Financial support from the Flanders Research Foundation FWO (contract n. 12C9112N to DL), the 7th Framework Programme of the European Commission (Marie Curie Network &#8220;C7&#8221;, contract n. 238214; ICT Future Emerging Technology &#8220;ENLIGHTENMENT&#8221; project, contract n. 306502), the Interuniversity Attraction Poles Program initiated by the Belgian Science Policy Office (contract n. IUAP-VII/20), and the University of Antwerp is kindly acknowledged.

<ol>
	<li>Saleem, A. B., Ayaz, A., Jeffery, K. J., Harris, K. D., Carandini, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integration+of+visual+motion+and+locomotion+in+mouse+visual+cortex.">Integration of visual motion and locomotion in mouse visual cortex.</a> Nature neuroscience. 16, 1864-1869 (2013).</li><li>Ahrens, M. B., Li, J. M., 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=Brain-wide+neuronal+dynamics+during+motor+adaptation+in+zebrafish.">Brain-wide neuronal dynamics during motor adaptation in zebrafish.</a> Nature. 485 (7399), 471-477 (2012).</li><li>Paz, J. T., Davidson, T. 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=Closed-loop+optogenetic+control+of+thalamus+as+a+tool+for+interrupting+seizures+after+cortical+injury.">Closed-loop optogenetic control of thalamus as a tool for interrupting seizures after cortical injury.</a> Nature neuroscience. 16 (1), 64-70 (2013).</li><li>Wallach, A., Eytan, D., Gal, A., Zrenner, C., Marom, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuronal+response+clamp.">Neuronal response clamp.</a> Frontiers in neuroengineering. 3 (April), 3 (2011).</li><li>Linaro, D., Couto, J., Giugliano, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Command-line+cellular+electrophysiology+for+conventional+and+real-time+closed-loop+experiments.">Command-line cellular electrophysiology for conventional and real-time closed-loop experiments.</a> Journal of neuroscience. 230, 5-19 (2014).</li><li>Sharp, A., O&#8217;Neil, M., Abbott, L. F., Marder, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+clamp:+computer-generated+conductances+in+real+neurons.">Dynamic clamp: computer-generated conductances in real neurons.</a> Journal of neurophysiology. 69 (3), 992-995 (1993).</li><li>Robinson, H. P., Kawai, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injection+of+digitally+synthesized+synaptic+conductance+transients+to+measure+the+integrative+properties+of+neurons.">Injection of digitally synthesized synaptic conductance transients to measure the integrative properties of neurons.</a> Journal of neuroscience methods. 49 (3), 157-165 (1993).</li><li>Vervaeke, K., Hu, H., Graham, L. J., Storm, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contrasting+effects+of+the+persistent+Na++current+on+neuronal+excitability+and+spike+timing.">Contrasting effects of the persistent Na+ current on neuronal excitability and spike timing.</a> Neuron. 49 (2), 257-270 (2006).</li><li>White, J. A., Klink, R., Alonso, A., Kay, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noise+from+voltage-gated+ion+channels+may+influence+neuronal+dynamics+in+the+entorhinal+cortex.">Noise from voltage-gated ion channels may influence neuronal dynamics in the entorhinal cortex.</a> Journal of neurophysiology. 80 (1), 262-269 (1998).</li><li>Destexhe, a., Rudolph, M., Fellous, J. M., Sejnowski, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluctuating+synaptic+conductances+recreate+in+vivo-like+activity+in+neocortical+neurons.">Fluctuating synaptic conductances recreate in vivo-like activity in neocortical neurons.</a> Neuroscience. 107 (1), 13-24 (2001).</li><li>Fellous, J. -. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+Persistent+Activity+by+Background+Inhibition+in+an+In+Vitro+Model+of+a+Cortical+Microcircuit.">Regulation of Persistent Activity by Background Inhibition in an In Vitro Model of a Cortical Microcircuit.</a> Cerebral Cortex. 13 (11), 1232-1241 (2003).</li><li>Gal, A., Eytan, D., Wallach, A., Sandler, M., Schiller, J., Marom, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+excitability+over+extended+timescales+in+cultured+cortical+neurons.+The+Journal+of+neuroscience.">Dynamics of excitability over extended timescales in cultured cortical neurons. The Journal of neuroscience.</a> the official journal of the Society for Neuroscience. 30 (48), 16332-16342 (2010).</li><li>Wang, Y., Toledo-Rodriguez, M., 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=Anatomical,+physiological+and+molecular+properties+of+Martinotti+cells+in+the+somatosensory+cortex+of+the+juvenile+rat.">Anatomical, physiological and molecular properties of Martinotti cells in the somatosensory cortex of the juvenile rat.</a> The Journal of physiology. 561 (Pt 1), 65-90 (2004).</li><li>Wang, Y., Gupta, A., Toledo-Rodriguez, M., Wu, C. Z., Markram, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anatomical,+physiological,+molecular+and+circuit+properties+of+nest+basket+cells+in+the+developing+somatosensory+cortex).">Anatomical, physiological, molecular and circuit properties of nest basket cells in the developing somatosensory cortex).</a> Cerebral cortex (New York, N.Y). 12 (4), 395-410 (1991).</li><li>Brette, R., Piwkowska, Z., 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-resolution+intracellular+recordings+using+a+real-time+computational+model+of+the+electrode.">High-resolution intracellular recordings using a real-time computational model of the electrode.</a> Neuron. 59 (3), 379-391 (2008).</li><li>Rutishauser, U., Kotowicz, A., Laurent, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+method+for+closed-loop+presentation+of+sensory+stimuli+conditional+on+the+internal+brain-state+of+awake+animals.">A method for closed-loop presentation of sensory stimuli conditional on the internal brain-state of awake animals.</a> Journal of neuroscience. 215 (1), 139-155 (2013).</li><li>Margrie, T., Brecht, M., Sakmann, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo,+low-resistance,+whole-cell+recordings+from+neurons+in+the+anaesthetized+and+awake+mammalian+brain.">In vivo, low-resistance, whole-cell recordings from neurons in the anaesthetized and awake mammalian brain.</a> Pflugers Archiv European Journal of Physiology. 444 (4), 491-498 (2002).</li><li>Graham, L., Schramm, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Vivo+Dynamic-Clamp+Manipulation+of+Extrinsic+and+Intrinsic+Conductances:+Functional+Roles+of+Shunting+Inhibition+and+I+BK+in+Rat+and+Cat+Cortex.">In Vivo Dynamic-Clamp Manipulation of Extrinsic and Intrinsic Conductances: Functional Roles of Shunting Inhibition and I BK in Rat and Cat Cortex.</a> Dynamic Clamp: From Principles to Applications. , (2008).</li><li>Sakmann, B., Neher, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Single-channel recording. , (1995).</li><li>Molleman, 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> Patch Clamping. , (2002).</li><li>Davie, J. T., Kole, M. H. 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=Dendritic+patch-clamp+recording.">Dendritic patch-clamp recording.</a> Nature Protocols. 1 (3), 1235-1247 (2006).</li><li>Gold, 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> The Axon Guide for Electrophysiolog., &amp; Biophysics Laboratory Techniques... , (2007).</li><li>Mainen, Z. F., Sejnowski, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reliability+of+spike+timing+in+neocortical+neurons.">Reliability of spike timing in neocortical neurons.</a> Science. 268 (5216), 1503-1506 (1995).</li><li>Buzs&#225;ki, G. <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+threshold+of+hippocampal+pyramidal+cells+in+vivo+is+increased+by+recent+spiking+activity.">Action potential threshold of hippocampal pyramidal cells in vivo is increased by recent spiking activity.</a> Neuroscience. 105 (1), 121-130 (2001).</li><li>Koch, C., Segev, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Methods in Neuronal Modeling: From Synapses to Networks. , (1988).</li><li>Silberberg, G., Markram, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disynaptic+inhibition+between+neocortical+pyramidal+cells+mediated+by+Martinotti+cells.">Disynaptic inhibition between neocortical pyramidal cells mediated by Martinotti cells.</a> Neuron. 53 (5), 735-746 (2007).</li><li>Berger, T. K., Silberberg, G., Perin, R., Markram, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brief+bursts+self-inhibit+and+correlate+the+pyramidal+network.">Brief bursts self-inhibit and correlate the pyramidal network.</a> PLoS biology. 8 (9), (2010).</li><li>Tsodyks, M., Pawelzik, K., Markram, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+networks+with+dynamic+synapses.">Neural networks with dynamic synapses.</a> Neural computation. 10 (4), 821-835 (1998).</li><li>Kapfer, C., Glickfeld, L. L., Atallah, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Supralinear+increase+of+recurrent+inhibition+during+sparse+activity+in+the+somatosensory+cortex.">Supralinear increase of recurrent inhibition during sparse activity in the somatosensory cortex.</a> Nature. 10 (6), 743-753 (2007).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

このテキストリアルタイムの実施のための完全なプロトコルでは、閉ループ単一細胞電気実験はパッチクランプ法とLCGと呼ばれる最近開発されたソフトウェアツールボックスを使用して、説明しました。録音の品質を最適化するためには、記録の設定が正しく、接地シールドと振動しないことが重要である：これは、一緒に刺激プロトコルのセクション全体を自動化する可能性のある細胞への安定と持続的な細胞全体のアクセスを、確実に、実験のスループットの最大化を可能にします。 LCGを適用することができる2つの場合には、 インビボ様すなわちニューロンの活性な入出力関係の高速計算を含めた電気生理学的特性（ 図1）の点で細胞の特徴付け、およびでのレクリエーションを提示されています脳切片における活性（ 図2）。 SUCHアプリケーションは、異なるプロトコルを構築する方法を示し、LCGの最も顕著な特徴のいくつかを強調し、そのコマンドライン·インタフェースは、スクリプトを実行しても、それが適しています、プロトコルの一連の自動化されたアプリケーションを可能にします。 図1で行ったようにまた、あるプロトコルから抽出された値は、その後のプロトコルのパラメータを調整するために使用することができます。 それは（ 例えば 、 図1（d）に示すように、その瞬間発火率）をリアルタイムに分析中の細胞の応答の高次の機能を監視し、電流を計算するために、PID制御器を用いて、例えば、それに応じて刺激を変更することが可能です一定または時間変化発火率を維持するために必要。 LCGとコンダクタンスとダイナミッククランププロトコルの実装は簡単で、テキストのみの設定ファイル、Sの使用によって自動化することができますプロシージャを記述が必要ですスクリプトインプリ。 LCGは、新たな実験プロトコルを考案する相互接続することができる30以上のエンティティを含んでいます。我々は、コマンドラインインターフェイスを使用して、LCGを使用する方法を説明し、しかしグラフィカル実験ランチャーは、実験を開始すると非経験のあるユーザーは、LCGが独自のグラフィカル·インタフェースを作成するコマンドを組み合わせるせることでパラメータを変更容易にするために設計されています。 RELACSとRTXI：2つの既存のツールボックスは、LCGと同様の機能を提供しています。前者は、電気生理学的実験を行うため、記録データを分析し、注釈を付けるためのプラットフォームでもあります。 LCGと既存のソリューションの主な違いは、コマンドラインに基づいてユーザーインターフェイスです。このアプローチの利点はいくつかある：まず、コマンドラインインターフェイスは、おそらく複雑なスクリプトを用いて、標準化し、反復作業を自動化することができ、第二に、それが実現、より複雑なワークフローに実証実験を埋め込むことができますこのようなMatlabのやPythonのような高レベルのスクリプト言語、で。 要約すると、LCGのモジュール性は、2つの方法で利用可能な実験プロトコルの数を拡大することができます：最初の最も簡単なものは、新規のプロトコルを実行するために、既存のオブジェクトを使用するアドホック設定ファイルを書き込むことです。 C ++を使用して - - さらにLCGの能力と機能を拡張するために使用することができる新たな基本オブジェクトを第1は、実装することです。例としては、このプロトコルの懸念に脳スライスにおける個々の細胞の研究を発表しました。しかし、同様のプロトコルでは、正常なクローズで刺激しながら、マルチ電極アレイを介して、例えば、細胞外電位を記録するために、このような神経細胞培養物のex vivoでの製剤に細胞内および細胞外の信号の両方を記録するために、in vivoでの製剤に使用することができますループ4。

<html>近年、携帯電気生理学は、近代的な閉ループプロトコルに電圧および電流クランプ実験に用い、従来のオープンループパラダイムから進化してきました。最もよく知られている閉ループ技術は、おそらく神経細胞膜電位8を決定するために人工的な電位依存性イオンチャネルの合成注入を可能に動的クランプ6,7であり、非決定論的には、フリッカの影響の詳細な研究神経応答のダイナミクス9、ならびにシナプス背景活動10のようなvivo-で現実的なのin vitroでのレクリエーションのイオンチャネル。 提案されている他の閉ループパラダイムは、 インビトロ自立持続的活動の発生、及び応答は細胞機構を下にある神経細胞の興奮性を調査するために、4,12をクランプを研究するために、反応性クランプ11を含みます。 ontent &quot;&gt;ここでは、急性脳スライスで行われる全細胞パッチクランプ記録のコンテキストで閉ループ電気生理学の様々なプロトコルを適用することができる強力なフレームワークを記述している。我々は、パッチクランプ記録を用いて体細胞膜電圧を記録する方法を示しています若年ラットの体性感覚野からの錐体ニューロンでLCG、理論神経生物とNeuroengineeringの研究室で開発されたコマンドラインベースのソフトウェアツールボックスを使用して、3つの異なる閉ループプロトコルを適用します。 簡単に言えば、記載されたプロトコルは、アクティブおよびパッシブ膜特性の大きな集合の特性に関連する、電流クランプ刺激波形のシリーズの最初の自動注入されています。これらは、刺激波形の定型一連の応答特性の点で細胞の電気生理学的表現型を捕捉するために提案されています。セルの電子コードとして知られている（ 例えば 、参照してください＆＃160; 13,14）が 、電気的応答のようなコレクションは、客観的に、それらの電気的特性に基づいて神経細胞を分類するためにいくつかの研究室で使用されます。これは、比例積分微分（PID）コントローラにより発火の速度の閉ループリアルタイム制御を含む革新的な技術によって、固定入出力伝達関係（FI曲線）の分析が含まれ、第二のインビトロ製剤10と、コンピュータでシミュレートされた仮想のGABA作動性介在ニューロンの手段により2同時に記録錐体ニューロンのリアルタイムで第人工接続で現実的なインビボの様な背景シナプス活性のレクリエーション。 さらに、LCGは、単一の電極を用いたダイナミッククランププロトコルを実装することができ、活性電極報酬（AEC）15、として知られる技術を実装しています。これは望ましくない影響を補償することができます（Aそれは、細胞内刺激を送達するために使用される場合に生じる記録電極のrtifacts）。この方法は、記録回路の等価電気特性のノンパラメトリック推定に基づいています。 このホワイトペーパーに記載された技術と実験プロトコルは、容易に従来のオープンループ電圧と電流クランプ実験に適用することができ、 生体内 17,18 に 、このような細胞外4,16のような他の製剤、または細胞内記録に拡張することができます。全細胞パッチクランプ電気生理学のセットアップの注意深いアセンブリは安定した高品質の記録のために非常に重要なステップです。以下では、そのような実験は、実験者に既に利用可能であることを前提とし、LCGの使用法を説明する上で私たちの注意を集中します。読者は、最適化とデバッグに関する追加のヒントについては、19〜22に指摘されています。

<table><tbody><tr><td>Tissue slicer</td><td>Leica</td><td>VT-1000S</td><td></td></tr><tr><td>Pipette puller</td><td>Sutter</td><td>P-97</td><td></td></tr><tr><td>Pipettes</td><td>WPI</td><td>1B150F-4</td><td>1.5/0.84 mm OD/ID, with filament</td></tr><tr><td>Vibration isolation table</td><td>TMC</td><td>20 Series</td><td></td></tr><tr><td>Microscope</td><td>Leica</td><td>DMLFS</td><td>40X Immersion Objective</td></tr><tr><td>Manipulators</td><td>Scientifica</td><td>PatchStar</td><td></td></tr><tr><td>Amplifiers</td><td>Axon Instruments</td><td>MultiClamp 700B</td><td>Computer controlled</td></tr><tr><td>Data acquisition card</td><td>National Instruments</td><td>PCI-6229</td><td>Supported by Comedi Linux Drivers</td></tr><tr><td>Desktop computer</td><td>Dell</td><td>Optiplex 7010 Tower</td><td>OS: real-time Linux</td></tr><tr><td>Oscilloscopes</td><td>Tektronix</td><td>TDS-1002</td><td></td></tr><tr><td>Perfusion Pump</td><td>Gibson</td><td>MINIPULS3</td><td>Used with R4 Pump head (F117606)</td></tr><tr><td>Temperature controller</td><td>Multichannel Systems</td><td>TC02</td><td>PH01 Perfusion Cannula</td></tr><tr><td>Manometer</td><td>Testo</td><td>510</td><td>Optional</td></tr><tr><td>Incubator</td><td>Memmert</td><td>WB14</td><td></td></tr><tr><td>NaCl</td><td>Sigma</td><td>71376</td><td>ACSF</td></tr><tr><td>KCl</td><td>Sigma</td><td>P9541</td><td>ACSF, ICS</td></tr><tr><td>NaH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;PO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma</td><td>S3139</td><td>ACSF</td></tr><tr><td>NaHCO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma</td><td>S6014</td><td>ACSF</td></tr><tr><td>CaCl&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma</td><td>C1016</td><td>ACSF</td></tr><tr><td>MgCl&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma</td><td>M8266</td><td>ACSF</td></tr><tr><td>Glucose</td><td>Sigma</td><td>G7528</td><td>ACSF</td></tr><tr><td>K-Gluconate</td><td>Sigma</td><td>G4500</td><td>ICS</td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Sigma</td><td>H3375</td><td>ICS</td></tr><tr><td>Mg-ATP</td><td>Sigma</td><td>A9187</td><td>ICS</td></tr><tr><td>Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;-GTP</td><td>Sigma</td><td>51120</td><td>ICS</td></tr><tr><td>Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;-Phosphocreatine</td><td>Sigma</td><td>P7936</td><td>ICS</td></tr></tbody></table>

real-time electrophysiology: using closed-loop protocols to probe neuronal dynamics and beyond

実験的神経科学は、新規の開発と応用への関心の高まりを目撃し、多くの場合、複雑な刺激が、システムの応答にリアルタイムに依存​​する適用、閉ループプロトコルれます。最近のアプリケーションは、光遺伝学3を使用して、皮質脳卒中後の発作の制御に、マウス1とゼブラフィッシュ2の両方の運動反応を研究するための仮想現実システムの実装の ​​範囲です。閉ループ技術の重要な利点は、直接アクセスすることはできませんまたは、同時に実験スループットを最大化しながら、このような神経細胞の興奮4や信頼性などの複数の変数に依存し、より高い次元の特性を探査する能力にあります。この貢献ではと細胞電気生理学との関連で、我々はREC、錐体皮質ニューロンの応答特性の研究に閉ループの様々なプロトコルを適用する方法について説明します若年ラットの体性感覚皮質から急性脳スライスにおけるパッチクランプ法で細胞内orded。何の市販またはオープンソースソフトウェアを効率的にここに記載の実験を行うために必要なすべての機能を提供しないように、LCG 5と呼ばれる新しいソフトウェアツールボックスは、そのモジュラー構造のコンピュータ·コードの再利用を最大化し、新たな実験パラダイムの実装を容易に、開発されました。刺激波形は、コンパクトなメタ記述を使用して指定されており、完全な実験プロトコルは、テキストベースの設定ファイルに記述されています。さらに、LCGは、試験の反復と実験プロトコルの自動化に適しているコマンドライン·インタフェースを備えています。

前のセクションでは、L5錐体細胞の電気生理学的特性を特徴づけるために、ソフトウェアツールボックスのLCGを使用して、スライス標本におけるインビボ様シナプス活性を再作成する方法を説明してきました。コマンド·ライン·インターフェースと半自動プロトコルの使用は、生成されたデータの出力および品質に大きな影響を持つことができ、実験の再現性及び効率性を好みます。データを一貫した方法で保存されているのでさらに、それは特定の目的に解析を拡張することは容易である。 図1は、6つの異なるプロトコルを使用して、細胞の基本的な電気生理学的特性が特徴付けされた実験の代表的な結果を示しています。 活動電位の形状と閾値（ 図1A）の測定：現在の脱分極の簡単かつ強力なパルスが平均活動電位の形状を測定するために注入されます。スパイク閾値であります活動電位24の第三の導関数の最初のピークとして計算。電圧-電流曲線（ 図1B）の測定：サブスレッショルド電流パルスは、入力抵抗とサブスレッショルドイオン電流の特徴付けなどの受動応答特性の測定を可能にする、細胞に注入されます。 持続的な発射（ 図1C）を惹起するために十分な最小電流の測定。現在の注入されたランプは、I型またはII型発振器25のような細胞の特徴付けを可能にします。周波数電流（FI）曲線（ 図1D）の測定：注入電流は、瞬間発射周波数の関数であり、毎回細胞スパイク更新 ​​される、5に記載の閉ループプロトコルを使用して。この技術を使用して、FI曲線の信頼できる推​​定は、30秒未満で得ることができます。 membranの測定E時間（ 図1E）定数：短い過分極電流パルスは、膜の受動緩和特性を測定するために送られます。このパルスは、膜の時定数（この場合は44ミリ秒）を計算するために二重指数に適合しています。 適応係数と電流（ 図1F）を脱分極に応答して現在二超閾値は適応係数（最初と最後の間のスパイク間隔との比）を測定するために注入されます。記載されているもののような一連のプロトコルの自動化されたアプリケーションは、健康と病気の両方で、その主要な電気生理学的特性の点で記録された各セルを特徴付けることができ、異なる神経細胞の種類とその役割を比較することを目的と何の努力のための基本的なステップを構成しています。 LCGは特殊なプロトコルを実装いくつかのスクリプトが含まれていますが、ツールボックスのパワーと柔軟性のほとんどが存在します能での設定ファイルにより実験を説明します。秒で。 5はニューロンにシミュレートされたバックグラウンド活性を注入するために、動的クランプを実行する方法を説明します。ここでは、設定ファイルとエンティティの概念が導入されています。設定ファイルは、単に所定の実験を行うために必要なすべての基本的なビルディング·ブロック（と呼ばれるエンティティ ）の名前との相互接続を含むテキストファイルです。共有し、実験的なパラダイムを再利用されるように、この理由のため、エンティティを接続することにより、新たなパラダイムを設計することは、比較的簡単な作業です。 図2に示す実験では、5つのエンティティが使用されています。 H5Recorder：圧縮ファイルに接続されたエンティティを記録します。それは、PythonとMATLABなど、ほとんどのプログラミング言語でサポートされているので、HDF5ファイル形式が選択されています。 RealNeuron：リアルタイムREの技術的側面に抽象化レイヤを提供コー​​ディングおよび注入。これは、データ収集ボードに関する情報が含まれており、オンラインの活性電極補償を行います。活動電位は、しきい値交差によって検出された場合、リアルニューロンは、 イベントの形でスパイクを出力する。これは実験中に発火率を監視するために、例えば、使用され得るか、または人工的なシナプスとインターフェースします。 ポアソン：特定のレートの指数分布に従うスパイク列を生成します。試験は一貫して再現できるように、このプロセスのシードを固定することができます。 SynapticConnection：発電機からのスパイクを受け、指定された遅延時間後に適切なシナプスに中継。 Exp2Synapse：二重指数シナプスのモデル。これは、逆転電位と立ち上がりと立ち下がり時定数が含まれています。 前述したように、各エンティティは、1つまたはそれ以上の他のTに接続されていますO実験を構成しています。章で説明した興奮性シナプス後電流のシミュレーションの例では。 5.1、RealNeuronとExp2Synapseの両方は、それぞれ、膜電位とシナプス電流をファイルに保存するには、H5Recorderに接続されています。ポアソンエンティティは、順番に1ミリ秒後にExp2Synapseにイベントを配信SynapticConnection、2ヘルツの周波数で生成されたスパイクを提供します。最後に、Exp2SynapseエンティティはRealNeuronに接続されています。秒数で示したように、この構成ファイルの小さな変化を使用。 5.2と5.3、1は、阻害電流をシミュレートし、in vivoでの様活性を再作成することができます。 図2では、それがダイナミッククランプ構成によって、一つは人工シナプスによってニューロンに誘導電流をシミュレートすることにより制御された様式でシナプス統合を研究する方法を、示されている。 図2（a）（上）は、個々のシナプス後電位を示している（トップ）一緒にINJとected電流。赤（青）トレースは興奮性（抑制性）のイベントを示しています。注入電流は、膜電圧の仮想シナプスの活性化に関連したコンダクタンスの変化の関数であることに注意してください。 シナプスに高い周波数でポアソンスパイク列を提供することにより、 インビボでの様バックグラウンド活性（ 図2Bおよび2D）をシミュレートすることができます。でも、大電流が活性電極補償保証は単一の電極が同時に電流を注入するために使用されていても、（ 図2C）のスパイクの形状が影響されないこと、（ 図2Bの底部の黒のトレース）を注入されたときにスパイク時と膜電圧を記録します。同じコンダクタンス波形と複数の試験を繰り返すことが可能異なるsynaptiの寄与を分離すること、より現実的なフレームワークに23の仕事を拡張することができますスパイクタイミングの信頼性と精度のC電流。 図3は、2つの未接続の錐体細胞から同時に記録しdisynaptic阻害の形、大脳皮質にマルティノッティ細胞の活性化を含む広範囲の機構をシミュレートする仮想のGABA作動性介在ニューロンを用いたハイブリッドネットワークの単純な例を示している。26、 27 図3Aは、実験の概略を示しています。本物の、未接続の錐体細胞（黒と赤の三角形）のペアは、人為的に、漏洩積分発火ニューロンとしてモデル化、シミュレートされたGABA作動性介在ニューロンを介して接続されています。介在ニューロンとシナプス後錐体細胞をつなぐシナプスが立ち上がりと立ち下がりTIとbiexponentialシナプスであるが、Tsodyks-Markramモデル28に従って実装介在ニューロンが表示homosynaptic短期円滑にシナプス前錐体細胞を接続するシナプス私は、それぞれ、1〜10ミリ秒の定数。 両方の接続の重みは約2 mVでのシナプス後膜電位のたわみを有するように調整した。 図3（b）及び（c）は、90 Hzで配信細胞内のパルスと、シミュレート内の対応のEPSPの列車へのシナプス前錐体ニューロンの応答を示します介在ニューロン：シ ​​ナプス接続のパラメータが人工ニューロンを持つために調整した3のシナプス前のバースト後にスパイクを発する- 26,29 図3Dは、disynaptic抑制に効果を示し、実験的に報告されたように、高周波で4スパイク。実際のシナプス後錐体細胞：10試験が重畳され、ニューロンは、 図2で説明したものと同様の凍結のインビボ様のバックグラウンド活性を刺激したが三IPSPsの阻害に応答して、信頼性の向上に注意します電圧トレース下の赤い破線で示したように、抑制性細胞の活性化の後に小さいスパイクジッタに反映。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/52320/52320fig1.jpg" /> 図1.典型的な錐体細胞の電子コードプロトコルのパッチを適用したL5錐体ニューロン出力図形の電気生理学的特性評価。定量化が自動的に実行され、それ以上の編集は必要ありません。活動電位の閾値（破線-50.5 mVの）の（A）の計算。基電流の電流（123 pAの）を測定するために、現在の脱分極が増加する。（D）焼成周波数に赤い線は平均活動電位の形状である。過分極電流（下）への受動的応答（上）の（B）の測定。（C）応答注入電流の関数として、閉ループアプローチを使用して測定しました。各グレー点をペアに配置されています（現在は、スパイク間の間隔の逆数を注入しました）。赤色の曲線はデータ点の線形近似であり、破線は、パネル（C）で測定基電流を示している。膜時定数（43.8ミリ）の（E）を測定し、セルの基本的な活性特性の（F）の同定細胞は、通常のスパイキングニューロンであることを明らかにし、最小限の適応があること。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52320/52320fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。</a> <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/52320/52320fig2.jpg" /> ダイナミック·クランプを使用して、アクティビティなどにvivo-図2.レクリエーション。（A）興奮のシミュレーション（赤、秒。5.1）および阻害（青、秒。5.2）シナプスは、灰色のトレースは同じ実験の他の実現である。（B ） </strong&gt;トップ、7,000（3,000）ヘルツの割合で興奮（抑制性）シナプス後電流の衝撃にL5錐体ニューロン被験者から記録された電圧トレース。固定ランダムシードを使用した複数の実現は、図（グレーのトレース）で表示されます。 20件の試験の両端に発生するスパイクの底部、（B）で実験中のスパイクの興奮性（赤）、抑制（青）とセルに注入合計（黒）現在。（C）形状に対応する。（D）ラスタープロットニューロンが23に見られるように、同じ入力に応じて、非常に信頼性が高く、正確であることを示している。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52320/52320fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。</a> <img alt="図3a" src="/files/ftp_upload/52320/52320fig3a.jpg" /> シミュレートされた抑制性介在ニューロンを介してdisynaptic阻害の図3.シミュレーション記録のセットアップの（A）は概略：黒と赤のピラミッドが同時に記録実際の錐体細胞のペアを表します。黒と赤は、それぞれ、シナプス前とシナプス後ニューロンを示しています。青い円は、順番に赤錐体細胞を阻害すること、黒錐体細胞と接触し、仮想GABA作動性介在ニューロンを表す。で示される90ヘルツの周波数で供給パルスの列に実際のシナプス前錐体ニューロンの（B）の対応、電圧トレース上記のオレンジ色のダッシュ。電圧トレース下の黒のダッシュは倍の活動電位がシナプス前細胞によって放出された示している。シナプス前細胞によって放出されたスパイクの列車にシミュレートされた介在ニューロンの（C）の対応。（D）シミュレートされた介在ニューロンの活性化に応答して、実際のシナプス後錐体細胞から記録された10の電圧トレースの重ね合わせ。シナプス後細胞は、信頼性の高い電圧のダイナミクスを得るために、凍結のインビボ様のバックグラウンド活性を刺激しました。電圧トレース下の赤いダッシュが連続した試験中に、シナプス後ニューロンは活動電位を放出され、時刻を示しています。試験全体の下位スパイクジッタによって示さ介在ニューロンの活性化の後に増加した精度が、注意してください。

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Real-time Electrophysiology: Using Closed-loop Protocols to Probe Neuronal Dynamics and Beyond

Closed-loop protocols are becoming increasingly widespread in modern day electrophysiology. We present a simple, versatile and inexpensive way to perform complex electrophysiological protocols in cortical pyramidal neurons in vitro, using a desktop computer and a digital acquisition board.

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

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

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Neuroscience

11.4K ビュー.  University of Antwerp. Closed-loop protocols are becoming increasingly widespread in modern day electrophysiology. We present a simple, versatile and inexpensive way to perform complex electrophysiological protocols in cortical pyramidal neurons in vitro, using a desktop computer and a digital acquisition board. 

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Simultaneous Electroencephalography, Real-time Measurement of Lactate Concentration and Optogenetic Manipulation of Neuronal Activity in the Rodent Cerebral Cortex

Although the brain represents less than 5% of the body by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body at rest1. The function of non rapid eye movement sleep (NREMS), the largest portion of sleep by time, is uncertain. However, one salient feature of NREMS is a significant reduction in the rate of cerebral glucose utilization relative to wakefulness2-4. This and other findings have led to the widely held belief that sleep serves a function related to cerebral metabolism. Yet, the mechanisms underlying the reduction in cerebral glucose metabolism during NREMS remain to be elucidated.
	One phenomenon associated with NREMS that might impact cerebral metabolic rate is the occurrence of slow waves, oscillations at frequencies less than 4 Hz, in the electroencephalogram5,6. These slow waves detected at the level of the skull or cerebral cortical surface reflect the oscillations of underlying neurons between a depolarized/up state and a hyperpolarized/down state7. During the down state, cells do not undergo action potentials for intervals of up to several hundred milliseconds. Restoration of ionic concentration gradients subsequent to action potentials represents a significant metabolic load on the cell8; absence of action potentials during down states associated with NREMS may contribute to reduced metabolism relative to wake.
	Two technical challenges had to be addressed in order for this hypothetical relationship to be tested. First, it was necessary to measure cerebral glycolytic metabolism with a temporal resolution reflective of the dynamics of the cerebral EEG (that is, over seconds rather than minutes). To do so, we measured the concentration of lactate, the product of aerobic glycolysis, and therefore a readout of the rate of glucose metabolism in the brains of mice. Lactate was measured using a lactate oxidase based real time sensor embedded in the frontal cortex. The sensing mechanism consists of a platinum-iridium electrode surrounded by a layer of lactate oxidase molecules. Metabolism of lactate by lactate oxidase produces hydrogen peroxide, which produces a current in the platinum-iridium electrode. So a ramping up of cerebral glycolysis provides an increase in the concentration of substrate for lactate oxidase, which then is reflected in increased current at the sensing electrode. It was additionally necessary to measure these variables while manipulating the excitability of the cerebral cortex, in order to isolate this variable from other facets of NREMS.
	We devised an experimental system for simultaneous measurement of neuronal activity via the elecetroencephalogram, measurement of glycolytic flux via a lactate biosensor, and manipulation of cerebral cortical neuronal activity via optogenetic activation of pyramidal neurons. We have utilized this system to document the relationship between sleep-related electroencephalographic waveforms and the moment-to-moment dynamics of lactate concentration in the cerebral cortex. The protocol may be useful for any individual interested in studying, in freely behaving rodents, the relationship between neuronal activity measured at the electroencephalographic level and cellular energetics within the brain.

A procedure is described for manipulating the activity of cerebral cortical pyramidal neurons optogenetically while the electroencephalogram, electromyogram, and cerebral lactate concentration are monitored. Experimental recordings are performed on cable-tethered mice while they undergo spontaneous sleep/wake cycles. Optogenetic equipment is assembled in our laboratory; recording equipment is commercially available.

同時脳波、リアルタイム乳酸濃度の測定と齧歯類大脳皮質ニューロン活動のOptogeneticマニピュレーション

Although the brain represents less than 5% of the body  by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body  at rest1. The ...

神経科学

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

Information coding in the Central Nervous System (CNS) remains unexplored. There is mounting evidence that, even at a very low level, the representation of a given stimulus might be dependent on context and history. If this is actually the case, bi-directional interactions between the brain (or if need be a reduced model of it) and sensory-motor system can shed a light on how encoding and decoding of information is performed. Here an experimental system is introduced and described in which the activity of a neuronal element (i.e., a network of neurons extracted from embryonic mammalian hippocampi) is given context and used to control the movement of an artificial agent, while environmental information is fed back to the culture as a sequence of electrical stimuli. This architecture allows a quick selection of diverse encoding, decoding, and learning algorithms to test different hypotheses on the computational properties of neuronal networks.

In this paper, an experimental framework to perform closed-loop experiments is presented, in which information processing (i.e., coding and decoding) and learning of neuronal assemblies are studied during the continuous interaction with a robotic body.

閉ループ神経のロボット実験は、神経回路網の計算特性を試験すること

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

Time-dependent Increase in the Network Response to the Stimulation of Neuronal Cell Cultures on Micro-electrode Arrays

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network dynamics in neuronal cultures. In contrast with more traditional methods, such as patch-clamping, which can only record activity from a single cell, MEAs can record simultaneously from multiple sites in a network, without requiring the arduous task of placing each electrode individually. Moreover, numerous control and stimulation configurations can be easily applied within the same experimental setup, allowing for a broad range of dynamics to be explored. One of the key dynamics of interest in these in vitro studies has been the extent to which cultured networks display properties indicative of learning. Mouse neuronal cells cultured on MEAs display an increase in response following training induced by electrical stimulation. This protocol demonstrates how to culture neuronal cells on MEAs; successfully record from over 95% of the plated dishes; establish a protocol to train the networks to respond to patterns of stimulation; and sort, plot, and interpret the results from such experiments. The use of a proprietary system for stimulating and recording neuronal cultures is demonstrated. Software packages are also used to sort neuronal units. A custom-designed graphical user interface is used to visualize post-stimulus time histograms, inter-burst intervals, and burst duration, as well as to compare the cellular response to stimulation before and after a training protocol. Finally, representative results and future directions of this research effort are discussed.

Mouse neuronal cells cultured on multi-electrode arrays display an increase in response following electrical stimulation. This protocol demonstrates how to culture neurons, how to record activity, and how to establish a protocol to train the networks to respond to patterns of stimulation.

マイクロ電極アレイにおけるニューロン細胞培養の刺激に対するネットワーク応答の時間依存的増加

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network ...

Acute In Vivo Electrophysiological Recordings of Local Field Potentials and Multi-unit Activity from the Hyperdirect Pathway in Anesthetized Rats

Converging evidence shows that many neuropsychiatric diseases should be understood as disorders of large-scale neuronal networks. To better understand the pathophysiological basis of these diseases, it is necessary to precisely characterize in which way the processing of information is disturbed between the different neuronal parts of the circuit. Using extracellular in vivo electrophysiological recordings, it is possible to accurately delineate neuronal activity within a neuronal network. The application of this method has several advantages over alternative techniques, e.g., functional magnetic resonance imaging and calcium imaging, as it allows a unique temporal and spatial resolution and does not rely on genetically engineered organisms. However, the use of extracellular in vivo recordings is limited since it is an invasive technique that cannot be universally applied. In this article, a simple and easy to use method is presented with which it is possible to simultaneously record extracellular potentials such as local field potentials and multiunit activity at multiple sites of a network. It is detailed how a precise targeting of subcortical nuclei can be achieved using a combination of stereotactic surgery and online analysis of multi-unit recordings. Thus, it is demonstrated, how a complete network such as the hyperdirect cortico-basal ganglia loop can be studied in anesthetized animals in vivo.

Acute In Vivo Electrophysiological Recordings of Local Field Potentials and Multi-unit Activity from the Hyperdirect Pathway in Anesthetized Rats

In this study, the methodology is presented on how to perform multi-site in vivo electrophysiological recordings from the hyperdirect pathway under urethane anesthesia.

急性<em&gt;インビボ</em&gt;麻酔ラットにおけるHyperdirect経路からの局所場ポテンシャルとマルチユニット活性の電気生理学的記録

Converging evidence shows that many neuropsychiatric diseases should be understood as disorders of large-scale neuronal networks. To better understand the ...

Using Neuron Spiking Activity to Trigger Closed-Loop Stimuli in Neurophysiological Experiments

Closed-loop neurophysiological systems use patterns of neuronal activity to trigger stimuli, which in turn affect brain activity. Such closed-loop systems are already found in clinical applications, and are important tools for basic brain research. A particularly interesting recent development is the integration of closed-loop approaches with optogenetics, such that specific patterns of neuronal activity can trigger optical stimulation of selected neuronal groups. However, setting up an electrophysiological system for closed-loop experiments can be difficult. Here, a ready-to-apply Matlab code is provided for triggering stimuli based on the activity of single or multiple neurons. This sample code can be easily modified based on individual needs. For instance, it shows how to trigger sound stimuli and how to change it to trigger an external device connected to a PC serial port. The presented protocol is designed to work with a popular neuronal recording system for animal studies (Neuralynx). The implementation of closed-loop stimulation is demonstrated in an awake rat.

This protocol demonstrates how to use an electrophysiological system for closed-loop stimulation triggered by neuronal activity patterns. Sample Matlab code that can be easily modified for different stimulation devices is also provided.

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

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

脳血流と電場のマッピング:マウスにおける電極配置

Placement of Extracranial Stimulating Electrodes and Measurement of Cerebral Blood Flow and Intracranial Electrical Fields in Anesthetized Mice

The detection of cerebral blood flow (CBF) responses to various forms of neuronal activation is critical for understanding dynamic brain function and variations in the substrate supply to the brain. This paper describes a protocol for measuring CBF responses to transcranial alternating current stimulation (tACS). Dose-response curves are estimated both from the CBF change occurring with tACS (mA) and from the intracranial electric field (mV/mm). We estimate the intracranial electrical field based on the different amplitudes measured by glass microelectrodes within each side of the brain. In this paper, we describe the experimental setup, which involves using either bilateral laser Doppler (LD) probes or laser speckle imaging (LSI) to measure the CBF; as a result, this setup requires anesthesia for the electrode placement and stability. We present a correlation between the CBF response and the current as a function of age, showing a significantly larger response at higher currents (1.5 mA and 2.0 mA) in young control animals (12-14 weeks) compared to older animals (28-32 weeks) (p &lt; 0.005 difference). We also demonstrate a significant CBF response at electrical field strengths &lt;5 mV/mm, which is an important consideration for eventual human studies. These CBF responses are also strongly influenced by the use of anesthesia compared to awake animals, the respiration control (i.e., intubated vs. spontaneous breathing), systemic factors (i.e., CO2), and local conduction within the blood vessels, which is mediated by pericytes and endothelial cells. Likewise, more detailed imaging/recording techniques may limit the field size from the entire brain to only a small region. We describe the use of extracranial electrodes for applying tACS stimulation, including both homemade and commercial electrode designs for rodents, the concurrent measurement of the CBF and intracranial electrical field using bilateral glass DC recording electrodes, and the imaging approaches. We are currently applying these techniques to implement a closed-loop format for augmenting the CBF in animal models of Alzheimer's disease and stroke.

著者スポットライト:アルツハイマー病モデルにおける脳血流を改善するための刺激ベースのアプローチ 

We describe a protocol for assessing dose-response curves for extracranial stimulation in terms of brain electrical field measurements and a relevant biomarker-cerebral blood flow. Since this protocol involves invasive electrode placement into the brain, general anesthesia is needed, with spontaneous breathing preferred rather than controlled respirations.

麻酔マウスにおける頭蓋外刺激電極の配置と脳血流および頭蓋内電界の測定

The detection of cerebral blood flow (CBF) responses to various forms of neuronal activation is critical for understanding dynamic brain function and ...

HD-MEAにおけるマルチモーダル大規模神経記録と解析 

Recording and Analyzing Multimodal Large-Scale Neuronal Ensemble Dynamics on CMOS-Integrated High-Density Microelectrode Array

Large-scale neuronal networks and their complex distributed microcircuits are essential to generate perception, cognition, and behavior that emerge from patterns of spatiotemporal neuronal activity. These dynamic patterns emerging from functional groups of interconnected neuronal ensembles facilitate precise computations for processing and coding multiscale neural information, thereby driving higher brain functions. To probe the computational principles of neural dynamics underlying this complexity and investigate the multiscale impact of biological processes in health and disease, large-scale simultaneous recordings have become instrumental. Here, a high-density microelectrode array (HD-MEA) is employed to study two modalities of neural dynamics - hippocampal and olfactory bulb circuits from ex-vivo mouse brain slices and neuronal networks from in-vitro cell cultures of human induced pluripotent stem cells (iPSCs). The HD-MEA platform, with 4096 microelectrodes, enables non-invasive, multi-site, label-free recordings of extracellular firing patterns from thousands of neuronal ensembles simultaneously at high spatiotemporal resolution. This approach allows the characterization of several electrophysiological network-wide features, including single/-multi-unit spiking activity patterns and local field potential oscillations. To scrutinize these multidimensional neural data, we have developed several computational tools incorporating machine learning algorithms, automatic event detection and classification, graph theory, and other advanced analyses. By supplementing these computational pipelines with this platform, we provide a methodology for studying the large, multiscale, and multimodal dynamics from cell assemblies to networks. This can potentially advance our understanding of complex brain functions and cognitive processes in health and disease. Commitment to open science and insights into large-scale computational neural dynamics could enhance brain-inspired modeling, neuromorphic computing, and neural learning algorithms. Furthermore, understanding the underlying mechanisms of impaired large-scale neural computations and their interconnected microcircuit dynamics could lead to the identification of specific biomarkers, paving the way for more accurate diagnostic tools and targeted therapies for neurological disorders.

著者スポットライト:HD-MEA技術による大規模ニューラルダイナミクスの進化

Here, we employ HD-MEA to delve into computational dynamics of large-scale neuronal ensembles, particularly in hippocampal, olfactory bulb circuits, and human neuronal networks. Capturing spatiotemporal activity, combined with computational tools, provides insights into neuronal ensemble complexity. The method enhances understanding of brain functions, potentially identifying biomarkers and treatments for neurological disorders.

CMOS集積高密度微小電極アレイにおけるマルチモーダル大規模神経集団ダイナミクスの記録と解析

Large-scale neuronal networks and their complex distributed microcircuits are essential to generate perception, cognition, and behavior that emerge from ...

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

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同時脳波、リアルタイム乳酸濃度の測定と齧歯類大脳皮質ニューロン活動のOptogeneticマニピュレーション

閉ループ神経のロボット実験は、神経回路網の計算特性を試験すること

マイクロ電極アレイにおけるニューロン細胞培養の刺激に対するネットワーク応答の時間依存的増加

急性

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麻酔マウスにおける頭蓋外刺激電極の配置と脳血流および頭蓋内電界の測定

麻酔マウスにおける頭蓋外刺激電極の配置と脳血流および頭蓋内電界の測定

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CMOS集積高密度微小電極アレイにおけるマルチモーダル大規模神経集団ダイナミクスの記録と解析

CMOS集積高密度微小電極アレイにおけるマルチモーダル大規模神経集団ダイナミクスの記録と解析