikey mavi çizgi, izlenen birimin temel gecikme süresidir. (C) APTrack tarafından komuta edilen stimülasyon akımı. Dikey mavi çizgi, taban çizgisi elektrik eşiğidir. (D) Alıcı alan TCS-II termal uyarıcı prob sıcaklığı. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64898/64898fig08large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>Bileşik</td>
			<td>Konsantrasyon</td>
		</tr><tr><td>Arjantin</td>
			<td>107,8 milyon</td>
		</tr><tr><td>NaHCO3</td>
			<td>26,2 milyon</td>
		</tr><tr><td>Kartal</td>
			<td>3,5 milyon</td>
		</tr><tr><td>NaH2PO4</td>
			<td>1,67 milyon</td>
		</tr><tr><td>CaCl2</td>
			<td>1,53 milyon</td>
		</tr><tr><td>MgSO4</td>
			<td>0,69 milyon</td>
		</tr><tr><td>Sodyum Glukonat</td>
			<td>9,64 milyon</td>
		</tr><tr><td>Sakaroz</td>
			<td>7,6 milyon</td>
		</tr><tr><td>Glikoz</td>
			<td>5,55 milyon</td>
		</tr></tbody></table>Tablo 1: Fare derisi-sinir preparasyonu için sentetik interstisyel sıvının içeriği23.

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, gerçek zamanlı veri görselleştirme ve nöronal aksiyon potansiyellerinin kapalı döngü elektriksel eşik takibini sağlayan Open Ephys platformu için geliştirilmiş bir yazılım eklentisidir. Bunu mikronörografide insan C-fiber nosiseptörleri ve fare C-fiber ve Aδ-fiber nosiseptörleri için başarıyla kullandık.

Translasyonel ağrı araştırması için açık kaynaklı gerçek zamanlı kapalı döngü elektrik eşiği izleme

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

Bu araç, nosiseptör sensitizasyonunun farklı mekanizmalarını araştırmak için kullanılabilir ve bazı kronik ağrı formlarını tetikleyebilen bu duyarlılıktır. Otomatik elektrik eşiği izleme, nosiseptör uyarılabilirliğinin güvenilir, çevrimiçi, gerçek zamanlı bir ölçümünü sağlar. Bu nedenle, bu önlem hem insanlarda hem de hayvanlarda ölçümlerin yapılmasına izin veren önemli bir çeviri köprüsü sağlar.Aynı şekilde, etkili patoloji ve tedavilerin değerlendirilmesine izin vermek. Gelecekte, AP Track, kronik ağrı hastalarında, terapötik bir ajanın duyarlılaştırılmış nosiseptörlerinin uyarılabilirliğini normalleştirip normalleştirmediğini doğrulamak için kullanılabilir. Bu, etkinliğin çok önemli bir biyobelirtecini temsil edecektir.Açık kaynaklı araç setimiz AP Track'in, farklı büyüklüklerdeki zaman döngüsü uyaranlarını inceleyen elektrofizyologlar için yararlı olacağını tahmin ediyoruz. Örneğin, optogenetiği incelemek için de yararlı olacağını düşünüyoruz. Bir denemeyi ve yazılımı aynı anda yönetmek ilk başta zordur, bu nedenle kullanıcıların bir denemeyi denemeden önce kullanımını öğrenmek için önceden kaydedilmiş verileri AP Track'e yüklemelerini öneririm.Demo verileri sağladık. Başlamak için, üretici tarafından sağlanan kabloyu kullanarak edinme kartını bilgisayara bağlayın ve açın. Ardından, GÇ kartını edinme kartındaki analog içe aktarmaya bağlayın ve bir Seri Çevre Birimi Arabirimi kablosu kullanarak bir Intan RHD Kayıt Başlığını edinme kartına bağlayın.Ardından, Pulse Pal'ı bilgisayara bağlayın. Bir BNC T Ayırıcı kullanarak Pulse Pal çıkış kanalının sinyalini bir tane bölün ve ardından analog voltaj komutunun kaydedilebilmesi için sabit akım uyarıcı girişine ve IO kartına bağlayın. Stimülasyon TTL olay işaretçilerini kaydetmek için Pulse Pal çıkış kanalı ikisini IO kartına bağlayın.Kadran kontrollü bir sabit akım uyarıcısı ile montaj yapmak için, sabit akım uyarıcısını açın ve üretici tarafından sağlanan kabloyu ve manyetik montajı kullanarak step motor kontrol kartını step motora bağlayın. Herhangi bir standart USB-A - USB mikro B kablosunu kullanarak kontrol kartını doğrudan bilgisayara bağlayın. Kontrol kartını ve step motoru özel bir montaj braketine bağlayın ve sabit akım uyarıcısındaki stimülasyon genliği kadranını sıfır miliampere ayarlayın.Ardından, step motor namlusuna özel bir namlu adaptörü bağlayın. Step motoru ve özel montaj aparatını, namlu adaptörünü kullanarak sabit akım stimülatörü üzerindeki stimülasyon genliği kadranına takın ve açın. AP Track GUI'yi açın ve kararlı bir periferik sinir elektrofizyolojik kaydı oluşturun.Ciltteki alıcı alanı tanımlayın ve uyarıcı elektrodu oraya yerleştirin. Seçenekler menüsünde, Tetik Kanalı'nı seçin ve Pulse Pal çıkış kanalı iki'den elektriksel stimülasyon TTL işaretleyicisini içeren ADC kanalını seçin. Ardından, veri kanalını seçin ve elektrofizyolojik verileri içeren kanalı seçin.AP Track'i Pulse Pal'a ve step motor aparatına bağlamak için Bağlan'a tıklayın. Bu işlem biraz zaman alabilir. Bağlandıktan sonra, step motor kontrol panosu kendisini sıfır konumuna ayarlayacaktır.Stimülasyon kontrol panelinde, kaydırıcıyı kullanarak başlangıçtaki minimum ve maksimum stimülasyon genliklerini tanımlayın. TTL belirteçlerinin üretilmesi için mevcut stimülasyonun sıfırın üzerine ayarlandığından emin olun. Stimülasyon talimatlarını içeren bir dosyayı yüklemek için F'yi tıklatın ve ardından yüklenen stimülasyon paradigmasını başlatmak için sağ oka tıklayın.Zamansal raster grafiği, elektriksel stimülasyona verilen yanıtla güncellenmeye başlayacak ve her yeni stimülasyon yanıtı sağda yeni bir sütun olarak görüntülenecektir. Tek nöron aksiyon potansiyellerini başarılı bir şekilde tespit etmek için, zamansal raster çizim paneline gidin ve düşük, algılama ve yüksek görüntü eşik değerlerini ayarlayın. Uygun görüntü eşikleri ayarlandığında, algoritmalar tarafından algılanan eşik geçiş olayları yeşil renkle kodlanacaktır.Sistematik olarak, uyarıcı elektrodu sinir tarafından innerve edilen cilt bölgesi etrafında hareket ettirin. Elektrot aynı stimülasyon konumundayken aynı gecikme süresinde arka arkaya görünen üç eşik geçiş olayı için zamansal raster grafiğini izleyin. Bu, sabit bir gecikme periferik nöron aksiyon potansiyelinin tanımlandığını gösterir.Zamansal raster grafiğindeki tek nöron eylem potansiyelini belirledikten sonra, arama kutusunun konumunu ayarlamak için grafiğin sağ tarafındaki gri doğrusal kaydırıcıyı hareket ettirin. Ardından, döner kaydırıcıyla arama kutusunu uygun bir genişliğe ayarlayın. Arama kutusunun genişliğini daraltın.Hedeflenen eylem potansiyelini izlemeye başlamak için, çok birimli izleme tablosunun altındaki artı işaretine tıklayın. Tabloya, gecikme konumu, iki ila 10 uyaran üzerinden ateşleme yüzdesi ve algılanan tepe genliği dahil olmak üzere hedef eylem potansiyelinin ayrıntılarını içeren yeni bir satır eklenecektir. Gecikme izleme algoritması, sonraki her elektriksel stimülasyonda otomatik olarak yürütülür.Arama kutusunu söz konusu eylem potansiyeli için uygun konuma taşımak üzere tablodaki ani artışı izleme kutusunu işaretleyin. Periferik nöronun iletim hızını, stimülasyon ve kayıt bölgeleri arasındaki mesafeyi tabloda görüntülenen gecikmeye bölerek hesaplayın. Elektriksel eşik izlemeyi gerçekleştirmek için, stimülasyon kontrol panelindeki artış ve azalma oranlarını istenen hıza ayarlayın.Bu değerleri eşit tutun. Stimülasyon frekansının uygun bir orana, tipik olarak 0,25 ila 0,5 Hertz'e ayarlandığından emin olun. Stimülasyon genliğini yaklaşık olarak nöronun elektriksel eşiğine manuel olarak ayarlayın.Ardından, elektrik eşiği izleme algoritmasını başlatacak olan çok birimli izleme tablosundaki izleme eşiği kutusunu işaretleyin. Çok birimli izleme tablosunda, ateşleme hızını izleyin. %50'lik bir ateşleme oranı, yaklaşık elektrik eşiğinin belirlendiğini ve eşik değerinin güncelleneceğini gösterir.Son olarak, alıcı alana deneysel bir manipülasyon uygulayın ve elektrik eşiğini izlemeye devam edin. Bu, periferik nöron uyarılabilirliğindeki değişiklikleri ölçecektir. Bir mikro nörografi deneyi sırasında yüzeysel çok yıllık sinirin bir insan C lifinin sıralı izleri ve deri-sinir preparasyonu sırasında safen sinirin bir fare A-delta lifinin sıralı izleri bu şekilde gösterilmiştir.İzler, bir aksiyon potansiyeli tanımlandığında kırmızı renkteydi ve bu da uyaran genliğinde bir azalmaya neden oldu. Yazılım algoritması,% 50 ateşleme olasılığı için gereken uyaran genliğini etkili bir şekilde bulur. Bir insan C fiber nosiseptörünün termal stimülasyonu sırasında 0.25 Hertz stimülasyon frekansında elektriksel eşik takibi bu şekilde sunulmuştur.Y ekseni, paradigmanın başlangıcından itibaren stimülasyon sayısını kodlar. Eşik geçiş olayları ile elektriksel stimülasyonu takiben 4.000 milisaniye boyunca voltaj izleri kırmızı ile işaretlenir. İzlenen aksiyon potansiyeli etrafında yakınlaştırılan voltaj izi burada gösterilmektedir.Dikey mavi çizgi, izlenen birimin temel gecikme süresidir. AP Track tarafından komuta edilen stimülasyon akımı bu şekilde gösterilmiştir. Dikey mavi çizgi, taban çizgisi elektrik eşiğidir.Alıcı alan TCS-II termal uyarıcı prob sıcaklığı burada sunulmuştur. Bu ısıya duyarlı C elyafının alıcı alanı termal stimülatör tarafından ısıtıldıkça, elektrik eşiği azalır. Arama kutusu genişliği ve algılama eşiği için uygun değerlerin seçilmesi önemlidir, çünkü bunlar elektrik gürültüsünün etkisini azaltarak AP Track'in performansını önemli ölçüde artırır.Nosiseptörlerde terapötik ajanların hipereksitabilite üzerindeki etkisini ölçmek, kronik ağrının altında yatan mekanizmaları daha iyi anlamamıza yardımcı olabilir. Diğer araştırmacıların nosiseptif biyolojiyi ve nosiseptör duyarlılaşması sırasında meydana gelen değişiklikleri daha iyi anlamak için bu serbestçe kullanılabilen aracı kullanacaklarını umuyoruz.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Beyin-makine Arayüzler Kapalı döngü Performans Çalışması için Deneysel Bir Platform

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

Nörobilimsel Araştırma ve Gerçek-zamanlı Fonksiyonel Kortikal Haritalama İnsan elektrokortikografik (ECoG) Sinyaller Kayıt

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

Bir Açık kaynak Robotik Stereotaksik Enstrüman Bina

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

Gerçek zamanlı Elektrofizyoloji: Probe Nöronal Dynamics ve Ötesi Kapalı çevrim Protokolleri Kullanma

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

Kapalı döngü Nöro-robotik Deneyler Nöronal Ağları Hesaplamalı Properties Test

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

Gerçek zamanlı yönetim fMRI psikoterapi eğitimi için bir iletişim kuralı

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

Hayalet bacak ağrısı için ayna tedavisi ile ilişkili sinirsel ilişkilendirir karakterizasyonu için bir MRI gerçek zamanlı Video projeksiyon

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

Nörofizyolojik Deneylerde Kapalı Döngü Uyaranlarını Tetiklemek Için Nöron Spiking Aktivitesinin Kullanılması

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

Hayvanlarda Gerçek Zamanlı fMRI Beyin Haritalaması

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

Tek Elle Çalışma için Konvansiyonel ve Eşik İzleme Transkraniyal Manyetik Stimülasyon Testleri

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