Содержание

Стимулирование сбыта Тrade promotion — Глафира

Главная / Стимулирование сбыта (Тrade promotion)

Тrade promotion — стимулирование продаж среди торговых посредников.

Стимули́рование сбы́та, стимулирование продаж (англ. Sales promotion, читается как сэ́йлз промо́ушн — продвижение продаж) — это вид маркетинговых коммуникаций, обозначающий комплекс мероприятий по продвижению продаж по всему маршруту движения товара — от изготовителя до потребителя — с целью ускорения сбыта товаров.

В основе данных мероприятий — краткосрочное увеличение продаж путем предоставления покупателю (как конечному потребителю, так и розничному продавцу) определенной выгоды.

Виды стимулирования сбыта:

Стимулирование розничной торговли

  • Дополнительные сделки с компаниями-продавцами
  • Конкурсы для компаний-продавцов или их персонала
  • Предоставление специальной рекламной поддержки при условии увеличения продаж (в том числе оформление мест продаж POSM материалами)


Стимулирование потребителей:

  • Программа лояльности

  • Предоставление бесплатных образцов(семплов)

  • Скидки

  • Подарочные предложения

  • Конкурсы и розыгрыши

  • Промоакции

Для успешной реализации проектов и получения обратной связи Тrade promotion используются специальные инструменты:

  • Опросы потребителей

  • Аудиторские проверки

  • Мерчендайзинг

  • Исследования методом mystery shopping

Наше рекламное агентство «ГЛАФИРА» готово реализовать самые смелые проекты в данном направлении.

Мы также будем рады разработать для наших клиентов новые программы Тrade promotion

МТС отменила плату за доступ в соцсети на пакетных тарифах

МТС отменила плату за трафик в социальных сетях Facebook, «В контакте» и «Одноклассники» для абонентов, подключившихся или перешедших на новые тарифы линеек Smart и ULTRA до 1 июня 2016 г. , сообщил представитель МТС Дмитрий Солодовников. С 3 марта при заходе в эти соцсети с мобильного телефона (через приложение или браузер) их трафик не будет списываться из пакета тарифа, пояснил он. По его словам, это позволит абонентам увеличить доступный на их тарифе пакет интернета до четырех раз. Сколько абонентов МТС пользуются пакетными тарифами, он не говорит.

Таким образом МТС хочет стимулировать потребление мобильного интернета, ведь многие пользователи начинают использовать мобильный интернет именно с социальных сетей, говорит Дмитрий Солодовников. Кроме того, МТС рассчитывает на рост продаж пакетных тарифов и увеличение средней ежемесячной выручки на абонента (ARPU), добавляет он.

В 2010 г. МТС уже открывала бесплатный доступ к текстовой версии Facebook, но через год закрыла эту возможность. Активным мобильным пользователям соцсетей упрощенная версия не нужна, объяснял тогда представитель МТС.

Бесплатный доступ к некоторым сайтам, в том числе соцсетям «В контакте» и Facebook, ранее предоставлял «Вымпелком», однако делать это вновь не планирует. Это не имеет смысла из-за растущей популярности пакетных тарифных планов с предоплаченным пакетом интернет-трафика, считает представитель «Вымпелкома» Анна Айбашева. По ее словам, подписчиками таких тарифных планов является треть абонентов оператора.

«Т2 РТК холдинг», работающий под брендом Tele2, также рассматривает различные варианты льготной тарификации доступа абонентов в соцсети, сообщил представитель оператора Константин Прокшин. По его словам, в Tele2 рассчитывают запустить первые такие проекты уже в 2016 г. «T2 РТК холдинг» планирует сотрудничать со всеми крупными соцсетями. Трафик соцсетей, например, можно будет перестать тарифицировать на «тяжелых» тарифах (с большим количеством доступного трафика), говорит он, или ввести специальную опцию для безлимитного доступа к соцсетям за небольшую дополнительную плату.

Есть ли планы по обнулению трафика для соцсетей у «Мегафона», представитель оператора Юлия Дорохина не говорит.

Гендиректор «ТМТ консалтинга» Константин Анкилов считает, что отказ от тарификации соцсетей позволит МТС удерживать абонентов и формировать потребительское поведение. Кроме того, оператор стимулирует абонентов потреблять различные виды мобильного трафика, в том числе наиболее «тяжелые». Поскольку бесплатный доступ в соцсети доступен только для пакетных тарифов, свой предоплаченный трафик абонент теперь будет тратить не на соцсети, а на мобильное видео, тем самым приучаясь потреблять больше данных, объясняет Анкилов.

В результате акции МТС ненадолго потеряет часть выручки, считает Анкилов, но позже может компенсировать эти потери благодаря росту потребления трафика, в том числе теми абонентами, которые сейчас пользуются интернетом мало или не пользуются вообще. По оценке «ТМТ консалтинга», в крупных городах соцсетями пользуется 76% пользователей мобильного интернета. Сейчас соцсети занимают в среднем четверть в мобильном трафике абонентов МТС, и эта доля растет (см. график).

В феврале этого года индийский регулятор TRAI запретил операторам предоставление бесплатного доступа к интернет-сервисам, расценив это как «позитивную дискриминацию», нарушающую принципы сетевой нейтральности. Руководитель департамента регулирования связи и IT Федеральной антимонопольной службы Елена Заева уверяет, что если в ведомство поступят заявления от социальных сетей, не включенных МТС в список, то оно рассмотрит их. Пока, по ее словам, такие жалобы не поступали.

Исправленная версия. Первоначальный опубликованный вариант можно посмотреть в архиве «Ведомостей» (смарт-версия)

42. Стимулирование сбыта. Маркетинг

42. Стимулирование сбыта

Стимулирование сбыта – это маркетинговая деятельность, направленная на побуждение потребителей приобретать этот товар, но отличающаяся от рекламы, личных продаж или пропаганды.

Стимулирование сбыта применяется в ситуациях, когда необходимо:

1) за краткосрочный промежуток времени повысить объем продаж;

2) удержать привязанность потребителя к продукции;

3) продвинуть на рынок новый товар;

4) взаимодействовать с остальными элементами продвижения.

Рассмотрим преимущества и недостатки стимулирования сбыта.

Преимуществами являются:

1) большая вероятность непосредственного контакта с покупателями;

2) большое количество методов стимулирования;

3) повышение вероятности импульсивных покупок и т. п.

К недостаткам можно отнести:

1) объем продаж повышается только на небольшой промежуток времени;

2) имеется наибольший положительный эффект совместно с другими методами продвижения и т. п.

Можно выделить следующие основные методы стимулирования сбыта.

1. Распространение образцов товара. распространение бесплатных образцов товара на пробу.


2. Купоны. Они дают своему владельцу право на скидку.

3. Льготная цена на несколько упаковок. Потребителю предлагается небольшая экономия при покупке нескольких упаковок.

4. Премия. Это товар, который предлагается покупателю в качестве поощрения за приобретение другого товара.

5. Сувениры – маленькие презенты для покупателей.

6. Демонстрация товара.

7. Конкурсы.

8. Установление предельного срока – предложение остается в силе только определенное количество времени.

9. Альтернатива «да»-«нет». В этом случае на упаковку наклеивается вопрос с заведомо положительным ответом, причем слово «да» печатается большими красочными буквами, а слово «нет» – маленькими и невзрачными.

10. Бесплатное вступление в клуб.

11. Привлечение клиентов потребителями – клиенту, приобретшему товар, предлагают привлечь к покупке своих знакомых, друзей, родственников за определенное вознаграждение.

12. Отрицательный ответ. Потребителю по почте высылаются товары, каталоги, сувениры с фирменной символикой до тех пор, пока клиент на это согласен.

13. Лотерея. Среди потребителей, которые приобрели товар в определенный отрезок времени, проводится лотерея.







Данный текст является ознакомительным фрагментом.




Продолжение на ЛитРес








Капитальный ремонт: эффективные пути финансирования и стимулирования

«Целесообразно с привлечением широкого круга экспертов и с учетом имеющейся региональной практики создать на федеральном и региональном уровнях инструменты для развития внебюджетного финансирования капитального ремонта многоквартирных домов — гарантийные фонды, налоговые льготы и т.п.», — предложила руководитель Дирекции по проблемам ЖКХ Аналитического центра Мария Шилина, выступая с докладом на совещании рабочей группы «Качество жизни» Общероссийского общественного движения «Народный фронт «За Россию».

Основным вопросом совещания стало обсуждение проблем, возникающих при
формировании региональных программ капитального ремонта многоквартирных домов
(МКД), а также возможных путей их решения.

Участники совещания отметили, что при подготовке к переходу на новые
принципы финансирования капитального ремонта МКД не была проведена в
необходимом объеме информационно-разъяснительная работа с региональными
органами власти, органами местного самоуправления, собственниками помещений в
МКД, ТСЖ, управляющими организациями. Не были достаточно проработаны механизмы
взаимодействия власти, общества и бизнеса (в первую очередь, банков и
управляющих организаций), а при разработке типовых и инструктивных документов
основной акцент был сделан на развитие накопления средств собственников у
регионального оператора. Не в полной мере учтены возможности энергоэффективной
модернизации МКД при проведении капитального ремонта, а также возможность
совмещения финансирования работ по капитальному ремонту за счет прямых платежей
собственников помещений в МКД и образующейся экономии по оплате соответствующих
видов коммунальных ресурсов при проведении энергосберегающих мероприятий.
Управляющие организации, которые находятся в постоянном контакте с жителями,
знают техническое состояние МКД и способны стать необходимым организующим
звеном, согласно действующей правовой конструкции полностью исключены из
программ капитального ремонта МКД.

Мария Шилина в своем
докладе предложила возможные пути решения перечисленных
трудностей. На сайте Аналитического центра уже размещена
программа
создания в регионах организационно и экономически сбалансированных программ
капитального ремонта МКД, а также
обучающие и разъяснительные материалы для собственников,
ТСЖ, активов домов.

В апреле 2014 года планируется запуск площадки для «горизонтального
взаимодействия» региональных операторов, разработка и размещение на сайте АЦ
методических рекомендаций для региональных операторов по проведению конкурсов
по выбору кредитных организаций для открытия всех видов счетов (текущего, для
работы со средствами собственников, выбравшими форму накопления средств на
капитальные ремонт на счете регионального оператора, для работы со средствами
бюджета и др.), а также формирование и размещение в открытом доступе банка
данных предложений кредитных организаций в соответствии с согласованной
системой критериев и показателей.

Кроме того, в своем докладе Шилина отметила целесообразность совмещения
инструментов и источников финансирования капитального ремонта и
энергоэффективной модернизации жилищного фонда (261-ФЗ) и их государственного
стимулирования, а также упрощения и повышения открытости общих собраний
собственников помещений в МКД и изменения (упрощения) условий работы банков со
спецсчетами.

В целях стимулирования формирования пенсионных накоплений и повышения уровня пенсионного обеспечения россиян 30 апреля 2008 года был принят новый федеральный закон №56 «О дополнительных страховых взносах на накопительную часть трудовой пенсии и государственной поддержке формирования пенсионных накоплений».

В территориальных органах Пенсионного фонда целенаправленно разрабатываются и претворяются в жизнь планы работы, включающие широкий спектр подготовительных мероприятий по реализации программы по дополнительному пенсионному страхованию.

Выступления руководителей и специалистов Управления Пенсионного фонда РФ в Заводском районе Новокузнецка на страницах городских печатных средств массовой информации и в новостных эфирах радио «Новокузнецк» вызвали живой интерес к новой программе, как со стороны застрахованных лиц, так и со стороны работодателей. А в ближайшие два месяца специалисты Управления проведут серию рабочих встреч и семинаров для страхователей района.

Одной из «первых ласточек» (по следам опубликованного в газете «Новости Евраза» интервью с заместителем начальника Управления Е.Т. Поповой) стала рабочая встреча с представителями ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат». К слову сказать, запсибовцы вышли на встречу по собственной инициативе.

Металлургический гигант ЗапСиб — крупнейшее предприятие не только Новокузнецка: он входит в пятерку крупнейших в России и тридцатку крупнейших в мире сталелитейных заводов. В его цехах и структурных подразделениях трудятся сегодня более 20 тысяч металлургов.

Лидирующую позицию ОАО «ЗСМК» занимает и в списке страхователей Заводского района, являясь добросовестным налогоплательщиком, своевременно и в полном объеме выплачивающим страховые взносы за своих трудящихся.

С декабря 2006 года комбинат является трансферагентским центром, то есть организацией, с которой у Пенсионного фонда заключено соглашение о взаимном удостоверении подписей, самостоятельно принимая заявления трудящихся о переводе средств пенсионных накоплений работников Запсиба в доверительное управление негосударственного пенсионного фонда или управляющей компании.

Об основных положениях ФЗ № 56, о том, каков порядок добровольного вступления в правоотношения по обязательному пенсионному страхованию в целях уплаты дополнительных страховых взносов на накопительную часть трудовой пенсии гостям рассказала заместитель начальника Управления Е.Т. Попова. Об условиях и порядке уплаты дополнительных взносов на накопительную часть трудовой пенсии, а также добровольных взносов работодателя участникам встречи рассказала начальник отела персонифицированного учета Т.В. Ефимова, а специалист клиентской службы Н.Е. Жекова познакомила присутствующих с порядком и сроками предоставления государственной поддержки формирования пенсионных накоплений.

По отзывам представителей Западно-Сибирского металлургического комбината, предложенная информация была своевременной и необходимой. Как отметила заместитель начальника отдела кадров ОАО «ЗСМК» Н.Ю. Эйрих, схема взаимодействия, подобная той, что предлагается в программе по дополнительном пенсионному страхованию, на ЗапСибе уже хорошо себя зарекомендовала. В течение ряда лет по вопросу формирования пенсионных накоплений своих работников Западно-Сибирский металлургический комбинат активно сотрудничает с НПФ «Национальный негосударственный фонд пенсионного и социального обеспечения «Металлург».

В рамках реализации принятого закона администрацией Управления в адрес управляющего директора ОАО «ЗСМК» Р.Ф. Нугуманова направлено информационное письмо с предложением рассмотреть возможность участия металлургического комбината в программе дополнительного пенсионного страхования.

Поделиться новостью

Стимулирование мозговой деятельности — СК «ИНГОССТРАХ-М»

Каждый день мы тратим огромное количество энергии на осуществление своей жизнедеятельности. Однако большинство сил у нас уходит на учебу или работу. Наш мозг ежедневно получает гигабайты информации, которые ему приходится принимать и обрабатывать. Как и сердце, этот орган никогда не перестает работать, даже во сне и именно поэтому ему необходимо большое количество энергии. А как известно, ее количество напрямую зависит от того, что и сколько мы едим.

Наверняка, вы слышали такой факт, что сахар (даже скорее глюкоза) способствует активизации мозговой активности. Именно поэтому, поедая в огромных количествах сладости, некоторые списывают это на необходимость, ради поддержания мозговой деятельности на должном уровне. Однако сахар быстро распространяется по организму и его поглощает инсулин, именно поэтому эффект от потребления глюкозы непродолжительный. Помимо всего прочего жиры, содержащиеся во многих пирожных, дополнительно препятствуют поглощению сахара.

Таким образом, получается, что для питания активной мозговой деятельности идеально подойдут белки, углеводы и вода. Для улучшения всех мозговых процессов, таких как память, концентрация, внимание и скорость мышления надо грамотно подобрать продукты питания, которые обязательно стоит включить в свой рацион.

Начнем мы с отличного источника быстроусваиваемого белка, магния и марганца – орехов. Арахис и грецкий орех станут идеальным дополнением к вашей еде, но стоит помнить, что это калорийные продукты и поэтому не рекомендуется потреблять больше 100г. в день. Миндаль и арахис кладезь фосфора, а также он улучшает память, а фисташки делают человека более восприимчивым.

Следующий кандидат на попадание в наш рацион питания – сухофрукты. Помимо глюкозы, в них можно найти калий и натрий, а в сушеной дыне много селена, калия, кальция, фруктозы и большое количество витаминов. Также во многих сухофруктах есть железо, аскорбиновая кислота. Именно поэтому рекомендуется употреблять сухофрукты в моменты активной мозговой деятельности – так вы лучше справитесь с нагрузками.

Как бы это было не удивительно, но следующий продукт – жирная рыба. Полезные вещества именно из нее усваиваются лучше, чем из мяса. Именно поэтому раз-два в неделю позволяйте себе немного лосося, форели, тунца или сардины. Жирные кислоты Омега-3, множество витаминов, железо, магний и много всего другого – вот, что даст вам рыба. Помимо всего прочего, это послужит для вас отличной профилактикой различных болезней связанных с сердечно сосудистой и нервной системой, а также стимуляцией таких процессов, как память и острота ума.

Для поддержания своего мозга длительное время в отличном состоянии вам не обойтись без яиц. Благодаря холину, содержащемуся в желтке – они являются отличным средством для профилактики болезни Альцгеймера. Благодаря употреблению яиц, человек начинает лучше концентрироваться и анализировать поступающую информацию.

Это только некоторые из продуктов, которые могут стать вашими помощниками в поддержании активности вашего мозга. Например, зелень, приправа Карри, многие ягоды и даже обыкновенный чай. Кушайте с пользой для себя и своего организма!

Источник: http://www.takzdorovo.ru

Меры государственной поддержки, направленных на стимулирование спроса на машиностроительную продукцию — Малое и среднее предпринимательство — Экономика



.



1) программа субсидирования скидок на
российскую технику для сельского хозяйства;

Механизм – приобретение
сельскохозяйственной техники со скидкой в размере 10% (15%) в рамках
постановления Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2012 г. № 1432.
Покупателю необходимо заключить договор о реализации российской техники. Всю
документацию для получения субсидии подает в Минпромторг России производитель
техники. Куратор программы: Шмидова Анастасия Павловна, тел. 8 (495) 870 29
21(доб. 21649), эл. почта [email protected]

2) программа субсидирования скидок на российское
оборудование для пищевой и перерабатывающей промышленности;

Механизм – приобретение машин и оборудования для
пищевой и перерабатывающей промышленности со скидкой в рамках постановления
Правительства Российской Федерации от 4 июня 2020 г. № 823. Покупателю
необходимо только заключить договор о реализации российского оборудования. Всю
документацию для получения субсидии подает в Минпромторг России производитель
оборудования. Куратор программы: Митичкина Юлия Евгеньевна, тел. 8 (495) 870 29
21 (доб. 28636), эл. почта [email protected]

3) программа
льготного лизинга на российские сельскохозяйственные машины, пищевое
оборудование и строительно-дорожную технику;

Механизм – приобретение машин,
оборудования и техники в льготный лизинг со скидкой в размере 10% при уплате
авансового платежа в рамках постановления Правительства Российской Федерации от
3 июня 2020 г. № 811. Покупателю необходимо заключить договор лизинга
российских машин, оборудования или техники. Всю документацию для получения субсидии
подает в Минпромторг России лизинговая организация. Куратор программы: Перцухов
Александр Дмитриевич, тел. 8 (495) 870 29 21 (доб. 28671), эл. почта
[email protected] gov.ru

4) программа льготного кредитования
российской специализированной техники.

Механизм
– приобретение специализированной техники в кредит со скидкой в размере 10% от
стоимости техники при уплате первоначального взноса по кредиту в рамках
постановления Правительства Российской Федерации от 17 февраля 2018 г. № 163.
Покупателю необходимо заключить кредитный договор на приобретение российской
техники. Всю документацию для получения субсидии подает в Минпромторг России
кредитная организация. Обращаем внимание, что программа льготного кредитования
распространяется на широкий перечень специализированной техники, в том числе на
продукцию автомобильной промышленности и железнодорожного машиностроения,
продукцию отраслей пищевого, строительно-дорожного, тяжелого, энергетического
машиностроения, станкостроения, оборудование для индустрий детских товаров,
музыкальных инструментов, реабилитационной и спортивной, оборудование для
легкой промышленности. Куратор программы: Митичкина Юлия Евгеньевна, тел. 8
(495) 870 29 21 (доб. 28636), эл. почта [email protected] Приемная
Департамента 8 (495) 870 29 21 (доб. 22120).

Одним из обязательных условий
приобретения машиностроительной продукции на льготных условиях в рамках
указанных программ субсидирования является наличие у ее производителя
заключения о подтверждении производства промышленной продукции на территории
Российской Федерации (далее – заключение), выданного в соответствии с
постановлением Правительства Российской Федерации от 17 июля 2015 г. № 719.
С перечнем выданных
Минпромторгом России заключений можно ознакомиться, перейдя по ссылке:
https://gisp.gov.ru/pp719/p/pub/res/. Подробная информация о порядке получения
заключения размещена на официальном сайте Минпромторга России в
информационно-телекоммуникационной сети «Интернет» в разделе «Деятельность»,
подраздел «Вопросы государственной промышленной политики», подраздел
«Практическая информация по порядку подтверждения производства продукции на
территории Российской Федерации в соответствии с постановлением Правительства
Российской Федерации от 17 июля 2015 г. № 719». По возникающим вопросам в части
получения указанного заключения производителям продукции следует обращаться к
Хохлову Максиму Геннадьевичу, тел. 8 (495) 870 29 21 (доб. 22582), эл. почта
[email protected]

границ | Прикосновение к языку прикосновений: использование неинвазивной стимуляции для определения тактильных афферентных паттернов

Введение

Сенсорный интерфейс мозг-машина обходит стандартные системы сенсорного ввода, которые преобразуют сигналы окружающей среды в нейронную активность. Вместо этого нейронная активность генерируется новыми способами, управляемыми компьютерными вводами, которые разрабатываются на основе сигналов окружающей среды. Улучшенные сенсорные интерфейсы мозг-машина открывают перспективы во многих областях, от качества жизни для людей с ограниченными возможностями до расширения диапазона нормальных чувств.Одна из основных проблем сенсорных интерфейсов мозг-машина традиционно рассматривалась как проблема пространственного и числового масштаба: например, у людей зрительный нерв имеет порядка 10 6 аксонов (Mikelberg et al., 1989), слуховой компонент вестибулярного кохлеарного нерва имеет порядка 10 4 аксонов (Spoendlin and Schrott, 1990), а средний нерв, отходящий от руки, также имеет порядок 10 4 аксонов (Johansson and Vallbo, 1979). . Напротив, современные имплантаты сетчатки имеют от 20 до нескольких сотен электродов (Sinclair et al., 2016; Farvardin et al., 2018), кохлеарный имплант, который стимулирует выжившие спиральные ганглиозные клетки, имеет менее 25 электродов (Patrick and Clark, 1991), а бионические протезы руки, призванные обеспечить обратную связь с пользователем при ощущении прикосновения, используют имплантаты с 4–96 электродами на до трех нервов (Boretius et al., 2010; Raspopovic et al., 2014; Schiefer et al., 2016; Wendelken et al., 2017). Значительные усилия прилагаются, чтобы преодолеть разрыв между количеством датчиков / электродов и количеством афферентных нейронов. В этом обзоре мы надеемся вызвать размышления о возможности решения этой проблемы и привлечь внимание к потенциалу, который дает более пристальное внимание к точному контролю времени ввода через эти интерфейсы. В отличие от пространственных проблем, временное разрешение менее миллисекунды легко достигается с помощью любого из существующих интерфейсов и напрямую сопоставимо с временной шкалой нервной системы, которая использует потенциалы действия или «всплески» с продолжительностью около одна миллисекунда. На языке мозга говорится о временном паттерне этих спайков, а также о множестве нейронов, в которых они активны.Более пристальное внимание к этому временному паттерну может представлять управляемый параллельный путь для улучшения качества сенсорных нейронных протезов. Мы будем уделять особое внимание недавним открытиям в области тактильной системы и их значению для эффективного кодирования информации для передачи в мозг.

Природа нейронной информации

За последние 100 лет было обнаружено беспрецедентное количество сведений о работе нервной системы. Сейчас хорошо известно, как потенциалзависимые ионные каналы обеспечивают надежную и быструю передачу потенциалов действия типа «все или ничего» на большие расстояния (Hodgkin and Huxley, 1952).Преобразование этого потенциала действия в импульс нейротрансмиттеров, которые взаимодействуют с рецепторами постсинаптических элементов в синапсе, также в значительной степени изучен (Lisman et al., 2007). Отставало наше понимание информационного содержания этих событий. В определенный момент нейронной обработки сенсорного события все информационное содержание события должно быть передано в паттерне потенциалов действия, перемещающихся в аксонах афферентных нейронов. Каждый из потенциалов действия — это всего лишь краткое изменение мембранного потенциала, но каким-то образом эти мерцающие потенциалы могут передавать важные качества события, такие как тепло, текстура, форма и твердость руки, которую человек держит.

Часть информации заложена в природе афферентного нейрона и сигналах окружающей среды, которые он способен передавать. Напр., Чувствительные к холоду афференты экспрессируют каналы TRP в своей клеточной мембране, которые открываются при охлаждении, приводя к деполяризации и генерации потенциалов действия (Bautista et al., 2007). Потенциалы действия в этих аксонах сигнализируют о «холода», потому что это наиболее частый источник потенциалов действия в этих аксонах, и потому что они связаны с другими нейронами выше в нервной системе, которые принимают участие в связанном с холодом поведении, таком как дрожь.Единичный потенциал действия в этих аксонах имеет свойство «холода», даже если он вызывается в аксоне чем-то другим, кроме открытия TRP-каналов, таких как электрическая стимуляция.

Однако более подробная информация о времени, интенсивности и сложных свойствах стимула передается с помощью паттерна активации множественных потенциалов действия в каждом аксоне. Уровень по умолчанию нейробиологического анализа этих паттернов возбуждения заключался в преобразовании их в среднюю частоту для использования в качестве показателя интенсивности афферентной активации.Это простой и надежный подход, но он игнорирует долгую историю исследований роли временного кодирования в слуховой системе (Galambos and Davis, 1943) и значительные доказательства потенциальной роли времени потенциала действия в различных сенсорных системах (VanRullen и др., 2005). Подход, основанный на скорости, также используется в качестве стратегии кодирования по умолчанию для многих сенсорных протезов, отчасти потому, что эти устройства одновременно активируют большие группы афферентов, а также из-за того, что временная информация будет перекодирована в код скорости в любом случае на более высоких уровнях. нервной системы (Ahissar, 1998).Этот основанный на частоте подход отбрасывает временную связь между индивидуальными потенциалами действия, которые, как мы покажем, потенциально являются богатым источником информации.

Нейронная информация в контакте

Touch — превосходная сенсорная система для изучения вопросов кодирования нейронной информации по ряду важных концептуальных и практических причин. Существует значительный объем существующих исследований, которые предполагают, что тактильная система может кодировать информацию множеством различных способов, некоторые из которых зависят от точных временных характеристик паттернов потенциала действия.Тактильная нервная система преобразует богатый и разнообразный набор стимулов, которые несут важную информацию для часто подсознательных манипуляций, но также вносят свой вклад в сознательные и эмоциональные переживания. Афферентные аксоны обычно легко доступны для инвазивной и неинвазивной стимуляции и записи в тактильной системе. Это свойство делает систему отличным местом для сенсорного нейронного протеза, о чем свидетельствует развитие все более сложных технологий замкнутого контура для протезов конечностей и тактильных устройств.

Ощущение прикосновения к кончикам пальцев у людей обслуживается четырьмя классами миелинизированных афферентных нейронов, рассмотренных Johnson (2001), Macefield and Birznieks (2009) и Abraira and Ginty (2013). Некоторые из этих афферентов, называемые быстрой адаптацией (FA), реагируют только на динамические стимулы, которые вызывают изменяющийся во времени профиль напряжения на их рецепторных окончаниях. Другие, называемые медленно адаптирующимися (СА), также реагируют на динамические стимулы, но способны вызывать реакцию, продолжающуюся в течение многих секунд, на статические стимулы.Рука содержит приблизительно 17 000 таких афферентов (Johansson and Vallbo, 1979), и их совокупная активность достаточна для того, чтобы мы могли различать формы, текстуры, контактные силы, частоты вибрации и направления движения. Многолетние исследования с использованием вибрации точечных зондов на коже позволили установить набор профилей частотной чувствительности для четырех афферентных типов быстрого прикосновения, обнаруженных на руке (Talbot et al. , 1968; Johansson et al., 1982). Однако степень, в которой информация от этих различных афферентных типов сохраняется в отдельных каналах, и то, как информация в схеме возбуждения потенциалов действия передает синусоидальную частоту стимуляции и амплитуду стимуляции, остается областью активного исследования.

Четыре различных афферентных класса имеют свою пиковую чувствительность на разных частотах синусоидальной вибрации. Для афферентов SAI и SAII их лучшая чувствительность к вибрации проявляется на низких частотах, ниже 8 Гц, в то время как FAI наиболее чувствительны при 32 Гц, а FAII — на 256 Гц (Johansson et al., 1982). Несмотря на то, что отдельные афференты будут реагировать на широкий диапазон частот при достаточно сильном стимуле (Johansson et al., 1982), видная интерпретация профилей частотной чувствительности этих афферентов состоит в том, что, как и в случае с «холодным» свойством холода. афферентные, каждый из четырех механочувствительных афферентных типов (SAI, SAII, FAI и FAII) вызывает качественно различное ощущение частоты.Наиболее развитой из этих интерпретаций является четырехканальная модель механорецепции, которая присваивает каждому афферентному типу часть частотного диапазона на основе пороговых значений, определяемых поведением (Bolanowski et al., 1988). В этой модели SAII отнесены к высокочастотному диапазону, и предполагается, что каналы взаимодействуют путем суммирования их воспринимаемых величин (Gescheider et al., 2004). Однако эта интерпретация делает логический скачок, который связывает частотно-зависимые пороги отдельных афферентных типов и частотно-зависимые вариации порогов восприятия, чтобы заключить, что отдельные афферентные типы напрямую и независимо опосредуют восприятие частоты в определенных частотных диапазонах.

Расширение этой интерпретации касается согласования сигналов, когда одновременно активны несколько афферентных типов. В этом случае была выдвинута гипотеза, что соотношение их активности может кодировать частоту вибрации аналогично цветочувствительным колбочкам сетчатки, причем наиболее активные афферентные типы вносят наибольший вклад в восприятие частоты. Однако исследование, в котором систематически варьировали коэффициенты пополнения афферентов FA, не продемонстрировало какого-либо устойчивого влияния на восприятие частоты (Morley and Rowe, 1990).Действительно, более свежие данные исследований на животных показывают, что сигналы, исходящие от этих афферентов, сходятся в первичной соматосенсорной коре или, возможно, даже на более низких уровнях (Pei et al., 2009; Carter et al., 2014; Saal et al., 2015) . Это говорит о том, что мы не должны рассматривать эти афференты как чистые каналы, представляющие полосу частот, и поддерживает идею о том, что информация из этих каналов интегрирована способом, который в некоторой степени не зависит от афферентного источника.

На вопрос о нейронном коде частоты и о том, как извлечь его независимо от амплитуды стимула, сложно ответить, как показано на рисунке 1.При низких амплитудах стимуляции (но выше порога нервной реакции) тактильный афферентный нейрон будет генерировать случайный потенциал действия во время цикла вибрации, который перемещает зонд вниз и вверх по коже. При более высокой амплитуде афферент будет генерировать 1 пик для каждого цикла вибрации, а скорость реакции будет соответствовать частоте стимула; этот образец отклика называется увлечением 1: 1 или плато настройки (Talbot et al., 1968). При еще большей амплитуде афферент может реагировать 2, 3 или более раз на каждый цикл вибрации (Johnson, 1974; Johansson et al., 1982). Это соотношение амплитуды и частоты подразумевает, что нейронный код, основанный на подсчете количества потенциалов действия в фиксированный период времени (код скорости), возможно, может быть использован для определения амплитуды (рисунок 1E), но не может использоваться для определения частоты стимул.

Рисунок 1. Сложная взаимосвязь афферентного ответа с амплитудой стимула для синусоидальной вибрации на коже. (A – D) Верхний график в каждом состоянии представляет стимул, на нижнем графике вертикальный перегиб представляет потенциал действия или всплеск в одном афферентном нейроне. (E) Схема афферентного ответа FAI при стимуляции частотой 50 Гц в диапазоне амплитуд вибрации. Обратите внимание на плато в ответе в диапазоне амплитуд вибрации, в частности при увлечении 1: 1.

Доказательства важности информации о времени в сенсорных нейронных сигналах

Группа Маунткасла выдвинула аргументы в пользу нейронного кода, основанного на периодичности интервалов между спайками в нервном возбуждении, как средства, с помощью которого нервная система может отличать частоту от интенсивности вибрационного стимула (Talbot et al., 1968). Это основанный на времени код, работающий по шаблону всплесков частоты сигнала, который может функционировать независимо от базовой скорости отклика нейрона. Не было предложено никакого специального нейронного механизма для выполнения этого декодирования, которое, как предполагалось, должно было действовать частично путем сравнения между корковыми нейронами, поскольку отдельные нейроны не могут стрелять на частотах, соответствующих скорости захвата. Даже 50 лет спустя не было обнаружено легко интерпретируемого нейронного кода или механизма декодирования вибротактильной частоты в корковых нейронах, кроме очевидного особого случая кодирования места во входных сигналах мышей, связанных с глубокими входами Пачини (Prsa et al., 2019).

Нейронный код интенсивности вибрационного стимула был предложен Джонсоном (1974), а позже Muniak et al. (2007), чтобы быть основанным либо на количестве активных афферентов, либо на коде, основанном на частоте активации этих афферентов.

За последние 50 лет появилось все больше доказательств, подтверждающих важную роль информации о времени, например, основанной на фазовой синхронизации, предложенной Talbot et al. (1968), а не просто полагаться на частоту всплесков сенсорных сигналов.Это было продемонстрировано для слуха с использованием как нормального слуха (von Békésy, 1961), так и стимуляции через кохлеарный имплант с использованием последовательности импульсов, чередующихся с 2 интервалами (Carlyon et al. , 2008), где частота восприятия не соответствовала ожидаемой от представлена ​​простая арифметическая частота импульсов. Имеются убедительные доказательства визуальных экспериментов на животных (Gollisch and Meister, 2008), где было показано, что только латентный период самого первого выброса от множества ганглиозных клеток сетчатки до мигающего зрительного изображения было достаточно для восстановления изображения.Результаты были еще более надежными, когда использовались различия в латентности между нейронами, а другие аналогичные исследования рассмотрены в VanRullen et al. (2005) и Panzeri et al. (2014). Для этих измерений начало стимула, которое в природе может быть вызвано быстрым движением глаз, действует как базовая временная точка, с которой измеряются задержки. Существуют аналогичные наводящие на размышления данные о значимости эквивалентного времени первого всплеска в тактильном различении направления силы и формы объекта (Johansson and Birznieks, 2004), крутящего момента (Birznieks et al., 2010; Redmond et al., 2010), контактная сила и трение (Khamis et al., 2014). Анализ входных данных от афферентов FAI и SAI показывает, что детализированная временная информация может использоваться для улучшения различения краевой ориентации тактильных объектов (Pruszynski and Johansson, 2014).

Исследования на животных с тактильными стимулами также указывают на важность временных кодов (Panzeri et al., 2001; Arabzadeh et al., 2006). В экспериментах с бодрствующими крысами, которые оценивали текстуру с помощью усов, было показано, что измерения, основанные на времени, несут большую информацию (Zuo et al., 2015). Временные меры были созданы путем определения шаблона, который взвешивал вклады пиков на основе их времени после контакта с усами, чтобы обеспечить наилучшее различение. Проблема многих таких исследований состоит в том, что демонстрация того, что хронометраж передает больше информации, чем одна только скорость, не то же самое, что показать, что нервная система использует эту доступную информацию. Это исследование Zuo et al. (2015) начинает преодолевать разрыв между тем, какую информацию о времени всплеска, в частности, информацию об относительном времени всплеска, полученную от нейронной популяции ансамбля, может позволить, и тем, для чего она фактически используется, показывая, что эти временные меры были лучшими предикторами фактического правильного -неправильное решение, которое животное приняло по текстуре, чем по оценкам.Это говорит о том, что хотя точный механизм времени, используемый экспериментаторами, вряд ли будет тем, что реализовано в нервной системе, нервная система фактически использует некоторую форму анализа информации, основанной на времени. В исследовании различения различных тканей на вращающемся барабане поведение человека сравнивалось с возможными временными кодами и кодами скорости, основанными на записях у обезьян одиночных тактильных афферентов, иннервирующих пальцы (Weber et al., 2013). Было ясно, что суждения о тонких текстурах преимущественно основывались на кодированной во времени информации, поступающей через афференты FA, тогда как грубые текстуры зависели от кода скорости популяции в афферентах SAI.

Контроль времени тактильных афферентных спайков с помощью неинвазивной стимуляции

Два исследования, описанные выше, смогли объединить контроль стимулов, нейронную запись и поведенческие эксперименты на бодрствующих животных, но получение эквивалентных данных на людях является особенно сложной задачей. В нашей лаборатории мы смогли объединить две технологии и предложить новый подход к решению этих вопросов передачи информации в периферической нервной системе на ощупь.Одна из технологий — пульсирующая стимуляция, которая предлагает неинвазивный способ вызвать точные модели одиночных потенциалов действия в небольшой популяции периферических афферентных нейронов. Другой технологией является микронейрография (Vallbo and Hagbarth, 1968), которая позволяет нам регистрировать активность в реальном времени отдельных афферентных нейронов бодрствующих людей. Сочетание этих методов с психофизикой позволяет нам уверенно задавать вопросы о нейронном кодировании сложных тактильных свойств, давая нам почти полный контроль над восходящими паттернами афферентной активности (Birznieks and Vickery, 2017).

Техника стимуляции основана на создании точно контролируемых паттернов спайков в тактильных афферентах с помощью коротких нажатий (импульсов стимула), доставляемых с интенсивностью, значительно превышающей порог нервной реакции. При условии, что длительность импульсного стимула примерно такая же, как рефрактерный период афферентного аксона (около 1,5 мс при нормальных условиях), каждый импульс будет вызывать максимум одиночный спайк в ответных афферентных аксонах в широком диапазоне амплитуд стимула. Этот метод позволяет нам воспроизвести желаемый образец пиков в периферических афферентных аксонах человека и провести психофизические эксперименты, чтобы исследовать вызванные ощущения.Импульсы могут повторяться с любым желаемым временем и частотой повторения, всегда активируя одну и ту же популяцию афферентных нейронов. Таким образом, мы можем моделировать различные параметры окружающей среды, создавая паттерны всплесков, отражающие те, которые вызваны условиями окружающей среды, но при этом поддерживать фиксированную афферентную популяцию, которая вызывает ощущения. Мы используем технику микронейрографии, чтобы проверить точность преобразования нашего стимула в паттерны спайков путем записи единичных тактильных афферентов человека, в то время как субъект получает пульсирующую стимуляцию (см. Рис. 2).

Рис. 2. (A) Представление четырех пульсирующих вибротактильных стимулов, где каждая вертикальная линия указывает время механического импульса. (B) Запись цепочек спайков, вызванных единичным тактильным афферентом FAI человека, идентифицированные одиночные спайки показаны красным с точкой. Существует точное соответствие стимула и афферентной реакции с одним импульсом на импульс. Адаптировано с разрешения Birznieks и Vickery, Spike Timing Matters in New Neuronal Code Engagement in Vibrotactile Frequency Perception, Current Biology , 27, 1485-1490, 2017, Elsevier Ltd., 10.1016 / j.cub.2017.04.011.

Все пульсирующие стимулы, используемые в наших экспериментах, доставляются неинвазивно, либо путем механической стимуляции кожи, либо путем электрической стимуляции кожи, покрывающей периферический нерв, такой как цифровой нерв. Для электростимуляции мы используем изолированный стимулятор, такой как DS5 (Digitimer, Хартфордшир, Соединенное Королевство), для обеспечения зарядовой стимуляции с фазой деполяризации 0,1 мс и фазой реполяризации 1 мс. Для механической стимуляции у нас есть несколько устройств, способных производить короткий механический импульс.Мы использовали Optacon 1D (Bliss, 1969), управляемый специально разработанным интерфейсом, который предлагает 144 контакта со смещением примерно 15 мкм в течение <2 мс. Амплитуда и ширина импульса адекватны для надежной активации афферентов FAI и FAII, но не афферентов SA, что согласуется с данными на обезьянах (Gardner and Palmer, 1989). Чтобы получить большие амплитуды импульсов, которые задействуют афференты СА, мы используем шейкер GW-V4 (Data Physics, Сан-Хосе, США), управляемый через Power1401 (CED, Милтон, Соединенное Королевство), где мы используем управление с прямой связью для гашения резонанса шейкер для обеспечения короткого одиночного механического импульса с амплитудой до 150 мкм.

Использование пульсирующей стимуляции с низкой амплитудой (<5 мкм) позволяет избирательно активировать афференты FAII, используя их чрезвычайную чувствительность к короткопериодическим сигналам (Johansson et al., 1982). На частотах ниже 40 Гц в тактильных входах обычно преобладают афференты FAI, потому что они активируются при более низкой пороговой амплитуде, чем афференты FAII, когда используется синусоидальная вибрация, как это имело место в большинстве экспериментов с использованием вибротактильных стимулов. Однако, используя наши пульсирующие стимулы с низкой амплитудой, мы можем избирательно активировать афференты FAII без активности FAI, даже на низких частотах.Эти неинвазивные инструменты стимуляции позволили нам продемонстрировать, что афференты FAII способны поддерживать высококачественное восприятие вибрации на этих низких частотах, что обеспечивает дополнительную поддержку конвергенции этих входных каналов в общие схемы обработки частоты коры головного мозга (Birznieks et al. , 2019).

Изменение ощущения прикосновения человека с помощью различных шаблонов синхронизации спайков

Используя эти методы неинвазивной стимуляции, мы смогли продемонстрировать критическую важность определения времени спайков для формирования тактильного восприятия человеком, в данном случае вибротактильной частоты.Мы намеревались показать, что частота всплесков в периферических афферентах не может достоверно кодировать частоту вибрации, о чем свидетельствует интуиция из рисунка 1, что увеличение амплитуды вибрации приводит к большему количеству всплесков за цикл, но не вызывает эквивалентного сдвига вверх воспринимаемого частота. Используя контролируемые импульсные стимулы, такие как показанные на рисунке 2, которые представляют собой управляемый способ имитации вспышки, показанной на рисунке 1, мы продемонстрировали, что воспринимаемая частота не связана с частотой спайков (Birznieks and Vickery, 2017).Однако неожиданно мы не смогли продемонстрировать, что воспринимаемая частота связана с основной периодичностью этих стимулов в соответствии с гипотезами Talbot et al. (1968). Вместо этого мы обнаружили, что воспринимаемая частота испытуемых лучше всего объяснялась молчаливым промежутком между всплесками всплеска независимо от количества всплесков в серии, длительности всплеска или периодичности. Разница между разрывным промежутком и периодичностью проиллюстрирована на рисунке 3. Всплески хорошо известны в нейробиологической литературе как распространенная форма нейронной активности в тактильной системе (Vickery et al., 1994) и др. Предполагается, что всплески играют ключевую роль в обработке информации, предоставляя точную информацию, которая может быть надежно передана через следующее реле (Lisman, 1997), взаимодействуя с настройкой резонансной частоты релейных ячеек (Izhikevich et al., 2003) и с помощью предлагая параллельный информационный путь в виде всплесков, в отличие от отдельных всплесков (Naud and Sprekeler, 2018). В этих трех исследованиях продолжительность всплеска составляла от 10 до 25 мс, причем эта разница, вероятно, зависела от свойств временной интеграции изучаемых нейронов.Мы определили временную шкалу, в пределах которой последующие пики в нашем исследовании будут сгруппированы вместе как пачки, путем определения диапазона интервалов между импульсами, в котором применяется разрыв между пиками. Мы обнаружили, что спайки в тактильных афферентах с огибающей 15 мс рассматривались как всплески, и в диапазоне 15-25 мс некоторое взаимодействие все еще сохранялось. После 25 мс пики считались независимыми сенсорными событиями, и код пачек пачек больше не применялся, и восприятие можно было объяснить кодом скорости (Birznieks and Vickery, 2017).Теперь мы расширили эти результаты, чтобы показать, что мы можем вызвать те же реакции разрывных промежутков, когда мы доставляем чрескожную электрическую стимуляцию пальцевым нервам вместо использования механической стимуляции (Ng et al., 2020).

Рисунок 3. Показывает группировку всплесков в пакеты. Кажущаяся частота — это величина, обратная времени между пакетами, обозначенному промежутком между пакетами. Это выше, чем частота, предсказанная на основе периода основной формы волны стимула.

Чтобы продемонстрировать устойчивость огибающей интеграции для паттернов пиков, содержащих всплески, мы также протестировали апериодические стимулы (Ng et al., 2018), которые могут лучше моделировать вариации, встречающиеся при повседневном тактильном исследовании поверхностей. Используя Optacon, мы получали образцы всплесков с интервалами от 4 до 113 мс со средней частотой всплесков ниже 50 Гц. Наш прогноз заключался в том, что воспринимаемая частота этих стимулов будет ниже, чем средняя частота всплесков, в результате того, что интервалы <25 мс попадают в окно всплеска и, таким образом, не влияют на их вес в кажущейся частоте. Все три протестированные частоты показали воспринимаемые частоты примерно 80% от среднего значения (Ng et al., 2018). Это дает убедительные доказательства того, что средняя частота спайков не является ключевым фактором воспринимаемой частоты, и что тонкая временная структура последовательности спайков играет решающую роль в сенсорном опыте. Это согласуется с экспериментальными результатами, которые объединили афферентные данные от обезьян с психофизическими исследованиями, проведенными на людях, чтобы показать, что мелкие временные особенности в миллисекундном масштабе, обнаруженные афферентами ФА, были гораздо более сильными предикторами человеческого восприятия сходства двух стимулов, чем измерения, основанные на код скорости (Mackevicius et al., 2012).

Значение для разработки сенсорных нейронных протезов и интерфейсов мозг-машина

Понимание нейронного кодирования и возможность, предоставляемая контролем времени спайков, представляют собой достижения, которые должны быть трансформированы в достижения в интерфейсах между внешними устройствами и периферическими нервами или нейронами в центральной нервной системе. Хотя современные бионические протезы, как указано во введении, приносят огромную пользу пользователям, они далеки от того, чтобы соответствовать масштабу систем сенсорной трансдукции, для взаимодействия с которыми они предназначены.Любое предсказуемое в настоящее время улучшение все же оставит интерфейсы далеко от связи 1: 1 между датчиком и афферентным нейроном. Эта задача имеет несколько аспектов, одна из которых состоит в том, чтобы поддерживать стабильную связь с нейроном или аксоном, который является хрупким, гибким и имеет размер порядка 10 мкм. Хотя есть возможные новые подходы с использованием гибких материалов и оптических технологий, все еще предстоит преодолеть очень серьезные проблемы (Durand et al., 2014).

Предполагая, что проблему масштаба можно каким-то образом преодолеть с помощью все более миниатюрной технологии, соотношение сенсор-афферент 1: 1 может работать эффективно только в том случае, если афференты могут быть нанесены на карту, так что известно, какие ощущения вызывает каждый афферент.Это позволяет выполнять вычислительную обработку сигналов датчиков для оптимизации сенсорного восприятия, стимулируя каждый афферент входными сигналами от соответствующих датчиков в соответствующих шаблонах. Для некоторых афферентов это сопоставление должно оказаться прямым, поскольку кажется, что в целом отдельные афференты FAI и FAII могут дать начало четкому и локализованному восприятию (Ochoa and Torebjörk, 1983; Vallbo and Johansson, 1984) и SAI от спины. стопы и руки могут вызывать сознательные ощущения (Nagi et al., 2019).Напротив, одиночные афференты SAII (Ochoa and Torebjörk, 1983) и афференты SAI от волосистой кожи предплечья (Vickery et al., 1993), по-видимому, не вызывают сознательного восприятия. Может случиться так, что активация определенных комбинаций этих афферентов может вызвать восприятие, но сложность и размерность этих комбинаций в настоящее время не поняты.

Без шкалы 1: 1 бионический протез активирует группы нейронов, а не отдельные афференты. В относительно однородной сенсорной системе, такой как слуховая система, в которой только внутренние и внешние волосковые клетки являются основными нервными различиями в улитке, эта стратегия может оказаться эффективной.В зрении фоторецепторы сложным образом сходятся к ганглиозным клеткам, создавая, среди прочего, центральные и нецентральные пути. Одновременная стимуляция групп центральных и нецентральных клеток создает неестественное восприятие, так как обычно только один или другой тип будет активен в конкретном месте сетчатки в любой момент, и это может частично объяснить, почему стимуляция сетчатки производит фосфены (Sinclair et al. al., 2016), а не более естественные восприятия. В тактильной системе бионический протез, активирующий группы афферентов, вероятно, активирует как медленно адаптирующиеся, так и быстро адаптирующиеся нейроны, тем самым ограничивая возможность адаптации стратегии стимуляции к конкретному типу афферентов.Использование механической стимуляции вместо электростимуляции обеспечивает некоторую избирательность при выборе тактильных афферентных типов (Antfolk et al., 2013; Birznieks et al., 2019).

Важный связанный с этим вопрос заключается в том, в какой степени отдельный афферент должен рассматриваться как уникальный индивидуальный вход, а не как представитель афферентного класса. Тип нервного окончания и его расстояние от места раздражителя имеют значение, но каждый тактильный афферент имеет свой собственный уникальный профиль чувствительности, благодаря чему он более эффективно возбуждается, чем другие афференты, определенными особенностями данного стимула из-за вариаций встраивания рецептора в ткань кожи. такие как геометрия и анкеровка (Birznieks et al., 2001). Естественные стимулы, вероятно, активируют афференты всех классов (Johansson and Westling, 1987), однако любой данный афферент может вносить свой вклад в восприятие очень специфическим образом в одной ситуации, но никак не в другой ситуации. В настоящее время остается открытым вопрос, насколько высшие уровни нервной системы используют эти весьма специфические источники информации. Предположительно, корреляция стимула и конкретных индивидуальных афферентных активаций может быть изучена в ходе развития с помощью нейронной пластичности для информирования при принятии решений.Стимул для замены протеза в идеале должен использовать ту же нейронную пластичность, чтобы максимизировать передаваемую информацию.

Полуселективная механическая стимуляция, предложенная выше, может быть объединена с целенаправленной операцией сенсорной реиннервации у людей с ампутированными конечностями, когда культя нервов, которые обычно иннервируют руку (локтевая и срединная), хирургическим путем перемещают и стимулируют к росту, чтобы они иннервировали вышележащая кожа нового участка, которая была деиннервирована.Механическая стимуляция кожи в этом новом месте могла бы обеспечить более естественное отображение ощущений от различных афферентных типов к бионической руке, поскольку субъекту будет казаться, что ощущение возникает от его руки, а не от участка тела на самом деле. стимулировали (Hebert et al., 2014).

Использование временных нейронных кодов для улучшения сенсорных нейронных протезов

Мы полагаем, что повышенное внимание к пониманию и использованию точной временной информации в вызванных паттернах спайков может помочь в достижении лучших результатов для бионических протезов.В отличие от проблемы пространственного и числового масштаба, временная шкала нервной системы очень управляема с помощью современных технологий. Временное разрешение 0,2 мс, что соответствует частоте цифроаналогового преобразования (ЦАП) 5 кГц на канал, почти наверняка достаточно для полного временного разрешения нервной системы (Mackevicius et al., 2012), за исключением слухового аппарата. для локализации звука по разнице во времени между слухами, где пороговые значения могут составлять 0,01 мс (Brughera et al., 2013). Есть два подхода к лучшему кодированию этой временной информации, которые различаются по степени требуемой интерпретации информации.

Одна из стратегий состоит в том, чтобы принять агностический взгляд на значимость паттернов и вместо этого просто передать временную информацию как реалистичные паттерны пиков с максимально возможной достоверностью. Сила такого подхода в том, что потенциально полезная информация, кодировка которой мы еще не понимаем, не отбрасывается. Этот подход лежит в основе одной из техник, которые мы использовали (Rager et al., 2013), чтобы сохранить образцы всплесков, связанных с особенностями окружающей среды, с точностью до субмиллисекунд.Мы создали библиотеку виртуальных тактильных афферентных нейронов, обучая шумные нейроны с интеграцией и запуском (Paninski et al., 2004) на данных, полученных из реальных афферентов, при их пропускании через искусственные сенсоры с одним и тем же набором механических стимулов. Мы согласились с тем, что пожертвуем пространственным масштабом, используя только несколько преобразователей вместо тысяч нормальных тактильных рецепторов, но мы смогли сохранить паттерны спайков при высоком временном разрешении. Родственный подход, основанный на TouchSim, который моделирует афферентные реакции населения (Saal et al., 2017), использует объединенные выходные данные модели (реализованные в эффективном алгоритме кодирования) для фиксации как паттернов пиков, так и количества активных афферентов (Okorokova et al., 2018). Этот подход работает хорошо и показывает хорошую модуляцию с вариациями интенсивности стимула, но может потерять некоторую временную точность из-за объединения, которое проявляется на частотах выше 60 Гц (Окорокова и др., 2018).

Другая стратегия состоит в том, чтобы попытаться определить, как сенсорная информация передается во временном паттерне возбуждения спайков.Этот подход позволяет синтезировать желаемые ощущения, создавая соответствующий образец спайков, а также продвигает наши базовые нейробиологические представления. Однако, как показывает прогресс более чем 50-летних исследований, описанных выше, многое еще предстоит узнать. Понимание того, как частота кодируется интервалом между пакетами, а не периодом, представляет собой один маленький шаг в этом направлении. В настоящее время мы изучаем, могут ли спайки, которые «спрятаны» внутри взрывной оболочки в периферических афферентных паттернах спайков, вносить вклад в другие аспекты тактильных ощущений, такие как интенсивность (Ng et al., 2019). Другие группы объединяют эксперименты на животных с единичной записью коры головного мозга и поведенческие эксперименты, чтобы понять нейронный код тактильной информации на более высоких уровнях нервной системы (Harvey et al., 2013). Исследования бочкообразной коры головного мозга мышей, важной тактильной области для входов усов у грызунов, показывают, что сильная интеграция движений усов происходит в течение короткого периода времени, менее 25 мс (Stüttgen and Schwarz, 2010; Estebanez et al., 2012; Цыцарев и др., 2016), что хорошо согласуется с нашими наблюдениями. Также сообщалось о более слабой интеграции одного или двух интервалов между всплесками за более длительные периоды времени (Pitas et al., 2016), что подтверждает важность кодирования временных паттернов и может лежать в основе распознавания интервалов между всплесками.

Остается открытым вопрос, достаточно ли изучать временное кодирование в паттернах спайков одиночных афферентов или следует ли рассматривать формирование временного паттерна как распространяющееся на популяцию афферентных нейронов.Одна из проблем, с которой сталкивается популяционная модель, — это разброс во времени прибытия в центральную нервную систему (ЦНС) спайков, перемещающихся по разным афферентам, которые происходят из одного тактильного события на периферии. Скорость проведения афферентных аксонов человека варьируется от 35 до 70 мс –1 между аксонами в одном нерве (Dorfman, 1984). На расстоянии около 1 м от кончика пальца до ствола мозга эта разница скоростей приводит к разнице во времени прибытия около 15 мс.Это близко соответствует временной шкале, определяющей всплеск, который мы обнаружили для тактильных афферентов, и открывает возможность того, что одним из аспектов кодирования разрывов всплеска является сохранение единства ощущений, возникающих из-за всплесков, вызванных одним периферическим событием. Игнорируя разбросанные спайки, нервная система может надежно различить единичное событие. Это предполагает модифицированную форму разрывного промежутка, который мы назвали «молчаливым промежутком», где всплеск определяется пиковой активностью, агрегированной по афферентам, как показано на рисунке 4.Эта агрегация будет происходить в первом синапсе центральной нервной системы, который для основных тактильных путей находится в ядрах дорсального столба. Эти ядра также являются центром возможного интерфейса мозг-машина, причем ранние работы показали потенциал для декодирования афферентных входных сигналов с использованием методов машинного обучения (Sritharan et al., 2016; Loutit et al., 2017, 2019; Loutit and Potas , 2020).

Рис. 4. Расширение концепции разрыва между импульсами для частоты кодирования, чтобы охватить пиковую активность по популяции афферентов (1… n) как «молчание».«Почти одновременные события на периферии рассредоточиваются во времени по прибытии в центральную нервную систему (ЦНС) из-за различий между скоростями афферентной проводимости.

Заключение

Хотя очевидно, что еще многое предстоит понять об информации, кодируемой временным паттерном спайков, также ясно, что это представляет собой относительно малоиспользуемый инструмент для улучшения сенсорных нейронных протезов и интерфейсов мозг-машина. Возможность точного управления временными функциями по сравнению со многими проблемами, связанными с другими способами улучшения этих интерфейсов, предполагает, что фундаментальные нейробиологические исследования должны продолжать продвигаться в этой области, но что текущие представления должны быть встроены в следующее поколение устройств.Вероятно, что тактильные и слуховые протезы покажут наибольшую пользу от введения временного кодирования, поскольку использование временной информации лучше всего понимается в этих сенсорных системах; но дальнейшие исследования, вероятно, откроют способы использования этого с пользой в других модальностях.

Авторские взносы

Р.В. написал первый черновик рукописи. Все авторы участвовали в разработке концепции проекта, доработке рукописи, а также прочитали и одобрили представленную версию.

Финансирование

Некоторые из описанных работ были поддержаны грантом проекта NHMRC APP1028284 для IB и RV, грантом ARC Discovery Project DP200100630 для IB, RV, JP и MS, а также стипендией правительства Австралии по программе обучения исследованиям для KN.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим за техническую помощь Mr.Эдвард Кроуфорд (UNSW, Сидней) и г-н Хилари Картер (NeuRA) в разработке систем импульсной стимуляции.

Список литературы

Антфолк, К., Чиприани, К., Карроцца, М., Балкениус, К., Бьоркман, А., Лундборг, Г., и др. (2013). Передача тактильного воздействия с искусственной руки на предплечье: эксперименты на инвалидах и трудоспособных добровольцах. Disabil. Rehabil. 8, 249–254. DOI: 10.3109 / 17483107.2012.713435

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Арабзаде, Э., Панцери С. и Даймонд М. Э. (2006). Расшифровка последовательности импульсов сенсорного нейрона: количество и временные закономерности в пути усов крысы. J. Neurosci. 26, 9216–9226. DOI: 10.1523 / jneurosci.1491-06.2006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баутиста, Д. М., Сименс, Дж., Глейзер, Дж. М., Цуруда, П. Р., Басбаум, А. И., Стаки, К. Л. и др. (2007). Рецептор ментола TRPM8 является основным детектором холода в окружающей среде. Природа 448: 204.DOI: 10.1038 / nature05910

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бирзниекс И., Дженмальм П., Гудвин А. В. и Йоханссон Р. С. (2001). Кодирование направления сил на кончиках пальцев человеческими тактильными афферентами. J. Neurosci. 21, 8222–8237. DOI: 10.1523 / JNEUROSCI.21-20-08222.2001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бирзниекс, И., Макинтайр, С., Нильссон, Х.М., Наги, С.С., Мейсфилд, В.Г., Махнс, Д.А., и др. (2019).Тактильные сенсорные каналы перекрываются системой частотного декодирования, которая использует спайк-паттерн независимо от типа рецептора. eLife 8: e46510. DOI: 10.7554 / eLife.46510

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бирзниекс И., Викери Р. М. (2017). Время спайков имеет значение в новом нейронном коде, участвующем в восприятии вибротактильной частоты. Curr. Биол. 27, 1485–1490. DOI: 10.1016 / j.cub.2017.04.011.e1482.

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бирзниекс, И., Пшеница, Х. Э., Редмонд, С. Дж., Сало, Л. М., Ловелл, Н. Х., Гудвин, А. У. (2010). Кодирование тангенциального момента в ответах тактильных афферентных волокон, иннервирующих подушечку пальца обезьяны. J. Physiol. 588, 1057–1072. DOI: 10.1113 / jphysiol.2009.185314

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Блисс, Дж. К. (1969). Средство для чтения с относительно высоким разрешением для слепых. IEEE Trans. Человек-Мах. Syst. 10, 1–9. DOI: 10.1109 / TMMS.1969.299874

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Болановски, С.Дж., Гешайдер, Г. А., Веррилло, Р. Т., и Чекоски, К. М. (1988). Четыре канала опосредуют механические аспекты прикосновения. J. Acoust. Soc. Являюсь. 84, 1680–1694. DOI: 10.1121 / 1.397184

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Boretius, T., Badia, J., Pascual-Font, A., Schuettler, M., Navarro, X., Yoshida, K., et al. (2010). Поперечный внутрипучковой многоканальный электрод (TIME) для взаимодействия с периферическим нервом. Biosens. Биоэлектрон. 26, 62–69. DOI: 10.1016 / j.bios.2010.05.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бругера А., Дунаи Л. и Хартманн В. М. (2013). Пороговые значения разницы во времени для синусоидального тона человека: предел высоких частот. J. Acoust. Soc. Являюсь. 133, 2839–2855. DOI: 10.1121 / 1.4795778

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карлайон, Р. П., Махендран, С., Дикс, Дж. М., Лонг, К. Дж., Аксон, П., Багули, Д., и другие. (2008). Поведенческие и физиологические корреляты временного восприятия высоты звука в электрическом и акустическом слухе. J. Acoust. Soc. Являюсь. 123, 973–985. DOI: 10.1121 / 1.2821986

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Картер А. В., Чен С. С., Ловелл Н. Х., Викери Р. М. и Морли Дж. У. (2014). Конвергенция тактильных афферентных типов в первичной и вторичной соматосенсорной коре. PLoS ONE 9: e107617. DOI: 10,1371 / журнал.pone.0107617

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эстебанез, Л., Бустани, С. Э., Дестехе, А., и Шульц, Д. Э. (2012). Коррелированный ввод показывает сосуществующие схемы кодирования в сенсорной коре. Nat. Neurosci. 15, 1691–1699. DOI: 10.1038 / nn.3258

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фарвардин, М., Афарид, М., Аттарзаде, А., Джохари, М. К., Мехриар, М., Новрооззаде, М. Х. и др. (2018). Имплантация протеза сетчатки argus-II; от глобального к успешному опыту на местном уровне. Фронт. Neurosci. 12: 584. DOI: 10.3389 / fnins.2018.00584

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Галамбос Р. и Дэвис Х. (1943). Ответ отдельных волокон слухового нерва на акустическую стимуляцию. J. Neurophysiol. 6, 39–57. DOI: 10.1152 / jn.1943.6.1.39

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гарднер Э. П. и Палмер К. И. (1989). Имитация движения по коже. I. Рецептивные поля и временное частотное кодирование кожными механорецепторами импульсов OPTACON, доставляемых в руку. J. Neurophysiol. 62, 1410–1436. DOI: 10.1152 / jn.1989.62.6.1410

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гешайдер, Г. А., Болановски, С. Дж., И Веррилло, Р. Т. (2004). Некоторые характеристики тактильных каналов. Behav. Brain Res. 148, 35–40. DOI: 10.1016 / S0166-4328 (03) 00177-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Харви, М. А., Заал, Х. П., Дамманн, Дж. Ф. III, и Бенсмайя, С. Дж. (2013). Мультиплексирование информации о стимулах с помощью частотных и временных кодов в соматосенсорной коре приматов. PLoS Biol. 11: e1001558. DOI: 10.1371 / journal.pbio.1001558

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хеберт, Дж. С., Олсон, Дж. Л., Морхарт, М. Дж., Доусон, М. Р., Мараско, П. Д., Куикен, Т. А. и др. (2014). Новый метод сенсорной реиннервации для восстановления функциональной чувствительности руки после чрескожной ампутации. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Англ. 22, 765–773. DOI: 10.1109 / TNSRE.2013.2294907

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ходжкина, А.Л. и Хаксли А. Ф. (1952). Распространение электрических сигналов по гигантским нервным волокнам. Proc. R. Soc. Лондон. Сер. Б — Биол. Sci. 140, 177–183. DOI: 10.1098 / rspb.1952.0054

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ижикевич, Э. М., Десаи, Н. С., Уолкотт, Э. К., Хоппенстедт, Ф. К. (2003). Всплески как единица нейронной информации: избирательная коммуникация через резонанс. Trends Neurosci. 26, 161–167. DOI: 10.1016 / S0166-2236 (03) 00034-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Йоханссон, Р.С., Бирзниекс И. (2004). Первые всплески в ансамблях тактильных афферентов человека кодируют сложные пространственные события кончика пальца. Nat. Neurosci. 7, 170–177. DOI: 10.1038 / nn1177

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Johansson, R. S., Landström, U., and Lundström, R. (1982). Ответы механорецептивных афферентных единиц голой кожи руки человека на синусоидальные смещения кожи. Brain Res. 244, 17–25. DOI: 10.1016 / 0006-8993 (82) -X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Йоханссон, Р.С., Валлбо А. Б. (1979). Тактильная чувствительность в руке человека: относительная и абсолютная плотности четырех типов механорецептивных единиц в голой коже. J. Physiol. 286, 283–300. DOI: 10.1113 / jphysiol.1979.sp012619

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Йоханссон, Р. С., и Вестлинг, Г. (1987). Сигналы тактильных афферентов от пальцев, вызывающие адаптивные двигательные реакции во время точного захвата. Exp. Brain Res. 66, 141–154. DOI: 10.1007 / BF00236210

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джонсон, К.О. (1974). Реконструкция реакции популяции на вибрационный стимул в быстро адаптирующейся популяции механорецептивных афферентных волокон, иннервирующих голую кожу обезьяны. J. Neurophysiol. 37, 48–72. DOI: 10.1152 / jn.1974.37.1.48

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джонсон, К. О. (2001). Роль и функции кожных механорецепторов. Curr. Opin. Neurobiol. 11, 455–461. DOI: 10.1016 / S0959-4388 (00) 00234-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хамис, Х., Редмонд, С. Дж., Мейсфилд, В., и Бирзниекс, И. (2014). «Классификация текстуры и состояния трения при начальном контакте по тактильным афферентным реакциям», в Haptics: Neuroscience, Devices, Modeling, and Applications , под ред. М. Овре и К. Дурье (Берлин: Springer), 460–468. DOI: 10.1007 / 978-3-662-44193-0_58

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лисман, Дж. Э. (1997). Всплески как единица нейронной информации: делают ненадежные синапсы надежными. Trends Neurosci. 20, 38–43. DOI: 10.1016 / s0166-2236 (96) 10070-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лисман, Дж. Э., Рагхавачари, С., и Цзянь, Р. В. (2007). Последовательность событий, лежащих в основе квантовой передачи в центральных глутаматергических синапсах. Nat. Rev. Neurosci. 8, 597–609. DOI: 10.1038 / nrn2191

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лаутит, А.Дж., Мэддесс, Т., Редмонд, С.Дж., Морли, Дж. У., Стюарт, Г. Дж., И Потас, Дж.Р. (2017). Характеристика и функциональное картирование поверхностных потенциалов в ядрах дорсального столба крысы. J. Physiol. 595, 4507–4524. DOI: 10.1113 / JP273759

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лутит, А. Дж., И Потас, Дж. Р. (2020). Восстановление соматосенсибилизации: преимущества и текущие ограничения воздействия на комплекс ядер дорсальной колонны ствола мозга. Фронт. Neurosci. 14: 156. DOI: 10.3389 / fnins.2020.00156

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лутит, А.Дж., Шивдасани, М. Н., Мэддесс, Т., Редмонд, С. Дж., Морли, Дж. У., Стюарт, Дж. Дж. И др. (2019). Активация периферических нервов вызывает в ядрах спинного столба обучаемые с помощью машины сигналы. Фронт. Syst. Neurosci. 13:11. DOI: 10.3389 / fnsys.2019.00011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мейсфилд В. Г., Бирзниекс И. (2009). «Кожные механорецепторы, функциональное поведение», в энциклопедии нейробиологии , , ред. М. Д. Биндер, Н. Хирокава и У.Виндхорст (Берлин: Springer), 914–922. DOI: 10.1007 / 978-3-540-29678-2_1359

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мацкявичюс, Э. Л., Бест, М. Д., Заал, Х. П., и Бенсмайя, С. Дж. (2012). Тактильное восприятие формируется с точностью до миллисекунды. J. Neurosci. 32, 15309–15317. DOI: 10.1523 / jneurosci.2161-12.2012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Микельберг, Ф. С., Дранс, С. М., Шульцер, М., Идегилин, Х. М., и Вайс, М.М. (1989). Нормальный зрительный нерв человека: количество и распределение аксонов по диаметру. Офтальмология 96, 1325–1328. DOI: 10.1016 / S0161-6420 (89) 32718-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Морли, Дж. У. и Роу, М. Дж. (1990). Воспринимаемая высота вибротактильных стимулов: влияние амплитуды вибрации и значение для кодирования частоты вибрации. J. Physiol. 431, 403–416. DOI: 10.1113 / jphysiol.1990.sp018336

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Муняк, М.А., Рэй, С., Сяо, С.С., Дамманн, Дж. Ф., и Бенсмайя, С. Дж. (2007). Нейронное кодирование интенсивности стимула: связь популяционной реакции механорецептивных афферентов с психофизическим поведением. J. Neurosci. 27, 11687–11699. DOI: 10.1523 / jneurosci.1486-07.2007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Наги С.С., Маршалл А.Г., Макдани А., Яроцка Э., Лильенкранц Дж., Риддерстрём М. и др. (2019). Сверхбыстрая система сигнализации о механической боли в коже человека. Sci. Adv. 5: eaaw1297. DOI: 10.1126 / sciadv.aaw1297

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Науд, Р., и Спрекелер, Х. (2018). Редкие пакеты оптимизируют передачу информации в мультиплексированном нейронном коде. ProcProc. Natl. Акад. Sci. США 115, E6329 – E6338. DOI: 10.1073 / pnas.1720995115

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ng, K. K. W., Birznieks, I., Tse, I. T. H., Andersen, J., Nilsson, S.и Викери Р. М. (2018). «Воспринимаемая частота апериодических вибротактильных стимулов зависит от временного кодирования», в книге Haptics: Science, Technology, and Applications. EuroHaptics 2018. Конспект лекций по информатике , Vol. 10893, ред. Д. Праттичиццо, Х. Шинода, Х. З. Тан, Э. Руффальди и А. Фризоли (Cham: Springer International Publishing), 199–208. DOI: 10.1007 / 978-3-319-93445-7_18

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нг, К. К. У., Олауссон, К., Викери, Р.М., Бирзниекс И. (2020). Временные паттерны при электрической стимуляции нервов: код разрывных промежутков формирует тактильное частотное восприятие. bioRxiv [Препринт] doi: 10.1101 / 2020.04.10.033241

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нг, К. К. В., Сноу, И. Н., Бирзниекс, И., и Викери, Р. М. (2019). Мультиплексирование информации об интенсивности и частоте с использованием временного кодирования при стимуляции периферических афферентных нервов. Программа № 358.09. Планировщик встреч по неврологии на 2019 год. Чикаго, Иллинойс: Общество неврологии.

Google Scholar

Очоа, Дж., И Торебьорк, Э. (1983). Ощущения, вызываемые внутринейральной микростимуляцией отдельных механорецепторных единиц, иннервирующих руку человека. J. Physiol. 342, 633–654. DOI: 10.1113 / jphysiol.1983.sp014873

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Окорокова, Э. В., Хе, К., Бенсмайя, С. Дж. (2018). Модель биомиметического кодирования для восстановления прикосновения бионических рук через нервный интерфейс. J. Neural Eng. 15: 066033. DOI: 10.1088 / 1741-2552 / aae398

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Панински, Л., Подушка, Дж. У., и Симончелли, Э. П. (2004). Оценка максимального правдоподобия стохастической модели нейронного кодирования с интеграцией и огнем. Neural Computat. 16, 2533–2561. DOI: 10.1162 / 0899766042321797

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Панцери, С., Инс, Р. А., Даймонд, М. Э., и Кайзер, К. (2014). Чтение времени пиков без часов: внутреннее декодирование цепочек пиков. Philos. Пер. R. Soc. B Biol. Sci. 369: 20120467. DOI: 10.1098 / rstb.2012.0467

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Панцери С., Петерсен Р. С., Шульц С. Р., Лебедев М. и Даймонд М. Э. (2001). Роль времени спайков в кодировании местоположения стимула в соматосенсорной коре крыс. Нейрон 29, 769–777. DOI: 10.1016 / S0896-6273 (01) 00251-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пей, Ю.К., Денчев, П. В., Сяо, С. С., Крейг, Дж. К., и Бенсмайя, С. Дж. (2009). Конвергенция субмодальных входных сигналов на нейроны первичной соматосенсорной коры. J. Neurophysiol. 102, 1843–1853. DOI: 10.1152 / jn.00235.2009

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Питас А., Альбаррасин А. Л., Молано-Мазон М. и Маравалл М. (2016). Переменная временная интеграция моделей стимулов в коре головного мозга мышей. Cereb. Cortex 27, 1758–1764.DOI: 10.1093 / cercor / bhw006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Прса, М., Моранделл, К., Куэну, Г., и Хубер, Д. (2019). Избирательное кодирование колебаний субстрата в соматосенсорной коре передних конечностей. Природа 567, 384–388. DOI: 10.1038 / s41586-019-1015-8

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рейджер Д. М., Альварес Д., Бирзниекс И., Редмонд С. Дж., Морли Дж. У., Ловелл Н. Х. и др.(2013). Создание тактильных паттернов афферентной стимуляции для обратной связи при скольжении и прикосновении при нейронном протезировании. 35-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). Osaka 2013, 5922–5925. DOI: 10.1109 / embc.2013.6610900

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Распопович, С., Капогроссо, М., Петрини, Ф. М., Бониццато, М., Ригоса, Дж., Ди Пино, Г. и др. (2014). Восстановление естественной сенсорной обратной связи в двунаправленных протезах рук в реальном времени. Sci. Пер. Med. 6: 222ra219. DOI: 10.1126 / scitranslmed.3006820

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Редмонд С. Дж., Гудвин А. В., Ловелл Н. Х. и Бирзниекс И. (2010). «Сравнение частоты спайков афферентных нервов обезьян и задержек спайков для классификации крутящего момента, нормальной силы и направления», в материалах Proceedings of the APSIPA Annual Summit and Conference. Биополис (Сингапур: World Scientific).

Google Scholar

Зааль, Х.П., Делхай, Б. П., Райхаун, Б. К., и Бенсмайя, С. Дж. (2017). Имитация тактильных сигналов всей руки с точностью до миллисекунды. Proc. Natl. Акад. Sci. США 114, E5693 – E5702. DOI: 10.1073 / pnas.1704856114

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Заал, Х. П., Харви, М. А., и Бенсмайя, С. Дж. (2015). Скорость и время корковых ответов, управляемых отдельными сенсорными каналами. eLife 4: e10450. DOI: 10.7554 / eLife.10450.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шифер М., Тан Д., Сидек С. М. и Тайлер Д. Дж. (2016). Сенсорная обратная связь за счет стимуляции периферических нервов улучшает выполнение задач у людей с потерей верхней конечности, использующих миоэлектрический протез. J. Neural Eng. 13: 016001. DOI: 10.1088 / 1741-2560 / 13/1/016001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Синклер, Н. К., Шивдасани, М. Н., Перера, Т., Гиллеспи, Л. Н., Макдермотт, Х.Дж., Эйтон, Л. Н. и др. (2016). Появление фосфенов вызвано супрахориоидальным протезом сетчатки. Investig. Офтальмол. Vis. Sci. 57, 4948–4961. DOI: 10.1167 / iovs.15-18991

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шритаран С. Ю., Ричардсон А. Г., Вейганд П. К., Планелл-Мендес И., Лю X., Чжу Х. и др. (2016). «Соматосенсорное кодирование с микростимуляцией клиновидного ядра: обнаружение искусственных стимулов», в материалах Труды 38-й Ежегодной международной конференции Общества инженеров в медицине и биологии IEEE 2016 г. (EMBC) (Нью-Йорк, Нью-Йорк: IEEE), 4719–4722.DOI: 10.1109 / EMBC.2016.75

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Штюттген, М. К., и Шварц, К. (2010). Интеграция вибротактильных сигналов для восприятия, связанного с усами у крыс, регулируется короткими временными константами: сравнение нейрометрических и психометрических характеристик обнаружения. J. Neurosci. 30, 2060–2069. DOI: 10.1523 / jneurosci.3943-09.2010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Talbot, W.H., Darian-Smith, I., Корнхубер, Х. Х., и Маунткасл, В. Б. (1968). Чувство трепетания-вибрации: сравнение возможностей человека с паттернами реакции механорецептивных афферентов руки обезьяны. J. Neurophysiol. 31, 301–334. DOI: 10.1152 / jn.1968.31.2.301

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цыцарев В., Пумбо Э., Тан К., Чен Ч.-В., Кальченко В., Чен Ю. (2016). Изучение кортикального представления частотной избирательности вискеров с помощью оптической визуализации чувствительных к напряжению красителей. IntraVital 5: e1142637. DOI: 10.1080 / 21659087.2016.1142637

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Валлбо, А. Б., и Йоханссон, Р. С. (1984). Свойства кожных механорецепторов в руке человека, связанные с ощущением прикосновения. Гм. Neurobiol. 3, 3–14.

Google Scholar

Валлбо, Å. Б. и Хагбарт К. Э. (1968). Активность механорецепторов кожи регистрировалась чрескожно у бодрствующих людей. Exp.Neurol. 21, 270–289.

Google Scholar

Викери Р. М., Гинтер Б. Д. и Роу М. Дж. (1994). Синаптическая передача между одиночными медленно адаптирующимися волокнами типа I и их клиновидными нейронами-мишенями у кошек. J. Physiol. 474, 379–392. DOI: 10.1113 / jphysiol.1994.sp020030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

фон Бекеси, Г. (1961). Ощущение высоты звука и его связь с периодичностью раздражителя. слух и колебания кожи. J. Acoust. Soc. Являюсь. 33, 341–348. DOI: 10.1121 / 1.18

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Weber, A. I., Saal, H.P., Lieber, J. D., Cheng, J.-W., Manfredi, L.R., Dammann, J.F., et al. (2013). Пространственные и временные коды опосредуют тактильное восприятие естественных текстур. Proc. Natl. Акад. Sci. США 110, 17107–17112. DOI: 10.1073 / pnas.1305509110

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Венделкен, С., Пейдж, Д. М., Дэвис, Т., Уорк, Х. А. С., Клюгер, Д. Т., Дункан, К. и др. (2017). Восстановление моторного контроля, проприоцептивной и кожной чувствительности у людей с предшествующей ампутацией верхней конечности с помощью множества наклонных электродов штата Юта (USEA), имплантированных в остаточные периферические нервы руки. J. NeuroEng. Rehabil. 14: 121. DOI: 10.1186 / s12984-017-0320-4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zuo, Y., Safaai, H., Notaro, G., Mazzoni, A., Panzeri, S., и Diamond et al. (2015). Дополнительные вклады времени и частоты спайков в решения восприятия в коре головного мозга Крысы S1 и S2. Curr. Биол. 25, 357–363. DOI: 10.1016 / j.cub.2014.11.065

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Контактная стимуляция миграции клеток на основе филоподий способствует морфогенезу тканей

Долгосрочное живое изображение

Drosophila гладких мышц семенников как модель коллективной миграции клеток

Через 24 часа после образования пупария (APF) оба семенника остаются свободными в полости тела (рис.1а). Генитальный диск обеспечивает миобласты и другие соматические части репродуктивной системы, такие как семенные пузырьки 17,18 . Миобласты семенников прикрепляются к эпителию семенных пузырьков (рис. 1a, sv) и сливаются с небольшими синцитиями незадолго до образования соединения между семенными пузырьками и терминальным эпителием (рис. 1a, te) (рис. 1a, b) 19,20 . Между 28 и 30 часами APF эта связь была установлена ​​(рис. 1, см. Стрелку между a и b). Через 30 ч APF формирующиеся мышечные трубки (рис.1b, mt красным) начинают мигрировать под слой пигментных клеток (Fig. 1b, pc) к и вдоль семенников к апикальному концу (Fig. 1b) 21 . Через 40 часов APF мышечные трубки покрывают все куколочное яичко в виде тонкого мышечного листа 22 .

Рис. 1: Миотрубки образуют многочисленные выступы филоподиальной мембраны вместо ламеллиподий и вместе мигрируют на семенники.

a , b Изображение семенников Drosophila через 24 и 33 ч после образования куколки (APF). a Обозначены миобласты (mb, красный), семенные пузырьки (sv) и терминальный эпителий (te). b Миотрубки (mt) начинают мигрировать под слой пигментных клеток (pc). c Схема техники ex vivo. d Изображено только одно яичко пары. e Семенники дикого типа. LifeAct-EGFP экспрессируется в мигрирующих мышечных трубках (m) и пигментных клетках (pc). Пунктирная линия через 0 мин представляет область, отображаемую через 100–420 мин. Масштабная линейка, 50 мкм. f , f ’Миотубы, экспрессирующие LifeAct-EGFP, отслеживали с помощью программного обеспечения Imaris.Разные цвета представляют отдельные треки ячеек. f Показано наложение микроскопических данных и данных трека. f ’Отображаются только данные трека. Масштабная линейка, 100 мкм. e Вид сверху яичка 46 ч APF в 420 мин культивирования ex vivo. mef2-Gal4 управляет экспрессией UAS-LifeAct-EGFP. г Вследствие миграции мышечные трубки семенников начинают окружать семенники, образуя кольцевые мышцы. Пунктирная линия в h представляет область, изображенную в 0/285 мин. Масштабная линейка, 100 мкм. h Яичко взрослого человека с его типичной спиралевидной формой, окрашенное фаллоидином и DAPI. Из-за сужения за счет наращивания мускулов в процессе развития куколки яичко приобрело типичную форму спирали 30 Масштабная полоса, 100 мкм; крупный план в h ’. i Миотрубки на переднем крае мигрирующего листа 60 мин в культуре ex vivo. Масштабная линейка 10 мкм. j Крупный план двух мышечных трубок во время миграции 60 мин в культуре ex vivo. beatVC-Gal4 индуцирует мозаичную экспрессию UAS-LifeAct-EGFP и UAS-GFP-nls.Ядра отмечены желтыми звездочками. Масштабная линейка, 20 мкм. k , l Количественное определение количества филоподий на длину края ячейки, как показано в k . N = 20 ячеек. Центр коробчатой ​​диаграммы: медиана. Границы: 25-й и 75-й процентили. Усы: минимальные / максимальные значения. * P ≤ 0,05, ** P ≤ 0,01, *** P ≤ 0,001, **** P ≤ 0,0001. Статистическое тестирование: критерий Манна – Уитни (двусторонний). Направленность филоподий клеток определяли количественно путем измерения угла ориентации, как показано на м и м ’.Количественная оценка не выявила сильного смещения в направлении филоподий ни для клеток n в кластере мышечных трубок, ни для o клеток на фронте миграции.

Чтобы лучше понять, как мышечные трубки покрывают яички, мы разработали протокол для культивирования органов ex vivo и долгосрочной визуализации (7 часов) изолированных 33-часовых APF куколочных семенников (рис. 1c). Мы использовали специфичный для мышц драйвер mef2 -Gal4 или heartless -Gal4 ( htl -Gal4) для экспрессии трансгена UAS-LifeAct-EGFP либо в мышечных трубках, либо в мышечных трубках и пигментных клетках соответственно ( см. дополнительный рис.2а). Этот метод представляет собой отличную экспериментальную систему для изучения высокодинамичного поведения мигрирующих клеток мышечных трубок и для визуализации их богатых актином выступов в течение нескольких часов с высоким разрешением. Микроскопия вращающегося диска в режиме реального времени старых семенников после 33-часового APF показала, что миотрубки коллективно мигрируют по эллипсоидной поверхности, ограниченной внешним слоем пигментных клеток и базальной мембраной, окружающей внутренние кисты (рис. 1d, e; дополнительный фильм M1). Чтобы лучше отслеживать миграционное поведение отдельных клеток в клеточном кластере, мы дополнительно пометили клетки по совместной экспрессии мембранного маркера mCD8-RFP, что позволило получить точное картирование траектории 4D ( xyz и t ) с помощью программного обеспечения Imaris (рис. .1f; Дополнительный фильм M2). Поскольку все математические дескрипторы направленности для 2D-миграции (угол смещения, угол выдерживания, прямолинейность и т. Д.) Основаны на евклидовой геометрии, нам пришлось преобразовать наши наборы данных 3D (+ время) в соответствующие наборы данных 2D (+ время) для точной количественной оценки ячеек. Простая проекция xy не учитывает кривизну и приводит к неверным результатам. Существовавшие ранее инструменты, использующие алгоритмы разворачивания и изучение риманова многообразия, были несовместимы с нашей системой 23 .Вместо алгоритма развертки, подходящего для любого типа поверхности, но с некоторыми ограничениями в точности угла и расстояния, мы разработали процесс на основе проекции Меркатора, который обеспечивает высокую угловую точность, но не учитывает расстояния (проиллюстрировано на дополнительном рис. 3b – f ).

Рассечение клеточных траекторий миотрубок дикого типа выявило направленное поведение клеток с максимальным перемещением клеток в направлении от основания к вершине со скоростью около 0,37 мкм / мин на расстоянии около 130 мкм (рис.1f ’, дополнительный рисунок 2g; Дополнительный фильм M2). Когда миотрубки достигают вершины семенников, они начинают удлиняться и формировать большие актиновые пучки, которые выровнены перпендикулярно поверхности куколки семенников (рис. 1g, дополнительный фильм M1, в середине). После завершения куколочного развития мышечные трубки образуют плотно упакованную мышечную оболочку, окружающую удлиненное трубчатое яичко взрослого человека (рис. 1h, h ’).

Миграция миотрубок зависит от формин-зависимых выступов филоподийной мембраны

Поразительно, что в мигрирующих мышечных трубках в основном отсутствовали ламеллиподиальные выступы, а вместо этого образовывались многочисленные филоподии-подобные выступы (далее называемые филоподиями; рис.1i; Дополнительный фильм M3). Экспрессия LifeAct-EGFP вместе с нацеленным на ядро ​​трансгеном EGFP в мышечных трубках мозаичным способом дополнительно показала, что мышечные трубки также образуют заметные филоподиальные выступы между соседними клетками (Fig. 1j; Supplementary Movie M4). Чтобы лучше охарактеризовать распределение филоподий в этих клетках, мы количественно оценили направленность филоподий клеток путем измерения угла ориентации, как показано на рис. 1m, m ’. Этот анализ не выявил сильного смещения в генерации или направленности филоподий в клетках внутри кластера (рис.1n) и, что удивительно, также на переднем крае кластера (рис. 1o). Чтобы статистически проанализировать это, мы дифференцируем филоподии (в клетках на переднем крае) на те, которые собраны на передней части клетки (указывая на вершину семенника), и те, которые находятся в задней части (указывая на основание семенника; рис. 1k, l ). Чтобы учесть неправильную форму ячеек, мы рассчитали плотность (количество / мкм), измерив длину края. Существенной разницы в плотности филоподий между передней и задней частью не было. Таким образом, направленность коллективной миграции миотрубок нельзя просто предсказать по количеству или направлению филоподий.

Далее мы определили, как центральные нуклеаторы актина, такие как формины и комплекс Arp2 / 3, вносят вклад в образование филоподий и миграцию мышечных трубок. Обработка специфическим ингибитором Arp2 / 3 CK666 24 не оказывала сильного влияния на морфологию общего кластера клеток по сравнению с контрольными клетками, инкубированными с DMSO (рис. 2a – c; дополнительный фильм M5). Аналогичным образом, клетки, лишенные субъединицы arp3 или волны в результате РНК-интерференции (РНКи), показали умеренные изменения клеточной морфологии, несмотря на заметные дефекты слияния (см. Мононуклеарные миотрубки, отмеченные коэкспрессией маркера mCD8-RFP, исключенного из ядер в Инжир.2e; Дополнительный фильм M6). Подобно обработке CK666, истощенные клетки arp3 и wave все еще были способны устойчиво мигрировать направленным образом (рис. 2b – e ‘; дополнительный рис. 2h. Однако клетки, лишенные субъединицы arp3 или обработанные с помощью CK666 показал значительно сниженную скорость и расстояние миграции по оси x (сравните миграционные пути на рис. 2a, b, d; количественная оценка на рис. 2h, дополнительный рис. 2g). Таким образом, путь Arp2 / 3-WRC способствует подвижности, но, по-видимому, не требуется для направленной миграции мышечных трубок.

Рис. 2: Формины важны для коллективной миграции миотрубок и динамики филоподий, но не в комплексе Arp2 / 3.

a Следы миграции мышечных трубок семенников 33 ч APF в 420 мин культуре ex vivo, обработанной ДМСО в качестве контроля. Разные цвета представляют отдельные треки ячеек. b , c CK666 (100 мкМ) обработка яичка 33 ч APF в 420 мин культивирования ex vivo. При ингибировании активности комплекса Arp2 / 3 миграция снижается. mef2-Gal4 управляет экспрессией UAS-LifeAct-EGFP и UAS-mCD8-RFP. b Следы миграции мышечных трубок яичка после лечения CK666. Разные цвета представляют отдельные треки ячеек. b Микрофотографии для визуализации жизни. mCD8-RFP зеленого цвета и LifeAct-EGFP белого цвета. Пунктирная линия в c представляет область, отображаемую через 0–420 мин. Масштабная линейка, 50 мкм. d , e Миграция также слегка снижается arp3 RNAi. mef2-Gal4 управляет UAS-LifeAct-EGFP, UAS-mCD8-RFP и конструкцией RNAi UAS-arp3 KK102278 (Вена v108951). d Следы миграции мышечных трубок семенников на arp3 РНКи. Разные цвета представляют отдельные треки ячеек. e , e ’Микрофотография изображения жизни. mCD8-RFP (зеленый) изображен в e . (Примечание: мононуклеарные миотрубки, отмеченные коэкспрессией маркера mCD8-RFP, исключены из ядер.) Наложение с LifeAct-EGFP (белый) в e ’. Пунктирная линия в e ’представляет область, отображаемую через 0–350 минут. Масштабная линейка, 50 мкм. f , g При подавлении формина обработкой SMIFh3 (10 мкМ) миграция полностью нарушается. mef2-Gal4 управляет экспрессией UAS-LifeAct-EGFP и UAS-mcd8-RFP. f Следы миграции миотрубок семенников после обработки СМИФх3. Разные цвета представляют отдельные треки ячеек. г , г ’Микрофотографии с изображением жизни. mCD8-RFP (зеленый) изображен в g . Накладка с LifeAct-EGFP (белая) весом г ’. Пунктирная линия в г ’представляет площадь, отображаемую через 0–350 мин.Масштабная линейка, 50 мкм. h Количественная оценка общего расстояния миграции по оси x . N = 5 семенников. Данные представлены в виде средних значений ± стандартное отклонение. * P ≤ 0,05, ** P ≤ 0,01, *** P ≤ 0,001, **** P ≤ 0,0001. Статистическое тестирование: односторонний дисперсионный анализ. i k Крупные планы мышечных трубок первого ряда после различных процедур. i При обработке ДМСО морфология клеток и состав филоподий не изменились. j Подавление Arp2 / 3 обработкой CK666 приводит к легким дефектам. Ветвистые филоподии не построены, общая морфология не изменяется. k Подавление форммина обработкой SMIFH приводит к сильным морфологическим дефектам. Клетки сокращаются, филоподии производят больше ветвей. l СК666 в дополнение к совместной обработке СМИФх3 приводит к потере разветвленных филоподий. Клетки сжимаются еще сильнее.

Напротив, обработка низкомолекулярным ингибитором панформина SMIFh3 25 сильно повлияла на морфологию клеток и полностью нарушила коллективную миграцию миотрубок (рис.2f, g, g ’; Дополнительный фильм M7; количественная оценка на рис. 2h, g). По сравнению с обработкой CK666 клетки, обработанные SMIFh3, показали заметно уменьшенное количество динамических, но вместо этого сильно разветвленных филоподий-подобных выступов (фиг. 2k; дополнительный фильм M7). Интересно, что клетки, совместно обработанные CK666 и SMIFh3, полностью лишены этих разветвленных филоподиальных выступов, подтверждая, что их образование или ветвление зависит от все еще заметной активности комплекса Arp2 / 3 в обработанных SMIFh3 клетках (Fig. 2l). Подтверждая это предположение, клетки, истощенные только по Arp3, показали уменьшение ветвей филоподий, что привело к значительному уменьшению протрузий (рис.3а, б; количественное определение в c). Соответственно, трансген Arp3-EGFP локализуется близко к вновь формирующимся ветвям, как мы недавно обнаружили при образовании дендритных веточек Drosophila сенсорных нейронов личинок (стрелки на рис. 3d, e) 26 . Интересно, что мы также обнаружили сильное накопление Arp3-EGFP в межклеточных контактах, наблюдение, сделанное в различных клеточных системах (звездочки на рис. 3e ’).

Рис. 3: Мигрирующие мышечные трубочки образуют стабильные межклеточные адгезии на их свободном крае и адгезионные соединения на их межклеточном крае.

a Дикого типа и b arp3 нокдаун миотрубок. Масштабная линейка 10 мкм. c Количественное определение количества филоподий на длину края ячейки. d Неподвижные изображения миотрубки первого ряда, экспрессирующей Arp3-EGFP. Стрелками отмечены положения Arp3 в точках ветвления филоподий. Масштабная линейка 10 мкм. e Неподвижные изображения миотрубки первого ряда, коэкспрессирующей Arp3-EGFP и Myr-RFP. Стрелка отмечает позицию Arp3. Масштабная линейка 10 мкм. f , g Крупный план мышечных трубок на переднем крае мигрирующего листа, 6 мин в культуре ex vivo.Адгезии клеточного матрикса (зеленые) обнаруживаются в виде ниток из бисера вдоль филоподий. Масштабная линейка: 10 мкм . g Некоторые филоподии образуют ветви. UAS-FAT-EGFP, масштабная линейка: 10 мкм. h Пунктирными линиями обозначена площадь с увеличением h ’ и h’ . h ’ Матричные спайки обнаруживаются на концах филоподий (белые наконечники стрелок). Кабели актина отмечены желтыми стрелками. h ” Адгезии клеточного матрикса совместно с актиновыми волокнами (белые стрелки). h ’, h’ Шкала шкалы, 10 мкм. i к . Центр коробчатой ​​диаграммы: медиана. Границы: 25-й и 75-й процентили. Усы: минимальные / максимальные значения. * P ≤ 0,05, ** P ≤ 0,01, *** P ≤ 0,001, **** P ≤ 0,0001. Количественная оценка показала, что — значительное смещение в направленности адгезий клетка-матрикс, а — повышенное количество адгезий клетка – матрикс на фронте клетки, N = 20 клеток.Тест Манна-Уитни (двусторонний) и k увеличивают количество адгезий клетка-матрица на свободном крае по сравнению с краями клетка-клетка. N = 20 ячеек. Тест Краскала – Уоллиса. l , m Адгезии клеточного матрикса во время миграции. Количественно определенные адгезии на свободном крае показаны красным цветом, а на краю клетка-клетка — зеленым. Шкала шкалы: 10 мкм. л Передний край мигрирующего листа. l ’ Увеличение при 0 мин. j ” Увеличение при 40 мин. м Следующие ячейки на том же листе, что и в H. м Увеличение при 0 мин. м ” Увеличение при 40 мин. n Количественная оценка показала, что долговечность адгезии клетка-матрица значительно выше на свободном крае «по сравнению с клеткой-краем клетки». N = 980 матричных спаек в трех семенниках. Тест Манна – Уитни (двусторонний). o Адгезии клеточного матрикса до и после лазерной абляции. После лазерной абляции вдоль свободного края образовалась новая адгезия клетка – матрица (стрелка).Шкала шкалы: 10 мкм.

Взятые вместе, эти находки подтверждают, что активность Arp2 / 3 необходима для ветвления филоподий, тогда как активность форминов важна для генерации филоподиальных выступов. РНКи-опосредованное подавление одиночных форминов Drosophila не привело к заметным дефектам протрузии или миграции (см. Дополнительную таблицу, указывающую на потенциальные избыточные и синергетические функции различных форминов в образовании выпячиваний.

Обычно считается, что филоподии могут способствовать миграции мезенхимы, способствуя адгезии клеточного матрикса на переднем крае, чтобы стабилизировать продвигающийся ламеллиподиум 27 .В мигрирующих мышечных трубках отсутствуют ламеллиподии, но вместо этого филоподии, по-видимому, являются критическими для миграции мышечных трубок, поскольку ингибирование их образования путем вмешательства в функцию формина приводит к полной потере миграции. Экспрессия репортера, нацеленного на адгезию между клетками и матрицей (FAT-EGFP 28 ), показала, что мигрирующие мышечные трубочки действительно образуют многочисленные участки прикрепления клеточного матрикса в основании, вдоль стержня и на кончике филоподий (рис. 3f; дополнительный фильм). M8). Множественные адгезии клетка-матрица были построены в единственной филоподии, придавая им вид бусинок (рис.3г; Дополнительный фильм M8). Адгезии клеточного матрикса, сформированные вдоль стержней филоподий, впоследствии, по-видимому, перемещаются назад, вдоль ретроградного потока связанных актиновых филаментов, в конечном итоге разбираясь на внешнем крае тела клетки (Fig. 3g; Supplementary Movie M8). Коэкспрессия с репортером LifeAct-RFP, отмеченная особенно толстыми пучками актина, прикрепленными к большим, более удлиненным структурам адгезии клетка-матрикс, демонстрирует более классический вид адгезии матрикса, обнаруживаемый в ламеллиподиях (рис.3ч – ч »).

Примечательно, что количество адгезий между клетками и матрицей внутри отдельных клеток на переднем крае кластера коррелирует с предполагаемым направлением миграции к кончику семенника (Fig. 3k). Клетки образуют повышенное количество адгезий между клетками и матриксом на переднем фронте миграции (указывающем на вершину семенника; рис. 3i) по сравнению с задней частью. Еще более явное различие становится очевидным, когда вместо сравнения передней и задней адгезии клетка-матрица разделяют на те, которые образуются на свободном крае (исключая области свободного края, содержащие актиновые кабели, отмеченные синим), по сравнению с краем клетка-клетка, как показано на Инжир.3j, к. Количественный анализ динамики адгезии матрикса также показал, что контакты клетка – матрица, сформированные на свободных краях, демонстрируют значительно увеличенное время жизни по сравнению с контактами, близкими к контактам клетка – клетка (Fig. 3l – l ”; Supplementary Movie M9; количественная оценка на Fig. 3n). Это асимметричное распределение адгезии клетка-матрица подразумевает, что поляризация вдоль клеточного края мышечных трубок не требует специализированных лидерных клеток, как наблюдается в эндотелиальных клетках или миграции пограничных клеток 29 . Скорее, это реакция на проявление свободного края и потенциально может произойти в каждой ячейке в кластере.Соответственно, увеличение свободных краев в кластере клеток сопровождалось образованием новых адгезий матрикса, как показали эксперименты по абляции. Миотрубки немедленно мигрировали при воздействии на пустое пространство и заполняли промежутки в ранах, индуцированных лазером (рис. 3o; дополнительный фильм M10).

Пониженная экспрессия N-кадгерина способствует миграции отдельных клеток за счет коллективной направленности

Пониженная плотность адгезии клетка-матрикс миотрубок в контакте может быть связана с усиленной разборкой комплексов клетка-матрикс в контактах клетка-клетка, как сообщалось ранее для нервных клеток, подвергающихся CIL 13 .Мигрирующие миотрубки преимущественно экспрессируют N-cadherin как ключевую молекулу адгезии межклеточных контактов 30 , это важно в раннем эмбриогенезе Drosophila 31 . N-кадгерин был обнаружен не только вдоль соседних мембран листков мышечных трубок в основании семенников (рис. 4a, b, b ‘), но также был высокообогащен вдоль мостиков встречных филоподий (рис. 4c, c’, e, e ‘). Напротив, одиночные мышечные трубки без каких-либо соседей по клеткам, которые редко наблюдались (Fig. 4f, f ’), полностью лишены кластеров N-кадгерина на их филоподиях свободного края.Живое изображение мигрирующих мышечных трубок, экспрессирующих трансген N-cad-EGFP, подтвердило высокодинамичное накопление в межклеточных контактах и ​​вдоль филоподий, формирующих начальные контакты между соседними клетками (Fig. 4g; см. Также Supplementary Movie M11).

Рис. 4: Пониженная экспрессия N-кадгерина увеличивает свободный край, способствуя независимому от клеток поведению за счет коллективной направленности.

a f Яички дикого типа, окрашенные на N-кадгерин, F-актин и DAPI. a Обзор основания яичка. Области, отмеченные пунктирными линиями, увеличиваются в b , c , e и f соответственно. Масштабная линейка: 50 мкм. b На половых дисках мышечных трубок появляются эпителиальные. c , c ’На переднем крае мигрирующего листа N-кадгерин локализуется в фокусах вдоль филоподий (белая стрелка). d , e , e ’То же самое верно для ячеек внутри листа. f , f ’В редких случаях можно было наблюдать полностью изолированные клетки без окрашивания N-кадгерином. b , c , e , f Шкала шкалы: 10 мкм. г Неподвижные изображения миотрубок, экспрессирующих N-cad-EGFP. Стрелками отмечены положения соединений клетка-клетка, обогащенных N-cad-EGFP. Масштабная линейка 10 мкм. ч Семенники дикого типа (WT) 33 ч APF в культуре ex vivo. Обзор при т = 0 мин слева. Масштабная линейка: 50 мкм. Шаг по времени от 0 до 45 мин в культуре ex vivo. Масштабная линейка: 20 мкм. h ’ Следы мышечных трубок дикого типа и i N-кадгерин нокдаун мышечных трубок.Изолированные миотрубки отмечены желтой звездочкой ( t = 0 мин, 45–60 мин). Разные цвета представляют отдельные треки ячеек. i ’ Следы при сбивании N-кадгерина. Разные цвета представляют отдельные треки ячеек. j мышечных трубок дикого типа и k N-cad РНКи. Масштабная линейка: 20 мкм. l o Данные представлены как средние значения ± стандартное отклонение. * P ≤ 0,05, ** P ≤ 0,01, *** P ≤ 0,001, **** P ≤ 0.0001. l , m Отображается графическое представление значений. l Количество зазоров между ячейками значительно увеличено. N = 8 семенников. Непарный t тест (двуххвостый). м В качестве прокси для свободного края мы использовали периметр от белого к черному краю. Внеклеточный край значительно увеличен у животных N-cad и РНКи. N = 8 семенников. Тест Краскала – Уоллиса. n Постоянство соседей значительно снижается при нокдауне N-кадгерина. o Количественная оценка расстояния миграции. N = 5 семенников. Односторонний дисперсионный анализ. p , q Центр прямоугольной диаграммы: медиана. Границы: 25-й и 75-й процентили. Усы: минимальные / максимальные значения. n , p , q N = 5 семенников с 289 клетками (WT), 304 клетками (RNAi # 1) и 291 клеткой (RNAi # 2). Статистическая проверка: критерий Краскала – Уоллиса. p Измерен угол смещения относительно оси яичка. q Количественное определение средней скорости дорожки в мкм / с.

Чтобы дополнительно проверить важность N-кадгерин-зависимых межклеточных контактов в управлении коллективным поведением мышечных трубок, мы использовали подход РНКи для подавления экспрессии N-кадгерина в мышечных трубках с помощью драйвера mef 2-Gal4 (рис. . 4h, i; дополнительный фильм M12). Экспрессия двух различных трансгенов РНКи эффективно подавляет уровень белка N-кадгерина, как показано иммуноокрашиванием семенников взрослых (дополнительный рис. 2h, i, количественная оценка в j). Миотрубки, обедненные N-кадгерином, все еще могут мигрировать и даже чаще менять свое относительное положение относительно друг друга в движущемся кластере (рис.4h, i; Дополнительный фильм M12). Экспрессия различных трансгенов N-cad РНКи привела к очевидному увеличению свободных краев клеток с выраженными межклеточными адгезиями (рис. 4j, k; дополнительный фильм M13) и увеличению промежутков между мигрирующими мышечными трубками (рис. 4l, m) в дозозависимым образом, но не влиял на количество клеток или размер клеток (дополнительный рис. 2b – e). Соответственно, подавление N-кадгерина привело к значительному снижению постоянства соседей, предполагая, что действительно сниженная функция N-кадгерина ослабляет межклеточные адгезии (рис.4н). Количественный анализ характера миграции отдельных клеток также выявил заметные изменения в миграционном поведении. В целом, общее расстояние миграции вдоль оси x не изменилось, что указывает на то, что клетки, обедненные N-кадгерином, мигрируют так далеко, как клетки дикого типа (Рис. 4o; Supplementary Movie M12). Однако клетки, обедненные N-кадгерином, мигрируют значительно менее направленно, но быстрее по сравнению с клетками дикого типа (Fig. 4p, q). Т.о., миотрубки не обнаруживают динамики лидер-последовательные клетки, в которой лидерные клетки тянут по своей сути пассивные последовательные клетки посредством сильных межклеточных контактов кадгерина.Напротив, N-cadherin-обеспечиваемые межклеточные контакты, по-видимому, необходимы для направленно скоординированного миграционного поведения мышечных трубок.

Мигрирующим мышечным трубкам необходим контакт клетка-клетка для достижения направленности

Чтобы дополнительно проверить, нуждаются ли мышечные трубки межклеточные контакты для их направленной миграции клеток, мы провели эксперименты по лазерной абляции. Изоляция одиночных мышечных трубок с помощью лазерной абляции соседних соседних клеток на яичке создавала ситуацию, в которой клетка окружена свободным краем.После абляции изолированные клетки немедленно прекращают направленное миграционное поведение и клетки формируют многочисленные филоподиальные выступы, указывающие во всех направлениях (Fig. 5a-c; Supplementary Movie M14). Как только эти клетки вошли в тесный контакт с соседними клетками, они начали мигрировать вперед по этим мигрирующим листам как коллектив (Fig. 5d, e; Supplementary Movie M14). Одноклеточное отслеживание до и после межклеточного контакта подтвердило контактно-зависимое поведение мигрирующих клеток мышечных трубок, явление, напоминающее CIL (рис.5д – ж). Примечательно, что такое стимулируемое контактом миграционное поведение не может наблюдаться между двумя отдельными клетками, которые все еще связаны межклеточными соединениями, но изолированы от оставшегося клеточного кластера с помощью лазерной абляции (Fig. 5h; Supplementary Movie M15). Пары клеток не мигрировали друг от друга и не становились поляризованными выступающими выступами в противоположных направлениях, но вместо этого всегда слипались с постоянным контактным расстоянием во времени (Fig. 5i, j; Supplementary Movie M15).

Фиг.5. Мигрирующим мышечным трубкам необходим межклеточный контакт для достижения направленности.

a – g Выделение одиночной формирующейся миотрубки с помощью лазерной абляции. a Обзор яичка после лазерной абляции (33 ч APF). htl-Gal4 управляет экспрессией UAS-LifeAct-EGFP. Масштабная линейка, 100 мкм. b Крупный план участка абляции. c То же место, что и в b , до абляции. Масштабная линейка в c и c ’: 20 мкм. Пунктирной линией обозначена область воздействия лазерной абляции. c ’ Поведение изолированной клетки из b после абляции. Изолированная ячейка (желтая звездочка) не показывает движения вперед, если она не контактирует с соседними ячейками (верхний ряд). После установления контакта он перемещается по мигрирующему листу (нижний ряд). d , e Для количественной оценки направленности изолированной клетки движение клеток отслеживалось с помощью программного обеспечения Imaris. Изолированная клетка до контакта с мигрирующим листом отображается красным цветом, после контакта — зеленым.В качестве контроля отслеживались соседние клетки. Они показаны синим цветом. f , g В качестве инструмента измерения мы использовали угол смещения к оси x . Промокают средний угол (0–180 °) каждой дорожки. При изоляции клетки теряют свою направленность, но восстанавливают ее после установления контакта с соседними клетками. N = 5 семенников с 38 клетками (соседние клетки), 5 клеток (после абляции, до контакта) и 5 ​​клеток (после абляции, после контакта). Центр коробчатой ​​диаграммы: медиана.Границы: 25-й и 75-й процентили. Усы: минимальные / максимальные значения. * P ≤ 0,05, ** P ≤ 0,01, *** P ≤ 0,001, **** P ≤ 0,0001. Статистическое тестирование: односторонний дисперсионный анализ. Цветовой код такой же, как у e , f N = 5 тестов. h j Изоляция двух соседних мышечных трубок с помощью лазерной абляции. ч Обзор яичка после лазерной абляции (33 ч APF). htl-Gal4 управляет экспрессией LifeAct-EGFP (серый) и Myr-RFP (пурпурный).Пунктирной линией обозначена область воздействия лазерной абляции. Масштабная линейка, 100 мкм. h ’ Поведение двух изолированных мышечных трубок от h после абляции. Масштабная линейка в c и c ’: 20 мкм. График i Rose показывает распределение угла смещения по оси x . j Измерение расстояния между двумя мышечными трубками с течением времени. 32 .Rho GTPases являются критическими молекулярными игроками, которые регулируют адгезию и подвижность во время одиночной и коллективной миграции клеток 33,34 .

Чтобы идентифицировать таких ключевых игроков, вносящих вклад в миграцию миотрубок, мы использовали подход RNAi для скрининга многочисленных генов-кандидатов (см. Дополнительную таблицу). Дефекты миграции миотрубок семенников во время куколочного метаморфоза могут быть идентифицированы по выраженной нарушенной морфологии семенников взрослых (дополнительный рис. 1a-l) 30 . Яичко взрослого человека представляет собой пару тонких канальцев по 2 штуки.5 витков и длиной ∼2 мм, окруженные оболочкой из многоядерных гладких мышц 19,30 . Дефектная N-cadherin-обеспечиваемая межклеточная адгезия приводила к характерным отверстиям в мышечном листе 19 , где мышечные трубки не были должным образом прикреплены друг к другу (Supplementary Fig. 1a, c, e). Напротив, дефекты миграции миотрубок приводят к аномальной морфологии семенников с уменьшенными спиралями и громоздкими кончиками (Supplementary Fig. 1a, f – k). В зависимости от фенотипической силы мышечная оболочка только частично или полностью не могла покрывать все яичко, что приводило к сильным дефектам удлинения / скручивания (дополнительный рис.1а). Сильные аномалии наблюдались после опосредованного RNAi подавления функций Cdc42 и Rac2, одного из двух очень похожих генов rac у Drosophila 35 . В обоих случаях семенники взрослых были меньше, чем у дикого типа, с уменьшенными спиралями и громоздкими кончиками (дополнительный рис. 1f, g). Мышечная оболочка также не покрывала все семенники с многочисленными крупными отверстиями. Для сравнения, подавление субъединиц комплекса Arp2 / 3 и отдельных субъединиц WRC 36 , таких как WAVE и Rac-эффектор Sra-1, привело к более умеренным морфологическим дефектам по сравнению с истощением rac2 или cdc42 .У взрослых семенников дефицит Arp3, WAVE. и у Sra-1 все еще было примерно 1,5–2 витка, однако многие мышечные трубки также не доходили до вершины семенника, что приводило к образованию громоздких кончиков (дополнительный рис. 1h – j).

Rac2 и Cdc42 необходимы для миграции миотрубок за счет дифференциальной регуляции адгезий между клетками и матриксами

По сравнению с подавлением пути Arp2 / 3-WRC, нокдаун функций Rac2 привел к более сильным дефектам выступов мембран и миграции клеток, что позволяет предположить, что Rac2 может играют дополнительную роль в миграции миотрубок (рис.6а, г; сравните количественное определение на дополнительном рис. 2g). rac2 -истощенные клетки обнаруживают сильно измененную клеточную морфологию с более тонкими и высокодинамичными филоподиальными выступами. Эти филоподии были неспособны к стабильному прикреплению (рис. 6g, g ’; дополнительные видеоролики M16 и M17). В поддержку этого предположения, визуализация живых клеток rac2 нокдаун клеток с использованием репортера FAT-EGFP выявила заметную потерю адгезионных контактов клетка-матрица (Fig. 6l, Supplementary Movie M18). Поскольку mef2 -Gal4-управляемый FAT-EGFP все еще обычно обогащен интегрин-зависимыми адгезионными структурами, такими как места прикрепления мышц мускулатуры стенки тела личинки, общее влияние функции Rac2 на адгезию матрикса можно исключить (дополнительный рис.1м, п).

Рис. 6: Rac2 и Cdc42 регулируют адгезию матрикса филоподий, чтобы сделать возможным коллективную миграцию миотрубок.

a , c , i , j rac2 Нокдаун был индуцирован экспрессией UAS-rac2 NIG.8556R RNAi трансгена вместе с UAS-LifeAct-EGFP, с использованием mef2-Gal4 . a rac2 нокдаун в мышечных трубках семенников 33 ч APF в культуре ex vivo. Следы изображены в d .Разные цвета представляют отдельные треки ячеек. Пунктирная линия через 0 мин представляет область, изображенную через 50–420 мин. Масштабная линейка: 50 мкм. b , d , i , j cdc42 Нокдаун был вызван экспрессией UAS-cdc42 TRiP.JF02855 (# 1) или UAS-cdc42 KK108698 (# 2) трансгенов РНКи вместе с UAS-LifeAct-EGFP с использованием mef2-Gal4 . b cdc42 нокдаун в мышечных трубках семенников 33 ч APF в культуре ex vivo.Следы изображены в e . Разные цвета представляют отдельные треки ячеек. Пунктирная линия через 0 мин представляет область, изображенную через 50–420 мин. Масштабная линейка: 50 мкм. f h Крупный план мышечных трубок 33 h APF в культуре ex vivo с соответствующей цветной маркировкой в ​​ f’-h ’ Шкала шкалы: 10 мкм. f , f ’ Миотрубки дикого типа (WT). г , г ’ rac2 RNAi вызывает быструю сборку и разборку филоподий. h , h ” cdc42 RNAi приводит к очень стабильным филоподиям по сравнению с wt. Филоподии являются удлиненными, даже между формирующимися мышечными трубками, что затрудняет достижение тесного межклеточного контакта, таким образом, весь лист выглядит менее плотным, как у WT. i Количественная оценка расстояния миграции по оси x (сравните с рис. 3j). j Количественное определение среднего меандрирующего расстояния. i , j , n * P ≤ 0.05, ** P ≤ 0,01, *** P ≤ 0,001, **** P ≤ 0,0001. i, j Данные представлены как средние значения ± стандартное отклонение. N = 5 семенников. Статистическое тестирование: односторонний дисперсионный анализ. k Матричные спайки в мышечных трубках во время миграции. Шкала шкалы: 10 мкм. l Матричные адгезии полностью теряются при подавлении rac2 РНКи. m Матричные адгезии остаются намного дольше после восстановления cdc42 , даже достигая заднего конца мигрирующей клетки. n Количественная оценка срока службы адгезии матрицы. N = 980 матричных спаек в трех семенниках (WT) и N = 665 матричных спаек в трех семенниках ( cdc42 RNAi). Центр коробчатой ​​диаграммы: медиана. Границы: 25-й и 75-й процентили. Усы: минимальные / максимальные значения. Статистическое тестирование: критерий Манна – Уитни (двусторонний).

Подавление функции Cdc42 также серьезно ухудшило скорость миграции, что привело к значительному сокращению расстояния миграции по оси x (рис.6б, д; Дополнительный фильм M15; сравните количественное определение на дополнительном рис. 2g). Однако, по сравнению с rac2 -истощенными клетками, cdc42 -дефицитные мышечные трубки показали увеличение тонких и удлиненных филоподий (фиг. 6g, g ’; дополнительные фильмы M17 и M19). В целом, мышечные трубки с истощением cdc42 показали удлиненную форму клеток с многочисленными промежутками между соседними клетками. Визуализация живых клеток cdc42 нокдаун клеток с использованием репортера FAT-EGFP показала значительно увеличенное время жизни адгезий клетка-матрикс (рис.6м; количественная оценка в n; Дополнительный фильм M18). По сравнению с клетками дикого типа, адгезии клетка-матрица сохраняются намного дольше, даже когда они достигают заднего конца мигрирующей клетки (Supplementary Movie M18). Итак, Rac2 и Cdc42 оба необходимы для миграции миотрубок, но, по-видимому, по-разному регулируют адгезии клеточного матрикса.

Активированный Rho1 не обогащен на межклеточных контактах

Активность Rho1 37,38 , Drosophila гомолога RhoA, по-видимому, столь же важна для миграции миотрубок, как Cdc42 и Rac2.Опосредованное РНКи подавление активности Rho1, но не активности RhoL в мышечных трубках действительно привело к сильным морфологическим дефектам семенников, и даже при низкой экспрессии трансгена РНКи (с использованием драйвера lbe -Gal4) мышечные трубки, истощенные по rho1 , демонстрировали сильные миграционные дефекты (см. Рис. 1k, дополнительная таблица). Подавление одних и тех же трансгенов РНКи с использованием драйвера mef4-Gal4 приводило к ранней летальности куколки (дополнительная таблица).

В отличие от клеток нервного гребня, подвергающихся CIL, активированный Rho1 не обогащался межклеточными контактами между мышечными трубками (рис.7а). Визуализация в реальном времени мигрирующих мышечных трубок, коэкспрессирующих биосенсор Rho1-GTP или анилин-Rho-связывающий домен, слитый с GFP (Anil.RBD-GFP 39 и трансген LifeAct-RFP, выявила высокодинамичные локальные импульсы активности Rho1 вдоль втягивающихся выступов филоподий в свободном состоянии. (Рис. 7a, b; Дополнительный ролик M20). Активация Rho1 оказалась синхронной с обратным движением втягивающихся филоподиальных выступов (Рис. 7b; Дополнительный ролик M20). После того, как выступ был полностью втянут, активированный Rho1 исчез.Примечательно, что втягивающиеся выступы часто сопровождались новыми направленными вперед выступами в той же области без какого-либо сигнала Rho1 (Рис. 7b, Supplementary Movie M20). Таким образом, мигрирующие мышечные трубки не просто поляризованы вдоль передней-задней оси.

Рис. 7: Контрактильность актомиозина, управляемая Rho / Rok, важна для миграции миотрубок.

a, b Крупные планы мышечных трубок на переднем крае мигрирующего листа 30 мин в культуре ex vivo. mef2-Gal4 управляет UAS-LifeAct-RFP и датчиком Rho1 Anillin-RBD-EGFP.UAS-LifeAct-RFP обогащен актиновыми кабелями вдоль мембраны. Для изображения всех структур актина гамма была установлена ​​на 0,09. В прямоугольниках в правом верхнем углу изображены детали с гаммой = 1. a Активность датчика Rho1 обнаружена в филоподиях со свободным краем (белые стрелки, поскольку LifeAct-RFP быстро обесцвечивается на кончиках филоподий, сигнал EGFP частично появляется за пределами клетки). При анализе с гамма = 1 становится ясно, что датчик Rho1 присутствует только в частях края, содержащих актиновые кабели.После появления сигнала Rho соответствующая часть клетки втягивается, и сигнал Rho1 сразу исчезает. Во время ретракции сигнал LifeAct-RFP на участке ретракции возвращается к нормальной интенсивности. b Активность датчика Rho1, похоже, не указывает на заднюю полярность. Филоподии могут выступать (левый столбец, желтая линия, затем активировать RhoA и втягиваться (средний столбец, желтая линия). Впоследствии соседние филоподии могут снова удлиняться (средний и левый столбцы, желтая линия). c Миотрубки, экспрессирующие LifeAct-EGFP, обработанные с помощью Ингибитор Рок Y-27632. d sqh Нокдаун был индуцирован экспрессией трансгена UAS-sqh RNAi. Клеточный кластер миотрубок все еще был способен мигрировать с меньшей скоростью и становиться сильно удлиненным с длинными взаимосвязанными клеточными отростками. Пунктирная линия через 0 мин представляет область, изображенную через 50–420 мин. Масштабная линейка: 50 мкм. Следы изображены в e wild type (WT), f Y-27632 в обработке и g sqh knock down. Разные цвета представляют отдельные треки ячеек. h Измерение размера зазора в кластере ячеек с течением времени. i Количественная оценка расстояния миграции по оси x . j Количественное определение среднего меандрирующего расстояния. i , j N = 5 ячеек. Данные представлены в виде средних значений ± стандартное отклонение. * P ≤ 0,05, ** P ≤ 0,01, *** P ≤ 0,001, **** P ≤ 0,0001. Статистическое тестирование: обычный односторонний дисперсионный анализ. Конфокальные изображения семенников взрослых, экспрессирующих k a sqh RNAi трансген и l a zip RNAi трансген под драйвером mef2-Gal4 , мышечный лист окрашен фаллоидином (красный), а ядра окрашены DAPI (голубой).Масштабная линейка: 100 мкм.

Миграция миотрубок требует Rok-зависимой сократимости актомиозина

Rho1, как известно, контролирует миозин II-зависимое сокращение посредством протеинкиназы Rok, формирующих клетки в ткань в большом разнообразии морфогенетических событий во время развития 40,41 . Чтобы проверить, требуется ли Rok-зависимая актомиозин-опосредованная сократимость для коллективной миграции миотрубок, мы сначала подавили сократимость, обработав культивируемые ex vivo куколочные семенники специфическим ингибитором Rok Y-27632 42 и блеббистатином 43 или, скорее, его фотостабильным производным. пара-нитроблеббистатин 44 , который нацелен на действие миозина II (рис.7c, дополнительный фильм M21). По сравнению с контрольными клетками, обработанными ДМСО, мы обнаружили аналогичные поразительные изменения в морфологии клеток в зависимости от времени, которые в конечном итоге нарушают миграцию клеток мышечной трубки (рис. 7c, e, f; дополнительный фильм M21). После обработки Y-27632 или блеббистатином кластер клеток мышечной трубки все еще был способен мигрировать, но стал сильно удлиненным с длинными взаимосвязанными клеточными отростками, как и ожидалось для растягивающейся ткани. Как следствие, в кластере ячеек наблюдались большие промежутки между отдельными ячейками, общий размер которых со временем сильно увеличивался (см. Количественную оценку на рис.7h). Соответственно, опосредованное РНКи истощение как регуляторной легкой цепи миозина II ( спагетти, , sqh, ), так и тяжелой цепи миозина II ( застежка-молния, застежка-молния ) фенокопирует фармакологическое ингибирование Rok (рис. 7d, g, дополнительный фильм M21; количественная оценка на рис. 7h). Миграционные дефекты и неспособность сжать кластер клеток в конечном итоге привели к появлению маленьких взрослых семенников с уменьшенными спиралями и громоздкими кончиками с многочисленными большими отверстиями в мышечном листе, аналогичными тем, которые лишены Rho1 (сравните рис.7k, l с дополнительным рис. 1b, k). В заключение, эти данные показывают важную роль Rok-управляемой сократимости актомиозина в коллективной миграции миотрубок. В совокупности наши данные не подтверждают, что актомиозин-зависимая сократимость необходима для движения мышечной трубки вперед, а скорее способствует целостности мигрирующего кластера клеток.

Прямая стимуляция соматосенсорной коры приводит к более медленной реакции по сравнению с периферическим прикосновением у людей

Субъекты

Людям (n = 4) имплантировали в Медицинском центре Харборвью (Сиэтл, Вашингтон) электрокортикографические (ЭКоГ) сетки (2.Открытый диаметр 3 мм, Ad-tech Medical, Расин, Висконсин, США) для острого клинического мониторинга трудноизлечимой эпилепсии перед хирургической резекцией. Размещение сетки ЭКоГ было определено исключительно на основании клинических потребностей без учета результатов исследований. Мы проводили все исследования DCS после того, как пациенты вернулись к своим противоэпилептическим препаратам, примерно через неделю клинического наблюдения. Индивидуальные демографические данные пациентов, включая сторону имплантации электродов и маневренность субъектов, можно найти в таблице 2 с соответствующими кортикальными реконструкциями и положениями электродов DCS, показанными на рис.3. Эпилептические очаги также идентифицированы в таблице 2, чтобы проиллюстрировать, что мы ожидали нейротипической соматосенсорной корковой обработки для нашей задачи времени реакции. Все пациенты дали информированное согласие в соответствии с протоколом, одобренным Наблюдательным советом Вашингтонского университета. Все исследования и методы были выполнены в соответствии с соответствующими руководящими принципами и правилами.

Кортикальные реконструкции

Мы выполнили кортикальные реконструкции на основе предоперационной МРТ и послеоперационной компьютерной томографии, используя ранее описанные методы 35,36,37 , и идентифицировали пару соседних электродов над сенсорной корой руки на основе этих реконструкций и информация о клиническом картировании, выполняемая специалистами по эпилепсии для стандартной клинической помощи.

Форма волны стимуляции и оборудование

Мы проводили стимуляцию с помощью стимулятора TDT IZ2H-16 и аккумуляторной батареи LZ48-400 (Tucker Davis Technologies, Алачуа, Флорида, США) с биполярными, сбалансированными по заряду поездами стимуляции постоянного тока. Цепочки DCS состояли из двухфазных импульсов 200 Гц с 200 мкс на фазу, поскольку ранее было обнаружено, что такие последовательности DCS вызывают восприятие во время стимуляции S1 14 .

Кортикальная стимуляция

Пороги восприятия субъектов для DCS определялись путем постепенного увеличения амплитуды тока последовательности DCS продолжительностью 200 мс с шагом 250 мкА от начальной амплитуды 500 мкА (Субъекты 1 и 2), 1000 мкА (Субъект 3). ) или 200 мкА (Субъект 4) до тех пор, пока субъект не сможет почувствовать стимуляцию, как указано в устном отчете (Рис.2). У двух испытуемых (испытуемые 2 и 3) первая пара электродов DCS, которую мы опробовали, не вызвала последовательного восприятия, поэтому мы попробовали другую пару электродов и снова нашли порог восприятия (рис. 2). Из-за нехватки времени мы полностью протестировали только одну пару стимулирующих электродов. Во время наших скрининговых тестов мы просматривали разные пары электродов, чтобы выбрать пару и полярность стимуляции, которые наиболее надежно вызывают распознаваемые ощущения, локализованные на руке.Как только мы нашли эту пару электродов для данной полярности, мы провели все оставшиеся в течение дня эксперименты с этой биполярной конфигурацией, чтобы максимально увеличить количество испытаний, которые мы смогли провести.

Сначала мы определили электроды стимуляции испытуемых и пороги перцептивного тока, как описано выше, а затем использовали надпороговую амплитуду тока во время эксперимента для всех условий DCS (таблица 2). Чтобы установить надпороговую амплитуду тока стимуляции, нам потребовалось, чтобы два субъекта (субъекты 2 и 4) правильно определили в десяти последовательных двухальтернативных испытаниях принудительного выбора (2AFC), были ли доставлены один или два цикла DCS по 200 мс с надпороговой амплитудой тока прежде чем перейти от порогового значения восприятия к эксперименту по времени отклика (рис.2). Это продемонстрировало, что испытуемые могли надежно воспринимать последовательности DCS длительностью 200 мс при этой амплитуде тока. Для других субъектов (субъекты 1 и 3) мы достигли надежного распознавания стимуляции с надпороговой амплитудой (на 250–500 мкА выше их порога восприятия) и приступили к эксперименту по времени отклика без проведения десяти последовательных испытаний 2AFC из-за ограничений по времени.

Для Субъекта 2, после успешного завершения десяти испытаний 2AFC, мы попытались сопоставить воспринимаемую интенсивность между условием тактильной обратной связи и состоянием поезда DCS продолжительностью 200 мс, увеличивая амплитуду тока DCS до тех пор, пока субъект не почувствовал, что два стимула были качественно равными. прочность (рис.2). Мы не пытались подобрать интенсивность у субъектов 1 или 4 из-за нехватки времени и усталости пациента. В Субъекте 3 мы не пытались сопоставить интенсивность, потому что DCS вызывал относительно слабые восприятия, и повышение амплитуды тока до уровня, достаточного для сопоставления его воспринимаемой интенсивности с интенсивностью тактильных стимулов, увеличило бы риск вторичных разрядов.

Тактильная стимуляция

Мы применили тактильную обратную связь с цифровыми сенсорными датчиками (Каролинский институт), которые отметили отклонение и коснулись кожной области, где субъекты локализовали восприятие DCS (рис. 1, 2).Звуковой сигнал, представленный исследователю через наушники, но который не был слышен испытуемым, побудил экспериментатора применить тактильную обратную связь. Ранее мы использовали цифровые сенсорные датчики 15 в сочетании с корковой стимуляцией, и во время производства они были рассчитаны так, чтобы иметь начало прикосновения со средней задержкой 1,04 ± 0,48 мс (среднее значение ± стандартное отклонение). Чтобы учесть изменчивость экспериментатора и возможные изменения оборудования с течением времени, мы измерили их снова и обнаружили, что у них начало прикосновения с задержкой в ​​среднем 5.24 ± 3,26 мс (среднее ± стандартное отклонение) и среднее значение 6,45 мс относительно короткого замыкания (дополнительная информация, рис. S1, S2). Небольшая разница в зарегистрированном начале прикосновения, если добавить к задержкам цифрового датчика касания, не меняет наших значимых эффектов в целом (дополнительная информация, таблица S1).

Экспериментальный протокол

После определения амплитуд тока DCS мы выполнили один (для Субъекта 1) или два (для Субъектов 2–4) блоков испытаний времени реакции, каждый из которых был разделен на набор DCS и набор тактильной стимуляции (рис.2). Во время набора DCS мы предоставили последовательность DCS длиной 200 мс для Субъекта 1 и длиной последовательности 100, 200, 400 и 800 мс для последующих трех субъектов (Субъекты 2–4). Интервалы между испытаниями как DCS, так и тактильной обратной связи были колеблющимися (от 2,5 до 3,5 секунд), чтобы минимизировать опережающие эффекты или ритмическое восприятие испытуемыми. Мы разделили условия DCS и тактильной стимуляции на отдельные наборы, чтобы позволить испытуемым предвидеть и сосредоточиться на одном методе стимуляции за раз.Мы пришли к выводу, что чередование тактильной и корковой стимуляции в одном блоке приведет к большей степени неопределенности и ошибок из-за различий в восприятии между модальностями, а не позволяет сравнивать условия, при которых субъект адаптировался к любому типу стимуляции.

Все испытуемые были проинструктированы реагировать как можно быстрее, нажимая кнопку, удерживаемую в их руке, противоположную ощущениям, когда они воспринимали DCS или тактильное ощущение. Первому испытуемому приказали не смотреть на стимулированную руку, тогда как последующим трем испытуемым (испытуемые 2–4) завязывали глаза, чтобы уменьшить потенциальные помехи, связанные с отвлечением зрения.

Контрольная стимуляция со смещением от цели

В качестве контроля мы также доставили стимуляцию со смещением от цели в область за пределами S1 во время набора экспериментов DCS. Это было сделано для того, чтобы ответы были специфичными для DCS S1, а не для общих, нецелевых DCS. В качестве электродов для стимуляции со смещением от цели мы выбрали два электрода, которые были бы безопасными для биполярной стимуляции, на основании предварительного клинического картирования и знания эпилептических очагов субъектов. Мы использовали длину последовательности DCS 200 мс и ту же амплитуду надпорогового тока для стимуляции со смещением от цели, что и для стимуляции S1.Как подробно описано ниже и на рис. 2, субъект 1 завершил третью серию после DCS и тактильных сетов с этой контрольной стимуляцией, не соответствующей целевому показателю. Для субъектов 2–4 мы чередовали стимуляцию вне цели со стимуляцией S1 на цели во время наборов DCS.

Прогресс исследования субъекта 1

В субъекте 1 во время набора DCS мы провели 86 попыток последовательности стимулов по 200 мс с 17 попытками нулевых стимулов (то есть без стимуляции в качестве контроля), чередующихся в случайном порядке. В тактильном наборе мы провели 103 испытания тактильного прикосновения, снова с 17 чередующимися нулевыми испытаниями.Во время третьего и последнего набора мы провели 20 попыток стимуляции не по назначению, перемежающихся с 6 нулевыми испытаниями (рис. 2).

Субъекты 2–4 Развитие испытаний

Для субъектов 2–4 мы сначала предоставили набор стимуляции DCS, основанный на времени и условиях стимулов из предварительно сгенерированного файла, который случайным образом чередовал 20 испытаний каждое из 100, 200, 400 и 800 Испытания DCS S1 длиной в последовательность мс с 10 испытаниями NULL и 20 испытаниями DCS вне цели, всего 80 испытаний S1 DCS и 30 контрольных испытаний.Затем, во время тактильной установки, мы провели 20 испытаний тактильной стимуляции с помощью цифровых сенсорных датчиков, при этом 10 нулевых контрольных испытаний случайным образом перемежались. После короткого периода отдыха (5–10 минут) мы приступили ко второму блоку наборов корковой и тактильной стимуляции (рис. 2).

Анализ данных

Мы выполнили всю постобработку и анализ данных в MATLAB и Python с помощью пользовательских скриптов. Для расчета времени отклика в условиях DCS мы взяли временную разницу между началом последовательности стимуляции и нажатием кнопки испытуемым, в то время как для времени отклика в условиях тактильной обратной связи мы рассчитали разницу между зарегистрированными временами отклонения цифровой щуп и нажатие кнопки объекта.Мы определили и исключили выбросы как испытания с временем реакции меньше 1 секунды и быстрее 150 мс из дальнейшего анализа, поскольку более быстрые ответы маловероятны для неподготовленных людей 17 , а более медленные, скорее всего, представляют собой снижение внимания к задаче. чем истинное время отклика. Кроме того, мы не рассматривали испытания, в которых либо кнопка не реагировала должным образом на нажатие испытуемого, либо цифровой датчик касания не регистрировал отклонение. В таблице 1 указано, сколько испытаний было проанализировано для каждого субъекта и состояния.

Тесты Андерсона-Дарлинга на нормальность подтвердили, что данные не всегда хорошо описывались нормальным распределением, поэтому мы приступили к непараметрическому тестированию. Мы скорректировали множественные сравнения, разделив значение альфа 0,05 на количество условий, проверенных для каждого субъекта. В частности, оба состояния для Субъекта 1 не были нормально распределены (p = 2,725e-4 и 1,888e-8 для тактильных и 200 мс DCS условий, соответственно). Для Субъекта 2 DCS 100 мс, DCS 800 мс и тактильные условия не были нормально распределены (p = 9.631e-5, 0,0096 и 1,399e-16 соответственно), в то время как условие DCS 200 и 400 мс не смогло отвергнуть нулевую гипотезу о нормальном распределении (p = 0,046, 0,194, соответственно). Для Субъекта 3 DCS 800 мс и тактильные условия не были нормально распределены (p = 0,006 и 3,502e-4 соответственно), в то время как условия DCS 200 и 400 мс не смогли отклонить нулевую гипотезу о нормальном распределении (p = 0,235 и 0,165 соответственно). Для Субъекта 4 800 мс DCS и условия тактильной обратной связи не были нормально распределены (p = 0.006 и 1.186e-6 соответственно), в то время как условия DCS 200 и 400 мс не смогли отклонить нулевую гипотезу о нормальном распределении (p = 0,401 и 0,087, соответственно). Из-за наличия ненормально распределенных групп мы приступили к непараметрическому тестированию для всех субъектов, используя непараметрические критерии суммы рангов Вилкоксона и тесты Крускала-Уоллиса (с поправками Данна-Сидака для апостериорных сравнений для средних оценок ). 38,39 ) для оценки различий между условиями с альфа-уровнем значимости 0.05. Для оценки поблочных различий мы использовали тесты суммы рангов с поправками Бонферрони и базовым альфа-критическим уровнем 0,05.

Далее мы проверили равные различия между группами, используя тест Брауна-Форсайта 40 . Для субъектов 2 и 4 тестирование не выявило значимых различий в дисперсиях между группами, тогда как для субъектов 1 и 3 наблюдались значительные различия в дисперсиях (критическое значение 0,05; незначимо — субъект 2: p = 0,094, субъект 4: p = 0,0873; значимо — субъект 1: p = 0.0113; Субъект 3: p = 5,662e-4). Таким образом, для субъектов 2 и 4 статистически значимые различия между условиями из тестов Краскела-Уоллиса и post-hoc были интерпретированы как различия в медианах, при которых тактильная стимуляция была значительно быстрее, чем корковая стимуляция, в то время как для субъектов 1 и 3 статистически значимые различия были интерпретированы. как различия в стохастическом преобладании одной выборки над другой 39 .

Доступность кода

Код, необходимый для воссоздания вышеуказанного анализа, находится в следующем репозитории.https://github.com/davidjuliancaldwell/responseTimingPaper.git. MATLAB и Python необходимы для создания полного набора рисунков и анализа.

Оптимизация параметров селективной стимуляции для многоконтактных электродов | Журнал нейроинжиниринга и реабилитации

Процесс, который мы предлагаем для количественной оценки и оптимизации селективной стимуляции для многоконтактных электродов, состоит из четырех основных этапов. Во-первых, количественно оценивается реакция на стимуляцию через многоконтактный электрод и перекрытие между парами контактов.Эти реакции представляют собой силы, создаваемые мышечными сокращениями, вызванными одиночными импульсами раздражителя. Мышечные подергивания реже вызывают усталость, чем столбнячные сокращения, и их можно устранить быстрее. Затем количественно оценивается взаимосвязь между подергиванием и тетанической реакцией на стимуляцию. Это соотношение обеспечивает коэффициент масштабирования, так что ответы на подергивания могут быть преобразованы в более функционально значимые тетанические ответы. В-третьих, математические модели подходят для масштабированных данных о пополнении и перекрытии.Эти модели служат двойной цели: уменьшения размера набора данных, необходимого для оптимизации, и предоставления математической основы, на которой может выполняться оптимизация. Наконец, масштабированные модели пополнения и перекрытия используются в качестве входных данных для функции стоимости, которую можно минимизировать для обеспечения оптимальных параметров выборочной стимуляции.

Выбор объекта и многоконтактные электроды

Саморазмерный четырехконтактный спиральный нерв-манжетный электрод CWRU (рис. 1) был использован при разработке и тестировании этого метода для оптимизации параметров селективной стимуляции [16–18].В общей сложности четыре нервных манжеты были постоянно имплантированы вокруг двусторонних бедренных нервов для стимуляции разгибателей колен двух добровольцев с полным двигательным повреждением спинного мозга (субъект 1: уровень C7, ASIA B и субъект 2: уровень T11, ASIA B). Нервные манжеты, которые имеют четыре контакта, которыми можно управлять независимо, были рассчитаны таким образом, чтобы любые два соседних контакта были разделены на 90 ° по окружности нерва. Все контакты были подключены к независимым каналам имплантированного стимулятора, способного генерировать монополярные, сбалансированные по заряду двухфазные импульсы стимула [19, 20].Все стимулы имели амплитуды тока 1,4 мА для Субъекта 1 и 0,8 мА для Субъекта 2. Эти значения были выбраны, поскольку они обеспечивали наибольший диапазон между пороговым и максимальным ответами на стимуляцию доступных амплитуд от имплантированного стимулятора. Первоначальное тестирование селективности нервной манжеты было выполнено через 15 и 14 недель после имплантации для субъектов 1 и 2, соответственно, с дополнительным тестированием стабильности, проведенным до 53 и 37 недель после имплантации.

Рисунок 1

Спиральный электрод с манжетой для нерва CWRU. Четырехконтактный спиральный нерв-манжетный электрод CWRU был имплантирован вокруг двусторонних бедренных нервов для стимуляции мышц-разгибателей колена. Каждый контакт подключен к независимому каналу стимуляции.

Информированное согласие было получено до участия в каких-либо экспериментах, и все протоколы экспериментов были одобрены институциональным наблюдательным советом Медицинского центра MetroHealth, Кливленд, Огайо.

Характеристика рекрутирования и перекрытия

На первом этапе оптимизации параметров селективной стимуляции была охарактеризована реакция на стимуляцию и перекрытие между парами контактов.Когда колено зафиксировано под углом сгибания 20 ° и одна ось датчика нагрузки с 6 степенями свободы (JR3, Woodland, CA) выровнена по центру коленного сустава, изометрический момент разгибания колена регистрировался в ответ на импульсы стимула, прикладываемые к бедренный нерв через каждый контакт электродов манжеты. Данные были отфильтрованы через фильтр нижних частот с частотой 31,25 Гц и дискретизированы с частотой 150 Гц.

Чтобы охарактеризовать реакцию на стимуляцию, были собраны кривые пополнения с широтно-импульсной модуляцией. Чтобы охарактеризовать перекрытие между парами контактов, импульс стимула подавался через один контакт с последующей временной задержкой 2 мс, а затем импульс через второй контакт.Ширина импульса всех стимулов варьировалась от 1 до 255 мкс.

Для некоторых многоконтактных электродов можно уменьшить размер набора данных, исключив попарные комбинации контактов, которые не являются смежными друг с другом, поскольку устранение перекрытия между соседними контактами также устранит перекрытие между несмежными контактами. . Например, в случае восьмиконтактного нервного электрода с плоским интерфейсом, это уменьшит количество возможных парных комбинаций с 28 до 16 [21, 22].В случае четырехконтактной нервной манжеты все контакты прилегают друг к другу, поэтому в этом исследовании были рассмотрены все шесть парных комбинаций.

Связь подергивания / тетаники

В то время как ответ на подергивание на стимуляцию можно собрать быстро и с меньшей вероятностью вызвать утомление, тетанический ответ на стимуляцию имеет функциональное значение. Исследования как на животных, так и на людях показали, что существует линейная взаимосвязь между формой изометрических сокращений и кривых тетанического набора, характеризуемая одним скалярным множителем [4, 23].Чтобы количественно оценить этот коэффициент масштабирования, судорожные и тетанические реакции на стимуляцию регистрировались, когда колено держалось под углом 20 ° сгибания. Соотношение максимального подергивания и тетанического ответа использовалось в качестве масштабного коэффициента.

Математические модели пополнения и перекрытия

Подгонка математических моделей к данным пополнения и перекрытия уменьшает размер набора данных, необходимого для характеристики электродов, а также обеспечивает основу для оптимизации параметров стимуляции. Чтобы определить наилучшую форму функций для набора и перекрытия, математические функции были приспособлены к данным момента разгибания колена в ответ на стимуляцию через отдельные контакты или пары контактов внутри каждого электрода.Для каждого контакта или пары контактов было собрано 48 точек данных, при этом подмножества из 32 точек набора или перекрытия соответствовали различным моделям, а отдельные подмножества из 16 точек данных использовались для проверки соответствия (GOF). Для данных о наборе были протестированы полиномиальные, сигмовидные, гауссовские и Гомпертцовые функции порядка 1 -го –5 -го . Для данных перекрытия, которые являются двумерными, поскольку шириной импульса можно управлять независимо для обоих контактов в парной комбинации, были протестированы двумерные полиномы порядка от 1 -го до 5 -го .Для определения GOF были рассчитаны коэффициенты детерминации (R 2 ) и скорректированный информационный критерий Акаике (AICc) для каждой модели. AICc — это мера того, насколько хорошо модель соответствует набору данных по отношению к количеству параметров в этой модели [24]. Модели, которые достигли наилучшего соответствия, были выбраны для реализации в ходе оптимизации, описанной в следующем разделе.

Оптимизация параметров селективной стимуляции

Достижение селективности стимуляции обязательно создает компромисс между большими уровнями стимула с большими суставными моментами и маленькими уровнями стимула с низким перекрытием.Поэтому полезно рассматривать селективность как задачу оптимизации, цель которой состоит в том, чтобы выбрать наилучшие параметры стимуляции, чтобы максимизировать суставной момент при минимизации перекрытия, используя функцию стоимости вида

CPW¯ = −ω0MTPW¯ + ω1OTPW¯

, где PW — размерный вектор N длительностей импульсов стимула для контактного электрода N , O T
определяет перекрытие всех контактов внутри электрода, M T
определяет момент соединения, создаваемый всеми контактами внутри электрода, а ω 0
и ω 1
— весовые коэффициенты.Путем минимизации этой функции затрат M T
будет максимальным и O T
будет минимизирован, производя максимально сильные сокращения с минимально возможным перекрытием стимуляции между контактами.

Срок шарнирного момента, M T
, определяется здесь как

MTPW ¯ = ∑i = 1: NMiPWi / ∑i = 1: NmaxMi

, где M i
— это момент, генерируемый при стимуляции посредством контакта и , который математически описывается функцией модели, ранее подобранной для данных набора.Сумма этих функций делится на сумму максимумов функций, чтобы нормировать член совместного момента. Из-за этой нормализации общий член суставного момента находится в диапазоне от 0 до 1, в то время как суммирование отдельных моментов позволяет более сильным суставным моментам иметь больший вес, чем более слабым моментам.

Перекрытие для пары контактов количественно оценивается отклонением от линейного сложения, когда стимуляция применяется через один контакт вскоре после стимуляции через другой контакт.Пока временная задержка между импульсами стимула меньше рефрактерного периода стимулированных моторных аксонов, а угол сустава остается постоянным, результирующий суставный момент будет разницей между линейным сложением моментов, когда каждый контакт стимулируется индивидуально, и ответной реакцией. к совпадению стимуляции между двумя контактами. Это может быть выражено как

Mi∪jPWi, PWj = MiPWi + MjPWj − Mi∩jPWi, PWj

, где M i U j — момент, генерируемый при стимуляции посредством двух контактов с коротким временем. задержка, M i∩j
— это перекрытие между контактами i и j , а также M i
и M j
— моменты, генерируемые при воздействии через контакты i и j соответственно.Переставляя эти термины, можно рассчитать перекрытие при стимуляции для пары контактов внутри электрода.

Чтобы учесть все эти попарные перекрытия, при нормализации перекрытия, чтобы его вес контролировался относительно M T
, O T
определяется как

OTPW¯ = 2N2 − N∑i = 1: N − 1∑j = 2: NMi∩jPWi, PWjMi∪jPWi, PWj

, который находится в диапазоне от 0, когда нет перекрытия, и 1, когда есть 100% перекрытие.Также обратите внимание, что в этом уравнении i ≠ j . Во время этого исследования использовался двухсекундный межимпульсный интервал, когда импульсы стимула применялись к паре контактов внутри электрода.

С обоих O T
и M T
нормированы, весовые коэффициенты ω 0
и ω 1
можно использовать для подчеркивания больших моментов в суставах или уменьшения перекрытия, в зависимости от конкретного применения.Для этого исследования члены были взвешены одинаково, то есть ω 0
= ω 1
.

Для обеспечения либо достаточно больших моментов соединения, либо достаточно малых перекрытий, линейно возрастающий штраф был добавлен к функции стоимости, если момент соединения для любого контакта был меньше 5 Нм или перекрытие было больше 10% между любыми двумя контактами. Наклон этих штрафов можно настроить, чтобы ужесточить или ослабить ограничения на минимальный суставной момент или максимальное перекрытие.

Алгоритм оптимизации прямого поиска (Matlab, Natick, MA) использовался для нахождения минимума функции стоимости и оптимального набора длительностей импульсов для выборочной стимуляции.

Стабильность перекрытия

Для достижения надежного контроля в системе FNS важно, чтобы реакция на стимуляцию была стабильной во времени. Избирательность — это функция одновременного действия силы мышц и стимуляции. Хотя ожидается, что сила мышц будет меняться со временем по мере того, как пользователь тренируется и наращивает мышечную массу, если поверхность раздела между электродом и нервом стабильна, вероятность того, что перекрытие со временем изменится, будет меньше.Чтобы проверить стабильность стимуляции, количество перекрытий между парами контактов было определено количественно в нескольких временных точках после имплантации. В первый момент времени оптимальные параметры стимуляции были выбраны с помощью алгоритма, описанного выше, и в каждый последующий момент времени перекрытие стимуляции между всеми парами контактов измерялось с использованием тех же самых параметров стимуляции. Односторонний тест Стьюдента t использовался для определения того, превышает ли среднее перекрытие для любой пары контактов 10%.

Контроль взаимодействия нервной клетки с клеткой посредством бесконтактной стимуляции электрического поля с использованием графеновых электродов

Нейроны проводят входящие или исходящие сигналы через синаптическую связь и / или щелевые соединения (т. Е. Электрическую связь). И синаптическая связь, и электрическая связь играют критическую роль в формировании функции нейронов, но эти связи могут быть временными [1], [2], [3], [4]. Чтобы сделать связь более сильной, были предприняты различные попытки найти новые способы облегчить связь [5].В частности, содействие контакту между клетками является решающим начальным этапом связывания нервных клеток.

Сообщалось, что различные типы электростимуляции могут регулировать физиологическую активность клеток, такую ​​как деление, миграция, дифференцировка и гибель клеток [6], [7], [8], [9]. Из-за своей неинвазивности электрическая стимуляция использовалась для ускорения заживления при восстановлении спинного мозга и терапии рака [10], [11], [12], [13]. Более того, методы инжекции постоянного тока (DC) могут резко побудить нервную клетку выровняться перпендикулярно направлению приложенного электрического поля.Стимуляция постоянным током также вызывает разрастание аксонов по направлению к катоду, при этом аксоны совпадают с направлением тока [14]. Однако большинство этих клеточных изменений происходит в результате хронического воздействия электрического поля постоянного тока и может привести к потенциальному клеточному повреждению лежащих в основе клеток или тканей [15], [16]. Следовательно, чтобы минимизировать повреждение клеток после электростимуляции, необходимо разработать эффективный электростимулятор, который имеет нецитотоксический субстрат, который может служить стабильным интерфейсом между стимулятором и клетками [17], [18].

В последнее время наноуглеродные материалы, такие как углеродные нанотрубки и графен, считаются новыми эффективными электродными материалами с высокой проводимостью. Графен, двумерная (2D) форма графита, имеет высокий коэффициент пропускания и отличную проводимость [19]. Недавно разработанный графен большой площади был применен в гибких тонкопленочных транзисторах [20] и электродах сенсорных панелей [21], [22], [23]. Кроме того, полиэтилентерефталат (ПЭТ) представляет собой хорошо известный прозрачный полимер, который является нецитотоксическим материалом, используемым в катетерах для медицинской хирургии [24].

Цели данной статьи двояки: i) разработать новый гибкий, прозрачный и нецитотоксический стимулятор из графена / ПЭТ-пленки in vitro и ii) использовать этот стимулятор для бесконтактной стимуляции электрического поля и изучить его влияние на межклеточное сцепление. Это исследование позволит нам лучше наблюдать межклеточное соединение in vitro в слабом электрическом поле, связанном с высоким коэффициентом усиления поля тонкого слоя графена [25]. Мы также сосредоточимся на том, как стимуляция слабым электрическим полем изменяет эндогенные белки цитоскелета, т.е.е., связанные с подвижностью нейрональных клеток.

Контакты плоских электродов для стимуляции блуждающего нерва

Abstract

В большинстве доступных систем для стимуляции блуждающего нерва используются спиральные электроды стимуляции, которые покрывают большую часть окружности нерва и создают в нерва практически однородную плотность тока. Плоские электроды для стимуляции, которые контактируют только с одной стороной нерва, могут обеспечить преимущества, в том числе простоту изготовления. Однако возможно, что плоская конфигурация приведет к неэффективному привлечению волокон из-за менее однородного распределения тока в нерве.Здесь мы проверили гипотезу о том, что плоские электроды потребуют более высокой амплитуды тока для активации всех волокон большого диаметра по всему поперечному сечению нерва, чем кольцевые электроды. Вычислительное моделирование и эксперименты in vivo были выполнены для оценки набора волокон в разных нервах и разных видах с использованием электродов различной конструкции. Первоначальные результаты продемонстрировали аналогичный набор волокон в блуждающем и седалищном нервах крысы со стандартным окружным манжетным электродом и манжетным электродом, модифицированным для приближения плоской конфигурации.Последующие эксперименты, сравнивающие настоящие плоские электроды с круговыми электродами на седалищном нерве кролика, подтвердили, что набор волокон был эквивалентен между двумя конструкциями. Эти результаты показывают, что плоские электроды представляют собой жизнеспособную конструкцию для стимуляции нервов, которая может обеспечить преимущества по сравнению с нынешними круговыми конструкциями для приложений, в которых целью является равномерная активация всех пучков в нерве.

Образец цитирования: Bucksot JE, Wells AJ, Rahebi KC, Sivaji V, Romero-Ortega M, Kilgard MP, et al.(2019) Плоские электродные контакты для стимуляции блуждающего нерва. PLoS ONE 14 (11):
e0215191.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191

Редактор: Antal Nógrádi, Szegedi Tudomanyegyetem, ВЕНГРИЯ

Поступила: 25 марта 2019 г .; Принята к печати: 30 октября 2019 г .; Опубликован: 18 ноября 2019 г.

Авторские права: © 2019 Bucksot et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе и его файлах с вспомогательной информацией.

Финансирование: Эта работа была поддержана NIH R01NS085167 (MPK), R01NS094384 (SAH) и программой Министерства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) по биологическим технологиям (BTO) по электрическим рецептам (ElectRx) под эгидой Dr. Дуг Вебер и Эрик Ван Гизон через Центр космических и военно-морских систем войны, Тихоокеанское соглашение о сотрудничестве No.HR0011-15-2-0017 и N66001-15-2-4057 (RLR) и программа DARPA BTO Targeted Neuroplasticity Training (TNT) под эгидой доктора Дуга Вебера и доктора Тристана МакКлюр-Бегли через космическую и морскую войну Системный центр, Тихоокеанский грант / контракт № N66001-17-2-4011 (МПК). Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: MPK является консультантом и имеет финансовую заинтересованность в MicroTransponder, Inc., которая разрабатывает методы лечения с использованием VNS. VS и RLR имеют финансовую заинтересованность в телиатрии, которая разрабатывает электроды для нервной стимуляции. JEB, AJW, KCR, MR и SAH заявляют об отсутствии конкурирующих интересов. Это не влияет на нашу приверженность политике PLOS ONE в отношении обмена данными и материалами.

Введение

Стимуляция блуждающего нерва (VNS) — одна из наиболее широко используемых стратегий стимуляции периферических нервов, которая использовалась более чем у 70 000 пациентов для контроля над эпилепсией [1].Недавние клинические исследования демонстрируют потенциал VNS для лечения других неврологических расстройств, включая инсульт, шум в ушах, головную боль и артрит [2–5]. Учитывая широкий потенциал применения, существует большой интерес к определению оптимальных стратегий стимуляции для получения максимальной пользы у пациентов [6].

Имплантированные электроды со спиральной манжетой являются золотым стандартом для VNS. Из-за их роли в подавлении приступов многие современные приложения VNS стремятся преимущественно активировать A-волокна большого диаметра [7].Активация волокон меньшего диаметра, таких как B- и C-волокна, хотя и желательна для контроля сердечно-сосудистой системы в некоторых приложениях, обычно избегается для VNS, используемого при эпилепсии. Чтобы максимизировать активацию А-волокон, кривая набора должна быть как можно более крутой, чтобы большая часть А-волокон активировалась до того, как стимуляция достигнет интенсивности, которая будет превышать порог для волокон меньшего диаметра. Крутые кривые набора наблюдались с окружными или спиральными электродами, которые покрывают большую часть окружности нерва, что позволяет предположить, что, хотя плотность тока уменьшается от края электродов к центру нерва, она все еще относительно однородна.

Современные конструкции электродов VNS дороги в производстве, и их сложно разместить на нерве [8]. Плоская конфигурация внутри изолирующей манжеты с контактами электродов на одной стороне нерва может быть изготовлена ​​с более компактной конструкцией, которая упростит изготовление и имплантацию. Однако такая геометрия электрода обеспечивает контакт только с небольшой частью окружности нерва, что обеспечивает менее равномерное распределение тока, чем при стандартной спиральной конструкции.Уменьшение площади поверхности такой конструкции приведет к более высокой плотности тока около электрода, а большее расстояние между электродом и противоположной стороной нерва приведет к большему распаду и, следовательно, к более низкой плотности тока. В результате волокна с более высоким порогом вблизи электродов могут активироваться раньше, чем находящиеся на расстоянии волокна с более низким порогом. Многие недавние разработки в области стимуляции периферических нервов использовали этот принцип для достижения избирательной стимуляции [9–11].В то время как новые применения VNS могут в конечном итоге выиграть от избирательной стимуляции, текущие приложения VNS в основном сосредоточены на равномерной активации A-волокон по нерву [12]. Таким образом, необходимо прямое сравнение плоских и окружных электродов манжеты, чтобы определить, представляют ли плоские контакты практическую альтернативу для обеспечения крутого рекрутирования волокон внутри блуждающего нерва. В настоящем исследовании мы выполнили моделирование и эмпирическое тестирование, чтобы изучить влияние изменения геометрии контактов электродов на эффективность набора нервов в ряде условий.

Материалы и методы

Расчетная модель

В Comsol (COMSOL Multiphysics® Version 5.3) была создана 3D-модель, состоящая из нерва с одним пучком, периневрием, эпиневрием, двумя платиновыми контактами, изолирующей манжетой и окружающей средой, как и в предыдущих исследованиях [13,14]. В подмножестве моделей использовался нерв с несколькими пучками, содержащий пять пучков. Диаметр нерва был 0,9 мм для седалищного нерва крысы, 0,4 мм для блуждающего нерва крысы или 3 мм для седалищного нерва кролика [15-17].Толщина периневрия была установлена ​​на уровне 3% от диаметра пучка [18]. Толщина эпиневрия составляла 0,13 мм для седалищного нерва крысы, 0,1 мм для блуждающего нерва крысы и 0,43 мм для седалищного нерва кролика [19–21]. Чтобы исследовать влияние размера нерва, модель седалищного нерва кролика была увеличена в 4 раза до 1,5 раз большего размера. Для обоих нервов крысы изолирующие манжеты имели внутренний диаметр 1 мм и внешний диаметр 2 мм. Для седалищного нерва кролика изолирующие манжеты имели внутренний диаметр 3,02 мм и внешний диаметр 5.2 мм. Платиновые контакты имели толщину 0,01 мм. Плоские контакты, использованные в модели кролика, имели ширину 2 мм и длину 1,5 мм в осевом направлении. Площадь поперечного сечения нерва и просвета манжеты была согласована между моделями с окружным и плоским электродом путем увеличения внутреннего диаметра плоской манжеты на 8,67%. Нерв был изменен, чтобы принять форму плоской манжеты [22]. Спиральные электроды шириной 0,7 мм и толщиной 0,01 мм имели шаг 2 мм и образовывали дугу 270 °.Изоляция имела такой же шаг и сделала 2,5 витка. Ширина изоляции составляла 1,4 мм, а толщина составляла 0,9 мм. Пустое пространство во всех моделях было заполнено окружающей средой с проводимостью от физиологического раствора (2 См / м) до жира (0,04 См / м). Для моделей крыс окружающая среда была 20 мм в длину и 4 мм в диаметре. Для моделей кроликов они были 120 мм в длину и 40 мм в диаметре. Обоснованы внешние границы всех моделей. На один контакт подавали положительный ток 1 мА, а на другой — отрицательный ток 1 мА.Поскольку модель является чисто резистивной, поле напряжения необходимо было вычислить только для одной амплитуды тока. Электрические свойства для каждого материала были основаны на полевых стандартах и ​​могут быть найдены в таблице S1 [23–26].

После того, как модель Comsol была решена, распределение напряжения внутри пучка было экспортировано и считано в модель NEURON, состоящую из 500 параллельных аксонов, равномерно распределенных по пучку. Мультипучковый нерв имел по 100 аксонов в каждом из пяти пучков.Аксоны были разработаны с использованием модели, созданной Макинтайром, Ричардсоном и Грилем [27]. Все электрические параметры были идентичны в этом исследовании, но геометрические параметры были интерполированы с использованием полинома порядка 1 или 2 . Все установленные функции можно найти в таблице S2. Каждое волокно было настроено на длину соответствующей модели Comsol: 20 мм или 120 мм. Диаметры были взяты из нормального распределения, предназначенного для представления A-волокон (седалищно-седалищный сустав крысы: 6,87 ± 3,02 мкм, блуждающий нерв крысы: 2.5 ± 0,75 мкм, ишиас кролика: 8,85 ± 3,1 мкм) [28,29]. Диаметр волокон блуждающего нерва крысы оценивался на основе скорости проводимости волокон, опосредующих рефлекс Геринга-Брейера [30–33]. В обеих моделях седалищного нерва использовалась нижняя граница диаметром 2 мкм. В модели блуждающего нерва использовалось ограничение в 1 мкм.

После задержки 0,5 мс, чтобы убедиться, что все аксоны достигли устойчивой базовой линии, к модели NEURON применялся двухфазный импульс переменной амплитуды. Поле напряжения, вычисленное в Comsol, было линейно масштабировано до заданного тока и приложено к 0.1 мс, а затем сразу после этого применялась инверсия еще на 0,1 мс. Следы напряжения от узлов на проксимальном конце аксона были записаны и использовались, чтобы определить, был ли этот аксон активирован при данной амплитуде тока. Данные активации использовали для создания кривых доза-ответ, показывающих процент активированных аксонов как функцию текущей амплитуды.

Эксперименты на животных

Все манипуляции, размещение, стимуляция и хирургические процедуры были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Техасского университета в Далласе.Двенадцать крыс-самок Sprague Dawley (Charles River, возраст от 3 до 6 месяцев, от 250 до 500 г) содержали в условиях обратного цикла свет-темнота 12:12 ч. Шесть крыс использовали для экспериментов с седалищем и шесть крыс использовали для экспериментов по блуждающему нерву. Четырех новозеландских белых кроликов-самцов (Charles River, возраст от 3 до 6 месяцев, от 2 до 4 кг) содержали в цикле свет-темнота 12:12 ч. Всех четырех кроликов использовали для экспериментов с седалищем.

Электроды

Эксперименты на крысах проводились с использованием изготовленных на заказ электродов-манжет.Все электроды манжеты были изготовлены вручную по стандартным методикам [34]. Манжеты были изолированы отрезками полиуретановой трубки от 3 до 6 мм с внутренним диаметром 1 мм и внешним диаметром 2 мм. Электроды представляли собой многопроволочную платино-иридиевую проволоку диаметром 0,01 мм. Для периферийного электрода манжеты платино-иридиевые проволоки покрывали дугу 270 ° внутри манжеты. Чтобы приблизиться к плоскому электроду, использовались частичные контакты, которые покрывали только дугу 60 °. Дополнительно был испытан промежуточный электрод с дугой 120 °.Все импедансы электродов были измерены в физиологическом растворе перед тестированием, чтобы убедиться в правильности конструкции.

Эксперименты на кроликах проводились с использованием как изготовленных на заказ окружных электродов, так и изготовленных плоских электродов. Окружные электроды были изготовлены с использованием тех же материалов и протокола, что и электроды манжеты для крыс, но с размерами, соответствующими большему седалищному нерву кролика (внутренний диаметр 3 мм, внешний диаметр 4,5 мм, дуга 270 °). Плоские электроды состояли из печатных плат, соединенных с двумя прямоугольными платиновыми контактами [35].Все бортовые компоненты были залиты и герметично закрыты стеклом. Управляемая током стимуляция осуществлялась с помощью этого устройства с помощью встроенного микроконтроллера с цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Аналоговый выход ЦАП усиливался операционным усилителем с максимальным током 1,2 мА. Прямоугольные контакты крепились к поверхности стекла и соединялись с печатной платой через герметичные стеклянные переходные отверстия. Трехслойная катушка с 9 витками использовалась в качестве антенны для приема энергии и связи.Вокруг устройства был установлен силиконовый рукав, служащий изолирующей манжетой.

Стимуляция седалищного нерва крысы

Крыс анестезировали с использованием гидрохлорида кетамина (80 мг / кг, внутрибрюшинная (IP) инъекция) и ксилазина (10 мг / кг, IP) и вводили дополнительные дозы по мере необходимости. После того, как место операции было выбрито, на коже был сделан разрез непосредственно над двуглавой мышцей бедра [15,36]. Седалищный нерв обнажали путем рассечения под двуглавой мышцей бедра. Икроножная мышца была отделена от кожи и окружающей ткани.Затем на седалищный нерв помещали манжетные электроды с проводами, подключенными к изолированному программируемому стимулятору (модель 4100; A-M Systems ; Sequim, WA). Нерв был оставлен на месте под двуглавой мышцей бедра, и полость была постоянно заполнена физиологическим раствором, чтобы гарантировать, что манжета будет работать в однородной среде с проводимостью, аналогичной проводимости ткани. Ахиллово сухожилие было перерезано на лодыжке и прикреплено к датчику силы нейлоновыми швами. Стопу зажимали и прикрепляли к стереотаксической раме, чтобы предотвратить движение ноги во время стимуляции и изолировать записи от икроножной мышцы.

Стимуляция осуществлялась через систему A-M , модель 4100. Трассы напряжения записывались с помощью цифрового осциллографа (PicoScope® 2204A; Pico Technology; Tyler, TX). Сила сокращения мышц регистрировалась с помощью датчика силы (2 кг нагрузочная ячейка EBB; Transducer Techniques; Temecula, CA), который был подключен к аналоговому каналу на Arduino® Mega 2560. Все компоненты были интегрированы с использованием MATLAB®. Данные были дискретизированы с частотой 10 Гц.

Стимуляция состояла из 0.Пятисекундные последовательности двухфазных импульсов (ширина импульса 100 мкс) с частотой 30 Гц с различными амплитудами тока в диапазоне от 20 до 800 мкА. Интенсивности стимуляции чередовали случайным образом. Значения тока устанавливались вручную в каждом эксперименте, чтобы гарантировать, что диапазон значений включает всю кривую доза-ответ. Стимуляция производилась каждые 15 секунд, и каждый параметр повторялся в трех экземплярах.

Стимуляция блуждающего нерва крысы

Крыс анестезировали с использованием гидрохлорида кетамина (80 мг / кг, внутрибрюшинно) и ксилазина (10 мг / кг, внутрибрюшинно) и при необходимости давали дополнительные дозы.Разрез и тупое рассечение мышц шеи обнажили левый шейный блуждающий нерв в соответствии со стандартными процедурами [37–39]. Нерв помещали в манжетный электрод, а отведения от электрода подключали к программируемому стимулятору. Полость всегда была заполнена физиологическим раствором. Чтобы оценить активацию блуждающего нерва, сатурацию крови кислородом (SpO2) регистрировали с помощью пульсоксиметра (Starr Life Sciences , MouseOx Plus®), как описано ранее [31].Данные считывались в MATLAB® с использованием Starr Link Plus с выходами, подключенными к аналоговым каналам на Arduino®. Данные были отобраны с частотой 10 Гц и отфильтрованы фильтром скользящего среднего с 10 отсчетами.

Стимуляция состояла из 5-секундных последовательностей двухфазных импульсов (длительность импульса 100 мкс) с частотой 30 Гц с различными амплитудами тока в диапазоне от 50 до 2500 мкА. Значения тока чередовались случайным образом. Стимуляция проводилась каждые 60 секунд, но при необходимости откладывалась, чтобы сатурация кислорода вернулась к исходному уровню.Каждый параметр был повторен дважды.

Стимуляция седалищного нерва кролика

Обе задние лапы кролика были выбриты на месте разреза за день до операции. Анестезию вызывали 3% ингаляционным изофлураном со скоростью 3 л / мин. После индукции была сделана однократная внутрибрюшинная инъекция гидрохлорида кетамина (35 мг / кг) и ксилазина (5 мг / кг). Изофлуран поддерживали на протяжении всего эксперимента. Мазь для глаз наносили на оба глаза, чтобы предотвратить высыхание. На протяжении всей процедуры контролировали ректальную температуру и дыхание.Места разрезов очищали 70% этанолом, затем повидон-йодом, а затем снова 70% этанолом. Сделан разрез по оси бедренной кости. Седалищный нерв обнажали тупым рассечением для разделения двуглавой мышцы бедра и четырехглавой мышцы бедра. Ретракторы Alm были размещены для имплантации манжеты. После наложения манжеты на нерв ретракторы были извлечены.

Стимуляция состояла из 0,5-секундных серий двухфазных импульсов (длительность импульса 100 мкс) с частотой 10 Гц с различными амплитудами тока в диапазоне от 20 до 1600 мкА.Стимуляция с использованием периферического электрода-манжеты проводилась с использованием той же системы, что и для седалищного нерва крысы. Стимуляция стекловолоконным электродом осуществлялась непосредственно с печатной платы. Встроенная схема стимуляции имела разрешение 33 мкА, что было слишком большим для точного соответствия сигмовидной функции кривой набора волокна в большинстве случаев. Значения тока чередовались случайным образом. Стимуляция производилась каждые 5 секунд, и каждый параметр повторялся в трех экземплярах.Данные отбирались с частотой 500 Гц с использованием той же системы сбора данных с тензодатчиками, описанной выше.

Анализ и статистические сравнения

Все ответы были нормализованы до максимального ответа, зарегистрированного у каждого испытуемого. Поскольку максимальное значение, зарегистрированное у одного и того же пациента с одним электродом, может быть ниже максимального значения с другим электродом из-за небольшой ожидаемой дисперсии между препаратами, средний набор не достигает 100%. Необработанные ненормализованные ответы включены в дополнительную информацию (S4, S5 и S6, рис.).Кривые «доза-ответ» были подогнаны к сигмовидной функции (рис. 1С). На подобранную кривую были наложены ограничения, так что точка при 1% от Y max не могла находиться при отрицательной силе тока. Для каждой кривой наклон рассчитывался в средней точке подобранной функции. Порог определялся путем нахождения самой низкой амплитуды тока, которая всегда приводила к изменению сигнала силы или SpO2, превышающего 3-кратное стандартное отклонение предшествующей 1 секунды сигнала для активации мышц или 10 секунд сигнала для SpO2.Точка насыщения определялась путем нахождения наименьшего значения тока, которое привело к изменению сигнала, превышающему 90% среднего значения верхних 50% кривой. Динамический диапазон рассчитывался как точка насыщения минус текущее значение на один шаг ниже порога. Все анализы были проверены слепым экспериментатором.

Рис. 1. Анализ набора волокон.

a) Чтобы оценить задействование седалищного нерва, мы измерили силу сокращения мышц задних конечностей в ответ на ряд интенсивностей стимуляции.Заштрихованная область представляет стимуляцию с частотой 30 Гц в течение 0,5 секунды. б) Чтобы измерить задействование блуждающего нерва, мы измерили снижение SpO2. Заштрихованная область представляет стимуляцию 30 Гц в течение 5 секунд. c) Пример кривой набора с подобранной сигмовидной функцией и всеми определенными критериями исхода.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.g001

Данные, представленные в тексте и на рисунках, представляют собой среднее значение ± стандартная ошибка среднего (SEM). Размер образца, показанный на каждом рисунке, равен общему количеству экспериментов, проведенных с каждой конструкцией электродов, а не количеству животных.Пороги, точки насыщения, динамические диапазоны и наклон каждой конструкции электродов сравнивали на ишиасе крысы с использованием однофакторного дисперсионного анализа после подтверждения равной дисперсии с помощью теста Бартлетта. Индивидуальные сравнения проводились с использованием апостериорных тестов Тьюки-Крамера. Для блуждающего нерва крысы и ишиаса кролика дисперсия каждого показателя сравнивалась с двухвыборочным F-критерием, а затем данные сравнивались с использованием двустороннего двухвыборочного t-критерия с равной или неравной дисперсией в зависимости от F- тестовое задание. Статистический тест, используемый для каждого сравнения, указан в тексте.Все расчеты проводились в MATLAB.

Результаты

Односторонний и круговой электроды обеспечивают эквивалентное задействование седалищного нерва крысы

Контакты плоских электродов, которые не окружают нерв целиком, могут потребовать большего тока для активации всего нерва, чем контакты периферических электродов. Мы измерили набор с помощью компьютерного моделирования и экспериментов in vivo на седалищном нерве крысы. Чтобы представить плоские электроды, мы использовали модифицированный круговой электрод, который обеспечивал только 60 ° покрытия по сравнению со стандартными 270 °.Функции набора волокон были созданы с использованием конструкций 60 ° и 270 °, а также промежуточного дизайна 120 °.

Модель.

Мы использовали компьютерное моделирование для оценки набора волокон с использованием различных конструкций электродов с разными значениями угла охвата, расстояния между контактами, выступа манжеты и внутреннего диаметра манжеты. Уменьшение угла охвата мало повлияло на набор (рис. 2D). Наименьший угол (30 °) требовал 105,2 мкА для набора 5% волокон ( i 5% ), тогда как стандартный угол (270 °) требовал 143.4 мкА. Для набора 95% волокон ( i 95% ) наименьший угол требовал 311,7 мкА, а стандартный угол требовал 296,0 мкА.

Рис. 2. Моделирование влияния различных параметров манжетных электродов на рекрутирование седалищного нерва крысы.

Кривые пополнения были построены с разными значениями для нескольких проектных параметров. а) Увеличение внутреннего диаметра манжеты (расстояние между контактами 1 мм, выступ манжеты 1 мм, 270 °) резко снижает рекрутмент. б) Увеличение расстояния между двумя стимулирующими контактами (внутренний диаметр манжеты 1 мм, выступ манжеты 1 мм, 270 °) увеличивает рекрутмент.c) Увеличение выступа манжеты (внутренний диаметр манжеты 1 мм, расстояние между контактами 1 мм, 270 °) увеличивает рекрутмент. г) Уменьшение угла охвата (внутренний диаметр манжеты 1 мм, расстояние между контактами 1 мм, выступ манжеты 1 мм) оказывает минимальное влияние на набор.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.g002

В отличие от угла охвата, три другие переменные сильно повлияли на набор. При стандартной дуге 270 ° увеличение внутреннего диаметра манжеты оказало сильнейшее влияние на набор, значительно увеличив как пороговое значение, так и ток насыщения (рис. 2A; 1 мм: i 5% = 143.4 мкА, i 95% = 296,0 мкА; 1,2 мм: i 5% = 378,6 мкА, i 95% = 807,7 мкА). Увеличение расстояния между контактами привело к снижению как порогового значения, так и тока насыщения (рис. 2B; 0,25 мм: i 5% = 332,3 мкА, i 95% = 697,3 мкА; 5 мм: i 5 % = 41,8 мкА, i 95% = 119,2 мкА). Увеличение величины выступа манжеты привело к снижению как порогового значения, так и тока насыщения (рис. 2C; 0.5 мм: i 5% = 232,3 мкА, i 95% = 490,0 мкА; 4,5 мм: i 5% = 88,4 мкА, i 95% = 202,1 мкА). По сравнению с влиянием трех других переменных угол охвата был наименее важным фактором, предполагая, что он не является критическим фактором в конструкции электродов, и плоские электроды будут достигать насыщения при тех же амплитудах тока, что и окружные электроды. Изменение внутреннего диаметра манжеты, расстояния между контактами и выступа манжеты на электроде 60 ° продемонстрировало, что каждая переменная влияет на электрод с более короткой дугой, как у стандартного электрода (S1, рис.).

Эмпирический.

Чтобы подтвердить прогнозы моделирования, мы оценили рекрутирование нерва в седалищном нерве крысы с помощью электродов 60 °, 120 ° и 270 °. Данные in vivo очень похожи на данные, полученные с помощью модели, с плоскими и круговыми контактами, демонстрирующими сопоставимое рекрутирование волокон. Не было обнаружено значительных различий между порогами набора для любой из конфигураций электродов (рис. 3D; 60 °: 131,7 ± 14,2 мкА, 120 °: 134,4 ± 18,3 мкА, 270 °: 135,0 ± 15,4 мкА; критерий Бартлетта, χ2 (0.05, 2) = 0,110, p = 0,94639, односторонний дисперсионный анализ, F (2, 29) = 0,01, p = 0,986). Кроме того, ANOVA не выявил различий в токе насыщения, динамическом диапазоне или наклоне между конструкциями электродов (насыщение: рис. 3E, 60 °: 205,0 ± 23,6 мкА, 120 °: 195,6 ± 27,2 мкА, 270 °: 176,4 ± 20,0 мкА, Тест Бартлетта, χ2 (0,05, 2) = 0,448, p = 0,799, односторонний дисперсионный анализ, F (2, 29) = 0,41, p = 0,569; динамический диапазон: рис. 3F, 60 °: 93,3 ± 13,6 мкА, 120 ° : 80,0 ± 10,5 мкА, 270 °: 60,0 ± 7,6 мкА, критерий Бартлетта, χ2 (0,05, 2) = 4,310, p = 0.116, однофакторный дисперсионный анализ, F (2, 29) = 2,41, p = 0,0647; Наклон: Fig 3G, 60 °: 2,21 ± 0,31% Сила / мкА, 120 °: 2,63 ± 0,41% Сила / мкА, 270 °: 3,71 ± 0,63% Сила / мкА, критерий Бартлетта, χ2 (0,05, 2) = 3,195, p = 0,202, односторонний дисперсионный анализ, F (2, 29) = 3,03, p = 0,065). Эти результаты подтверждают, что односторонние электроды и периферические электроды обеспечивают эквивалентное задействование нервов в диапазоне интенсивностей стимуляции.

Рис. 3. Приблизительно плоский электрод не снижает набор волокон в седалищный нерв крысы.

а) Принципиальная схема экспериментальной установки. б) Схематическая диаграмма трех конструкций манжетных электродов, испытанных на седалищном нерве крысы. c) Сила, создаваемая как функция интенсивности стимуляции для каждой конструкции электродов. Все геометрические формы приводят к одинаковому набору персонала. Заштрихованные области представляют SEM. г-ж) Пороги, токи насыщения, динамические диапазоны и крутизны одинаковы для каждой конструкции электродов. Данные указывают среднее значение ± SEM, а кружки представляют индивидуальные данные.

https: // doi.org / 10.1371 / journal.pone.0215191.g003

Односторонние электроды задействуют более эффективно, чем окружные электроды в блуждающем нерве крысы

Затем мы проверили набор с использованием тех же манжетных электродов 60 ° и 270 ° на блуждающем нерве крысы, который имеет меньший диаметр и другую фасцикулярную организацию.

Модель.

Моделирование блуждающего нерва крысы показало неожиданный результат: уменьшение угла наклона электродов улучшило набор за счет уменьшения как порогового значения, так и тока насыщения (рис. 4A; 30 °: i 5% = 101.6 мкА, i 95% = 224,3 мкА; 270 °: i 5% = 262,0 мкА, i 95% = 532,4 мкА). Чтобы объяснить этот результат, было проведено три дополнительных теста. В исходной модели блуждающий нерв располагался в нижней части просвета манжеты очень близко к контактам, что соответствовало экспериментальной подготовке. Первые два контрольных теста изменили положение нерва, чтобы он находился либо в середине манжеты, либо на стороне, противоположной контактам. Когда нерв находился посередине манжеты, изменение угла охвата не влияло на рекрутмент (рис. 4B; 30 °: i 5% = 315.9 мкА, i 95% = 679,4 мкА; 270 °: i 5% = 324,3 мкА, i 95% = 674,0 мкА). Когда нерв находился на противоположной стороне манжеты, уменьшение угла охвата увеличивало как порог, так и ток насыщения (рис. 4C; 30 °: i 5% = 467,4 мкА, i 95% = 1013,9 мкА; 270 °: i 5% = 357,9 мкА, i 95% = 735,5 мкА). Последний контрольный тест варьировал угол охвата внутри манжеты, размер которой соответствовал блуждающему нерву крысы (0.Внутренний диаметр 44 мм). В этом случае изменение угла охвата снова оказало минимальное влияние на набор (Рис. 4D; 30 °: i 5% = 20,5 мкА, i 95% = 42,0 мкА; 270 °: i 5% = 24,2 мкА, i 95% = 47,2 мкА). Эти данные предполагают, что в манжете, которая значительно больше, чем нерв, блуждающий нерв выигрывает от увеличенной плотности тока вблизи присутствующих контактов с более короткими углами охвата, не будучи затронутым уменьшенной плотностью тока вдали от контактов.

Рис. 4. Уменьшение угла охвата увеличивает набор волокон в модели блуждающего нерва крысы.

a) Кривые набора, полученные с использованием манжеты с внутренним диаметром 1 мм, но с нервом, расположенным рядом с контактами. Уменьшение угла увеличивает набор. б) Кривые набора, полученные с использованием манжеты с внутренним диаметром 1 мм, но с расположением нерва в середине просвета манжеты. Уменьшение угла не дает никакого эффекта. c) Кривые набора, полученные с использованием манжеты с внутренним диаметром 1 мм, но с нервом на противоположной стороне просвета манжеты от контактов.Уменьшение угла уменьшает набор. г) Кривые набора, полученные путем моделирования электродов манжеты с различными углами завершения вокруг блуждающего нерва крысы. Вместо внутреннего диаметра 1 мм диаметр манжеты был установлен на 0,44 мм, чтобы соотношение диаметра манжеты и нерва оставалось таким же, как в модели седалищного нерва. Когда размер манжеты соответствует нерву, уменьшение угла мало влияет на набор волокон.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.g004

Эмпирический.

Затем мы попытались подтвердить эти результаты in vivo . Чтобы оценить активацию волокон блуждающего нерва, мы измерили быстрое зависимое от стимуляции снижение насыщения кислородом, хорошо описанный биомаркер стимуляции блуждающего нерва, приписываемый активации рефлекса Геринга-Брейера [31]. Стимуляция блуждающих А-волокон, включая рецепторы растяжения легких, временно предотвращает вдыхание и вызывает снижение насыщения крови кислородом (рис. 5А) [30]. В результате измерение насыщения кислородом обеспечивает простой способ оценки рекрутирования А-волокон блуждающего нерва.

Рис. 5. Уменьшение угла охвата для приближения к плоскому электроду увеличивает набор волокон в блуждающий нерв крысы.

а) Принципиальная схема экспериментальной установки. б) Принципиальная схема двух конструкций манжетных электродов, испытанных на блуждающем нерве крысы. c) Снижение SpO2, биомаркера активации блуждающего нерва, в зависимости от интенсивности стимуляции для каждой конструкции электродов (ось Y — процент максимального снижения). Как и в случае с результатами моделирования, уменьшенный угол охвата приводит к более эффективному привлечению нервов.г-ж) Пороги одинаковы для каждого дизайна. Электроды под углом 60 ° отображали уменьшенный ток насыщения, динамический диапазон и увеличенный наклон по сравнению с электродами 270 °. Данные указывают среднее значение ± SEM, а кружки представляют индивидуальные данные.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.g005

Электроды 60 ° задействовали волокна более эффективно, чем электроды 270 °, подтверждая выводы модели. Тенденция к снижению порога наблюдалась с электродом 60 °, хотя это не смогло достичь статистической значимости (рис. 5D; 60 °: 238.9 ± 26,1 мкА, 270 °: 344,4 ± 41,2 мкА; двусторонний парный t-критерий, p = 0,0508). Электрод 60 ° показал значительно уменьшенный ток насыщения, динамический диапазон и увеличенный наклон по сравнению с электродом 270 ° (Насыщение: Рис. 5E, 60 °: 700 ± 102,7 мкА, 270 °: 1222 ± 139,2 мкА, двухсторонняя пара t- тест, p = 8,5×10 -3 ; динамический диапазон: рис. 5F, 60 °: 538,9 ± 93,5 мкА, 270 °: 1000 ± 135,4 мкА, двусторонний парный t-критерий, p = 0,014; наклон: рис. 5G, 60 °: 0,320 ± 0,047, 270 °: 0,164 ± 0,026, двусторонний парный t-критерий, p = 0.0165). Как модель, так и эмпирические данные демонстрируют, что односторонние электроды имеют более крутую кривую набора и более низкий ток насыщения, чем окружные электроды.

Плоский и круговой электроды эквивалентно задействованы в седалищном нерве кролика

Представленные выше результаты подтверждают мнение о том, что плоские электроды обеспечивают, по крайней мере, такое же эффективное привлечение волокон, как и кольцевые электроды. Однако, в то время как электроды под углом 60 °, использованные в вышеупомянутых экспериментах, контактируют только с одной стороной нерва, подобной плоскому электроду, они не являются действительно плоскими и, таким образом, не охватывают все особенности геометрии, которые могут влиять на набор волокон.Поэтому мы стремились подтвердить эти результаты, используя настоящий плоский электрод. Электрод был изготовлен на печатной плате (PCB), залит стеклом и вставлен в силиконовый рукав, который действовал как изолирующая манжета. Эти электроды были протестированы на седалищном нерве кролика, который на порядок больше седалищного нерва крысы [15,17].

Модель.

Мы выполнили моделирование для оценки набора с использованием плоских и круговых контактов. Площадь поперечного сечения нерва и просвета манжеты была согласована между моделями с окружным и плоским электродом путем увеличения внутреннего диаметра плоской манжеты на 8.67% и изменение формы нерва для соответствия (рис. 6) [22]. Плоский и круговой конструкции имели одинаковые пороги и токи насыщения (Рис.6; Плоский: i 5% = 76,1 мкА, i 95% = 278,6 мкА; Окружной: i 5% = 81,4 мкА , i 95% = 253,1 мкА). Затем сравнивали плоские и кольцевые электроды в различных окружающих средах с проводимостью от жира до физиологического раствора. Уменьшение проводимости окружающей среды увеличивало набор, но сопоставимый набор, наблюдаемый с плоскими и кольцевыми контактами, был постоянным во всех случаях (рис. 7A).Плоские и кольцевые электроды сравнивали на нервах различного размера путем увеличения или уменьшения пространственного масштаба исходной модели седалищного нерва кролика. Нервы большего размера требовали большего тока для достижения аналогичных уровней набора волокон, но, опять же, плоские и круговые электроды были одинаковыми во всех случаях (рис. 7B).

Рис. 6. Плоский и круговой электроды обеспечивают аналогичное рекрутирование в модели седалищного нерва кролика.

Кривые набора, полученные путем моделирования электродов манжеты вокруг седалищного нерва кролика с плоскими или круговыми контактами.Обратите внимание на сходство набора волокон.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.g006

Рис. 7. Модели плоских и кольцевых электродов в различных внеклеточных средах и на нервах различного размера.

a) Кривые набора, полученные путем моделирования плоских и кольцевых электродов в различных окружающих средах. Электропроводность окружающей среды варьировалась от физиологического раствора до жира. Как и ожидалось, внеклеточная среда влияет на эффективность рекрутирования, но рекрутирование одинаково для двух конструкций электродов во всех случаях.б) Кривые набора, полученные путем моделирования плоских и кольцевых электродов на нервах различного диаметра. Все характеристики манжетного электрода были пропорциональны и масштабированы для соответствия нерву. Во всех случаях набор персонала в этих двух проектах схож.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.g007

Для сравнения с обычно используемыми клиническими электродами VNS мы смоделировали спиральную электродную конструкцию вокруг нерва. Набор был аналогичен конструкции плоского электрода (S2 Рис).У людей блуждающий нерв состоит из нескольких пучков [40]. Чтобы отразить это, мы смоделировали плоский и круговой электроды на нерве, содержащем пять пучков. Рекрутирование нерва в целом было одинаковым для двух дизайнов, несмотря на то, что каждый пучок рекрутировался по-разному. Разница в порогах активации каждого пучка была больше при плоской конструкции (рис. 8). Эти данные позволяют предположить, что плоские электроды задействуют нерв в целом так же, как используемые в настоящее время конструкции электродов, хотя набор отдельных пучков может отличаться.

Рис. 8. Плоские электроды приводят к большей вариабельности порога для отдельных пучков, но схожему рекрутированию всего нерва.

a) Кривые полного набора нервов для четырех смоделированных комбинаций. b-e) Кривые набора для каждого пучка (цвет линии соответствует пучку того же цвета) и набора всего нерва (толстая черная линия).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.g008

Эмпирический.

Чтобы подтвердить прогнозы моделирования, мы оценили набор нерва в седалищный нерв кролика, измерив силу сокращения мышц.Не было обнаружено никакой разницы между порогами, токами насыщения или динамическими диапазонами (Порог: Рис. 9D, Окружной: 390,0 ± 14,8 мкА, Плоский: 351 ± 41,5 мкА, F-тест для двух выборок, F (5, 4) = 9,397, p = 0,0497, двусторонний двухвыборочный t-критерий с неравной дисперсией: p = 0,4167; насыщенность: рис. 9E, по окружности: 514,0 ± 10,8 мкА, плоский: 430,0 ± 46,0 мкА, F-критерий для двух выборок, F (5, 4) = 21,931, p = 0,011, двусторонний двухвыборочный t-критерий с неравной дисперсией: p = 0,1301; динамический диапазон: рис. 9F, по окружности: 148.0 ± 21,5 мкА, плоский: 111,7 ± 18,3 мкА, двухвыборочный F-тест, F (5, 4) = 0,8693, p = 0,860, двусторонний двухвыборочный t-тест с равной дисперсией: p = 0,228). Более высокий разброс пороговых значений и токов насыщения при использовании плоского электрода можно объяснить ориентацией нерва относительно контактов. Связки на противоположной стороне нерва от контактов будут иметь более высокий порог активации, чем пучки возле контактов, как это было видно на модели много пучкового нерва (Рис. 8).Однако рекрутирование нерва в целом не различается между двумя конструкциями, что позволяет предположить, что плоские электроды не будут влиять на клиническую эффективность VNS.

Рис. 9. Плоский и круговой электроды обеспечивают одинаковое задействование седалищного нерва кролика.

а) Принципиальная схема экспериментальной установки. б) Схематическая диаграмма двух конструкций манжетных электродов, испытанных на седалищном нерве кролика. c) Сила, создаваемая как функция интенсивности стимуляции для плоских и кольцевых электродов.Оба дизайна обеспечивают эффективное задействование седалищного нерва, что согласуется с прогнозами моделирования. г-е) Пороги, ток насыщения и динамический диапазон одинаковы для каждой конструкции электрода. Данные указывают среднее значение ± SEM, а кружки представляют индивидуальные данные.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.g009

Обсуждение

Окружные и спиральные электроды, которые окружают большую часть нерва, обеспечивают равномерную стимуляцию по всему нерву и дают крутую кривую включения.Контакты плоских электродов могут облегчить изготовление, но будут производить неоднородную стимуляцию, которая может снизить активацию отдаленных низкопороговых волокон и увеличить активацию проксимальных высокопороговых волокон. В этом исследовании мы проверили, влияет ли неоднородность поля, создаваемого плоскими электродами, на рекрутмент. Контакты кольцевых электродов сравнивали с контактами плоских электродов на нескольких нервах и у нескольких видов. Мы обнаружили, что во всех протестированных случаях набор либо эквивалентен, либо плоские контакты имеют более крутую функцию набора и более низкий ток насыщения.

На седалищном нерве крысы как моделирование, так и эмпирические данные демонстрируют, что уменьшенный угол охвата, близкий к плоскому электроду, обеспечивает сопоставимое привлечение волокон к окружным контактам в широком диапазоне значений силы тока. Эти результаты предполагают, что плоские электроды будут набирать сравнимо с круговыми электродами.

Вполне вероятно, что диаметр нерва и фасцикулярная организация могут по-разному влиять на рекрутмент при различных конструкциях электродов.Неожиданно оказалось, что односторонние контакты электродов обеспечили более эффективное задействование волокон блуждающего нерва крысы, чем периферические контакты. Вновь не было разницы в порогах, но контакты под углом 60 ° имели более крутую кривую рекрутирования и более низкий ток насыщения, что указывает на более эффективное рекрутирование волокна. Данные моделирования подтвердили эти результаты, которые можно объяснить относительно небольшим размером блуждающего нерва по сравнению с внутренним диаметром изолирующей манжеты. Диаметр блуждающего нерва около 0.4 мм, что составляет менее половины площади седалищного нерва, и, таким образом, нерв занимает значительно меньшую площадь поперечного сечения внутри манжеты. Манжеты всегда размещались таким образом, чтобы блуждающий диск располагался внизу манжеты и в середине контактов. Кроме того, плотность тока инжекции была выше с электродами 60 °, учитывая их меньшую площадь поверхности по сравнению с электродами 270 ° [41]. Из-за небольшого размера нерва по сравнению с манжетой, его положением и повышенной плотностью тока около контактов, представленных с конструкцией 60 °, плотность тока внутри нерва была выше с меньшим углом контакта.Результаты модели показывают, что это верно только тогда, когда нерв находится в нижней части манжеты, а манжета значительно больше, чем нерв. Если нерв был перемещен на противоположную сторону манжеты, далеко от контактов, наблюдалась противоположная взаимосвязь (рис. 4C), и если размер манжеты соответствовал блуждающему нерву, контакты под углом 60 ° не выглядели значительно отличными от контакты 270 ° (рис. 4D). Тем не менее, моделирование и эмпирические данные подтверждают мнение о том, что плоские электроды обеспечивают, по крайней мере, эквивалентное количество волокон.

В то время как контакты электрода под углом 60 °, использованные в экспериментах на крысах, контактируют только с одной стороной нерва, как и плоские контакты, все же возможно, что настоящий плоский электрод даст значительно менее эффективное рекрутирование волокон. Таким образом, мы проверили активацию нерва в седалищном нерве кролика, используя настоящий плоский электрод, изготовленный на печатной плате, и сравнили набор со стандартным кольцевым электродом. Подобно экспериментам на крысах, моделирование и эмпирическое тестирование не выявили существенной разницы в рекрутировании волокон между плоскими и кольцевыми контактами электродов.Эти результаты предоставляют дополнительные доказательства в независимой реплике, что плоские контакты стимулируют так же эффективно, как и периферические контакты. Кроме того, в этих экспериментах использовались простые печатные платы, что демонстрирует удобство использования плоских контактов.

Поскольку все эмпирические испытания в этом исследовании использовали круговые, а не спиральные электроды, которые чаще используются в клинике, изначально не ясно, будут ли параметры стимуляции для плоских электродов отличаться от текущих клинических параметров [42].Мы смоделировали конструкцию спирального электрода и сравнили рекрутирование блуждающего нерва с рекрутированием с использованием конструкции плоского электрода. Спиральный электрод и плоский электрод продемонстрировали сопоставимый набор. Узкая изолирующая структура, используемая в спиральной манжете, позволяет некоторому току обходить нерв, что увеличивает количество необходимой стимуляции по сравнению с полным электродом манжеты (S2, рис.). Открытая архитектура спиральной манжеты эквивалентна очень небольшому выступу манжеты, что снижает рекрутмент по сравнению с полной манжетой (рис. 2C).

Многие исследования нервной стимуляции продемонстрировали возможность использования частичных контактов, подобных тестируемым здесь плоским электродам, для достижения избирательной стимуляции [9,11,12,43]. Повышенная плотность тока около электрода позволяет активировать отдельные пучки без активации остальной части нерва, если стимуляция правильно откалибрована. Этот принцип демонстрируется более высоким разбросом пороговых значений для плоских электродов (рис. 8 и 9). Однако активация нерва в целом, по-видимому, не различается между двумя конструкциями.Таким образом, эффективность лечения ВНС вряд ли снизится при использовании плоских электродов.

Все моделирование и экспериментов in vivo, в этом исследовании измеряли рекрутирование A-волокон, но некоторые приложения VNS также полагаются на B- и C-волокна [44]. Хотя настоящие данные не обеспечивают явного исследования набора этих других типов волокон с плоскими и кольцевыми электродами, модели волокон меньшего диаметра предполагают, что увеличение порога волокна будет пропорционально масштабироваться между двумя конструкциями электродов.Таким образом, хотя для активации волокон меньшего диаметра требуется больший ток, мы прогнозируем, что увеличение тока, вероятно, будет аналогичным по сравнению с плоской и кольцевой конструкциями. Кроме того, в наших экспериментах не было различий между моторными и сенсорными волокнами. Хотя не было замечено различий в стимуляции двигательных волокон седалищного нерва крысы и кролика, стимуляция сенсорных волокон блуждающего нерва крысы была различной для электродов двух конструкций. Однако мы считаем, что это полностью связано с геометрией и расположением электродов, а не с присущими им различиями в типах волокон.Вероятно, что с манжетными электродами подходящего размера нет разницы между плоскими и круговыми электродами с точки зрения активации сенсорных волокон. Необходима дальнейшая работа, подтверждающая это открытие in vivo , чтобы сравнить моторные и сенсорные волокна и определить, подходят ли плоские электроды для приложений VNS, которые основаны на B- и C-волокнах.

Основным ограничением этого исследования является отсутствие эмпирических испытаний с хронически имплантированными электродами. Многие изменения происходят хронически, что может привести к снижению эффективности плоских электродов, таких как образование глиальных рубцов, воспаление и повреждение нервов [45].Возможно, что некоторые из этих явлений повлияют на плоские электроды иначе, чем на кольцевые электроды, что приведет к их выходу из строя. Хотя хронические имплантаты экспериментально не тестировались в этом исследовании, наши исследования моделирования показывают, что плоские и круговые электроды обеспечивают сопоставимое включение в ряд физиологически приемлемых внеклеточных сред, что предполагает, что образование рубцов не повлияет на плоские электроды в большей степени, чем на периферические. электроды.Необходимы дальнейшие исследования, чтобы обеспечить прямую эмпирическую оценку эффективности плоских электродов в хроническом периоде.

Кроме того, отсутствуют данные о нервах большего диаметра (> 3 мм), которые были бы более сопоставимы с человеческим блуждающим нервом. Хотя стимуляция нервов малого диаметра, представленная здесь, не обязательно напрямую влияет на блуждающий нерв человека, принципы, продемонстрированные в этом исследовании, вряд ли будут различаться между двумя видами. Наши исследования в области моделирования показывают, что плоские и круговые электроды эквивалентны по размеру нервов.Более того, сравнение рекрутирования седалищного нерва крысы и седалищного нерва кролика предполагает, что более крупные нервы требуют большего тока для достижения того же уровня активации, но в обоих случаях рекрутирование сравнимо для плоских и кольцевых электродов.

Наше открытие, что более крупные нервы требуют большего тока для достижения аналогичных уровней активации, ранее не было продемонстрировано. Существует большое количество литературы, показывающей, что эквивалентные параметры стимуляции могут успешно активировать блуждающие нервы крысы и человека.Эти данные особенно убедительны для эффектов VNS на память, где и крысы, и люди демонстрируют улучшенную память в виде перевернутой U-функции силы тока с одним и тем же пиком [46–49]. Наши усилия по моделированию предлагают простое объяснение этого удивительного открытия, которое, по-видимому, заключается в использовании плотно прилегающих стимулирующих электродов для исследований на людях и плохо подогнанных, слишком больших электродов-манжет для исследований на крысах. При моделировании этих конфигураций мы подтвердили, что идентичные параметры VNS могут эквивалентно активировать нервы самого разного диаметра в этих условиях (рис. 10).Это новый результат, который может существенно повлиять как на доклинические, так и на клинические параметры стимуляции. Для подтверждения этого вывода необходимо провести дополнительные исследования, сравнивающие нервы малого диаметра у животных и нервов большого диаметра у людей.

Рис. 10. Рекрутирование блуждающего нерва у людей и крыс сходно из-за конструкции электрода манжеты.

Более крупные нервы требуют большего тока для набора, но терапевтический диапазон стимуляции блуждающего нерва одинаков у крыс и людей (рис. 7B).Это явление можно объяснить использованием плотно прилегающих стимулирующих электродов для исследований на людях и плохо подогнанных больших размеров манжетных электродов для исследований на крысах. Электроды-манжеты, используемые у крыс, значительно больше, чем нерв, что приводит к неэффективному задействованию и выравнивает две кривые. Если бы электроды манжеты крысы были уменьшены в размере, набор был бы значительно увеличен. Это согласуется с важностью отношения внутреннего диаметра манжеты к диаметру нерва (рис. 2А).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.g010

В то время как настоящее исследование сосредоточено на оценке плоских электродов внутри изолирующей манжеты для VNS, во многих других приложениях стимуляции нервов используются различные методы стимуляции, подходящие для активации целевой нерв. Некоторые примеры включают проволочные устройства, вводимые чрескожно и проникающие внутрипочечными электродами [50,51]. Чрескожно имплантированные электроды обеспечивают стимуляцию с одной стороны нерва и эффективно используются для множества применений, включая стимуляцию затылочного нерва при мигрени и стимуляцию периферических нервов при хронической боли [52,53].В некоторых из этих конструкций используются лопаточные электроды, которые сопоставимы с плоскими электродами, использованными в этом исследовании, но без изолирующей манжеты. Их продемонстрированная эффективность поддерживает жизнеспособность плоских электродов, используемых в имплантированной манжете. Однако электроды, имплантированные чрескожно, подвержены миграции, особенно в очень подвижных областях тела, таких как шея. Для предотвращения миграции могут потребоваться имплантированные электроды-манжеты. Внутрипасцикулярные электроды способны к высокоселективной стимуляции, которая может быть полезна для будущих применений VNS, поскольку позволяет избежать нежелательных побочных эффектов и стимулировать только желаемые пучки [51].Будущие исследования, сравнивающие каждый из этих методов, могут открыть новые возможности для стимуляции блуждающего нерва.

Важным моментом при использовании имплантатов для нейростимуляции является максимальная интенсивность, которая может быть безопасно доставлена. Для макроэлектродов, таких как те, что в этом исследовании, это значение обычно определяется с помощью уравнения Шеннона со значением k от 1,5 до 2,0 [54]. Это уравнение сравнивает заряд на фазу с плотностью заряда на фазу и может использоваться для приближения максимального безопасного уровня стимуляции, который может доставить электрод с известной площадью поверхности до того, как вызовет повреждение ткани.Учитывая, что плоские электроды имеют меньшую площадь поверхности по сравнению с круговыми и спиральными конструкциями, плотность заряда на фазу будет выше, а максимальный безопасный уровень стимуляции будет ниже. Для плоских электродов, используемых в этом исследовании, которые имеют ширину 2 мм, площадь поверхности примерно в 10 раз меньше, чем у спирального электрода такой же толщины в осевом направлении (при условии покрытия 270 ° на блуждающем нерве человека диаметром 4,65 мм). ) [55]. Однако консервативная оценка с использованием уравнения Шеннона предсказывает максимальный безопасный уровень стимуляции более 0.4 мкКл / фаза или более 4 мА при ширине фазы 100 мкс, что превышает значение, используемое в большинстве клинических приложений. Более того, данные по оценке повреждения периферических нервов, зависящего от стимуляции, позволяют предположить, что другие параметры стимуляции, включая более низкие частоты импульсов, могут существенно расширить безопасный диапазон интенсивности стимуляции [56].

Эти результаты служат основой для разработки новых конструкций электродов для стимуляции блуждающего нерва. Разница в наборе волокон между плоскими и кольцевыми контактами вряд ли существенно повлияет на эффективность методов VNS, а плоские контакты могут обеспечить преимущества при изготовлении, которые значительно снизят стоимость имплантации, поскольку они могут быть разработаны с использованием более простых методов, таких как печатная схема. доски.Будущие исследования, посвященные изучению влияния размера и геометрии электродов, могут дать дальнейшее понимание конструктивных особенностей для оптимизации набора для лечения ВНС.

Вспомогательная информация

S1 Рис. Влияние внутреннего диаметра манжеты, разъединения контактов и выступа манжеты на электрод 60 °.

Влияние каждой переменной похоже на эффект, наблюдаемый со стандартным электродом 270 °. a) Увеличение внутреннего диаметра манжеты (расстояние между контактами 1 мм, выступ манжеты 1 мм, 60 °) резко снижает рекрутмент.б) Увеличение расстояния между двумя стимулирующими контактами (внутренний диаметр манжеты 1 мм, выступ манжеты 1 мм, 60 °) увеличивает рекрутмент. c) Увеличение выступа манжеты (внутренний диаметр манжеты 1 мм, расстояние между контактами 1 мм, 60 °) увеличивает рекрутмент.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.s003

(TIF)

S2 Рис. Набор плоских электродов сравним со спиральными электродами, используемыми при эпилепсии.

Из-за небольшого количества изоляции, покрывающей спиральные электроды, использование полной манжеты может улучшить набор.Однако набор с использованием плоских электродов аналогичен набору с помощью обычно используемых спиральных электродов.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.s004

(TIF)

S3 Рис. Моделирование кривых «прочность-продолжительность» для волокон различного диаметра.

Волокна различного диаметра помещали в центр седалищного пучка крысы со стандартной окружной манжетой вокруг него (внутренний диаметр манжеты 1 мм, расстояние между контактами 1 мм, манжета 1 мм сверху, 270 °). Пороги измерялись для каждого волокна при различной длительности импульса.Данные были подогнаны с помощью экспоненциальных функций. а) Порог как функция диаметра волокна для различной длительности импульса. б) Порог как функция длительности импульса для волокон различного диаметра.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215191.s005

(TIF)

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить Стюарта Когана, Джозефа Панкрацио, Джонатана Райли, Никки Симмонс и Брэндона Тран за помощь в моделировании волокон в NEURON, настройке оборудования, физиологических записях, содержательных обсуждениях, создании фигур и подготовке рукописей.

Ссылки

  1. 1.
    Handforth A, DeGiorgio CM, Schachter SC, Uthman BM, Naritoku DK, Tecoma ES и др. Терапия стимуляцией блуждающего нерва при приступах с частичным началом. Рандомизированное исследование с активным контролем. Неврология [Интернет]. 1998. 51 (1): 48–55. Доступно по адресу: http://n.neurology.org/content/51/1/48 pmid: 9674777
  2. 2.
    Kimberley TJ, Pierce D, Prudente CN, Francisco GE, Yozbatiran N, Smith P, et al. Стимуляция блуждающего нерва в сочетании с реабилитацией верхних конечностей после хронического инсульта.Гладить. 2018; 49: 1–4.
  3. 3.
    Де Риддер Д., Ваннест С., инженер Н. Д., Килгард М. П.. Безопасность и эффективность стимуляции блуждающего нерва в сочетании с тонами для лечения шума в ушах: серия случаев. Neuromodulation Technol Neural Interface. 2014; 17 (2): 170–9.
  4. 4.
    Тассорелли С., Грацци Л., де Томмазо М., Пиеранджели Дж., Мартеллетти П., Райнеро И. и др. Неинвазивная стимуляция блуждающего нерва как неотложная терапия мигрени. Неврология [Интернет]. 2018; 91 (4): 364–73. Доступно по адресу: http: // www.Neurology.org/lookup/doi/10.1212/WNL.0000000000005857
  5. 5.
    Купман Ф.А., Чаван С.С., Милько С., Грацио С., Соколович С., Шурман П.Р. Стимуляция блуждающего нерва подавляет выработку цитокинов и снижает тяжесть ревматоидного артрита. PNAS. 2016; 113 (29).
  6. 6.
    Бирмингем К., Градинару В., Аникеева П., Гриль В.М., Пиков В., Маклафлин Б. и др. Биоэлектронные лекарственные средства: дорожная карта исследований. Nat Rev Drug Discov [Интернет]. 2014; 13. Доступно по адресу: http: // dx.doi.org/10.1038/
  7. 7.
    Юань Х., Зильберштейн С.Д. Стимуляция блуждающего и блуждающего нерва, всесторонний обзор: Часть III. Головная боль. 2015; 56: 479–90. pmid: 26364805
  8. 8.
    Хамди Х., Спатола Г., Лагард С., Макгонигал А., Пас-Паредес А., Бизо А. и др. Использование губчатых кубиков из поливинилового спирта для стимуляции блуждающего нерва: совет по обертыванию. Oper Neurosurg. 2019; 0 (0): 1–9.
  9. 9.
    Тан Д., Шифер М., Кейт М.В., Андерсон Р., Тайлер Диджей. Стабильность и селективность хронического многоконтактного манжетного электрода для сенсорной стимуляции человека с ампутированной конечностью.J Neural Eng. 2015; 12: 859–62.
  10. 10.
    Boretius T, Badia J, Pascual-Font A, Schuettler M, Navarro X, Yoshida K и др. Поперечный внутрипучковой многоканальный электрод (TIME) для взаимодействия с периферическим нервом. Биосенс ​​Биоэлектрон [Интернет]. 2010. 26 (1): 62–9. Доступен по телефону: pmid: 20627510
  11. 11.
    Бадиа Дж., Боретиус Т., Андреу Д., Азеведо-Косте С., Штиглиц Т., Наварро Х. Сравнительный анализ поперечных внутрипучковых многоканальных, продольных внутрипучковых и многополюсных манжетных электродов для избирательной стимуляции нервных пучков.J Neural Eng. 2011; 8 (3).
  12. 12.
    Аристович К., Донега М., Фьордбакк С., Таротин I, Кристофер А., Чепмен Р. и др. Полная оптимизация и валидация in-vivo пространственно-селективной мультиэлектодной матрицы для нейромодуляции блуждающего нерва. arXiv. 2018; 1903.12459.
  13. 13.
    Mourdoukoutas AP, Truong DQ, Adair DK, Simon BJ, Bikson M. Многоуровневая вычислительная модель с высоким разрешением для неинвазивной стимуляции шейного блуждающего нерва. Neuromodulation Technol Neural Interface [Интернет].2018; 21 (3). Доступно по адресу: http://doi.wiley.com/10.1111/ner.12706
  14. 14.
    Helmers SL, Begnaud J, Cowley A, Corwin HM, Edwards JC, Holder DL, et al. Применение вычислительной модели стимуляции блуждающего нерва. Acta Neurol Scand. 2012. 126 (5): 336–43. pmid: 22360378
  15. 15.
    Шэнь Дж., Ван Х.-Кью, Чжоу С.П., Лян Б.Л. МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ МИКРОНЕЙРОГРАФИЯ СЕДОМЛЕННОГО НЕРВА КРОЛИКА НА КЛИНИЧЕСКОЙ МРТ-СИСТЕМЕ 1,5 ТЛ В СООТВЕТСТВИИ С ОБЩЕЙ АНАТОМИЕЙ. Микрохирургия. 2010. 28 (1): 32–6.
  16. 16.
    Вудбери JW, Вудбери DM. Стимуляция блуждающего нерва снижает тяжесть максимальных приступов электрошока у интактных крыс: использование электрода-манжеты для стимуляции и записи. Стимуляция Clin Electrophysiol. 1991. 14 (1): 94–107. pmid: 1705342
  17. 17.
    Вареджао ASP, Кабрита AM, Мик М.Ф., Булас-Круз Дж., Мело-Пинто П., Раймондо С. и др. Функциональная и морфологическая оценка стандартизированного повреждения седалищного нерва крысы с помощью зажима без зубцов. J Neurotrauma [Интернет].2004. 21 (11): 1652–70. Доступен по телефону: pmid: 15684656
  18. 18.
    Гринберг Y, Шифер MA, Тайлер DJ, Густавсон KJ. Толщина, размер и положение фасцикулярного периневрия влияют на предсказания модели нервного возбуждения. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2008. 16 (6): 572–81. pmid: 189
  19. 19.
    Yoo PB, Lubock NB, Hincapie JG, Rubble SB, Hamann JJ, Grill WM. Измерение с высоким разрешением электрически вызванной активности блуждающего нерва у анестезированной собаки. J Neural Eng.2013; 10 (2).
  20. 20.
    Somann JP, Albors GO, Neihouser K. V., Lu KH, Liu Z, Ward MP и др. Хроническое запирание шейного блуждающего нерва подавляет целостность эфферентных волокон на модели крысы. J Neural Eng. 2018; 15 (3).
  21. 21.
    Islam MS, Oliveira MC, Wang Y, Henry FP, Randolph MA, Park BH, et al. Извлечение структурных особенностей седалищного нерва крысы с помощью поляризационно-чувствительной спектральной оптической когерентной томографии. J Biomed Opt [Интернет]. 2012; 17 (5): 056012. Доступно по адресу: http: // biomedicaloptics.spiedigitallibrary.org/article.aspx?doi=10.1117/1.JBO.17.5.056012 pmid: 22612135
  22. 22.
    Тайлер DJ, Дюран DM. Функционально-избирательная стимуляция периферических нервов с помощью плоского интерфейсного нервного электрода. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2002. 10 (4): 294–303. pmid: 12611367
  23. 23.
    Велтинк PH, Ван Вин Б.К., Струйк Дж. Дж., Холшеймер Дж., Бум HBK. Моделирование стимуляции нервных пучков. IEEE Trans Biomed Eng. 1989. 36 (7): 683–92. pmid: 2744792
  24. 24.Гудолл Е. В., Костерман Л. М., Хольшеймер Дж., Струйк Дж. Дж. Моделирование задержек активации и распространения при стимуляции периферических нервных волокон трехполюсным манжетным электродом. IEEE Trans Rehabil Eng. 1995. 3 (3): 272–82.
  25. 25.
    Фрисвейк Т.А., Смит JPA, Руттен WLC, Бум HBK. Сила-ток отношения в интраневральной стимуляции: роль кластеризации экстраневральной среды и моторных волокон. Med Biol Eng Comput. 1998. 36 (4): 422–9. pmid: 10198524
  26. 26.
    Арле Дж. Э., Карлсон К. В., Мэй Л.Исследование механизмов стимуляции блуждающего нерва при припадке с использованием конечно-элементного моделирования. Epilepsy Res [Интернет]. 2016; 126: 109–18. Доступен по телефону: pmid: 27484491
  27. 27.
    Макинтайр CC, Richardson AG, Grill WM. Моделирование возбудимости нервных волокон млекопитающих: влияние постпотенциалов на цикл восстановления. J Neurophysiol [Интернет]. 2002. 87 (2): 995–1006. Доступен по телефону: pmid: 11826063
  28. 28.
    Икеда М., Ока Ю. Взаимосвязь между скоростью нервной проводимости и морфологией волокон во время регенерации периферических нервов.Brain Behav. 2012; 2 (4): 382–90. pmid: 22950042
  29. 29.
    Germana G, Muglia U, Santoro M, Abbate F, Laura R, Gugliotta MA и др. Морфометрический анализ седалищного нерва и его основных ветвей кролика. Biol Struct Morphog [Интернет]. 1992. 4 (1): 11–5. Доступно по адресу: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&dopt=Citation&list_uids=1420593 pmid: 1420593
  30. 30.
    Чанг Р., Строчлик Д., Уильямс Э., Уманс Б., Либерлес С. Подтипы сенсорных нейронов блуждающего нерва, которые по-разному контролируют дыхание.Клетка. 2015; 161 (3): 622–33. pmid: 258

  31. 31.
    Макаллен Р.М., Шафтон А.Д., Браттон Б.О., Тревакс Д., Фернесс Дж. Б. Калибровка пороговых значений функционального взаимодействия групп волокон A, B и C блуждающего нерва in vivo. Bioelectron Med. 2018; 1 (1): 21–7.
  32. 32.
    Гассер Х.С., Grundfest H. ДИАМЕТРЫ АКСОНА В ОТНОШЕНИИ РАЗМЕРОВ ШИПОВ И СКОРОСТИ ПРОВОДИМОСТИ В A-ВОЛОКНАХ млекопитающих. Am J Physiol. 1939; 127 (2): 393–414.
  33. 33.
    Hursh JB. Скорость проводимости и диаметр нервных волокон.Am J Physiol. 1939; 127 (1): 131–9.
  34. 34.
    Rios MU, Bucksot JE, Rahebi KC, инженер CT, Майкл П. Протокол создания манжетных электродов для стимуляции нервов крыс. Методы Проток. 2019; 2 (19): 1-27.
  35. 35.
    Шиваджи В., Грасс Д.В., Хейс С.А., Килгард М.П., ​​Реннакер Р.Л., Баксот Дж. Э. и др. ReStore: беспроводная система стимуляции периферических нервов. J Neurosci Methods [Интернет]. 2019; 320 (январь): 26–36. Доступно по ссылке: https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2019.02.010
  36. 36.Браннер А., Штейн Р. Б., Фернандес Е., Аояги Ю., Норманн Р. А.. Долговременная стимуляция и запись с помощью проникающей матрицы микроэлектродов в седалищном нерве кошки. IEEE Trans Biomed Eng. 2004. 51 (1): 146–57. pmid: 14723504
  37. 37.
    Borland MS, Vrana WA, Moreno NA, Fogarty EA, Buell EP, Sharma P и др. Пластичность кортикальной карты как функция интенсивности стимуляции блуждающего нерва. Мозговая стимуляция. 2016; 9 (1): 117–23. pmid: 26460200
  38. 38.
    Ганзер П.Д., Дарроу М.Дж., Мейерс Е.К., Солорзано Б.Р., Руис А.Д., Робертсон Н.М. и др.Нейромодуляция с замкнутым контуром восстанавливает сетевое соединение и моторный контроль после травмы спинного мозга. Элиф [Интернет]. 2018; 7: 1–19. Доступно по ссылке: https://elifesciences.org/articles/32058
  39. 39.
    Лоервальд К.В., Borland MS, Реннакер Р.Л., Хейс С.А., Килгард М.П. Взаимодействие ширины импульса и силы тока со степенью корковой пластичности, вызванной стимуляцией блуждающего нерва. Стимул мозга [Интернет]. 2017; 11 (2): 271–7. Доступен по телефону: pmid: 2

    02

  40. 40.
    Хаммер Н., Лёффлер С., Чакмак Й.О., Ондрушка Б., Планицер У., Шульц М. и др.Морфометрия и васкуляризация шейного блуждающего нерва в контексте нервной стимуляции — исследование на трупе. Sci Rep [Интернет]. 2018; 8 (1): 7997. Доступно по ссылке: http://www.nature.com/articles/s41598-018-26135-8 pmid: 29789596
  41. 41.
    Cogan SF. Нейростимуляция и записывающие электроды. Анну Рев Биомед Eng [Интернет]. 2008. 10: 275–309. Доступно по адресу: www.annualreviews.org pmid: 18429704
  42. 42.
    Бен-Менахем Э., Маньон-Эспайлат Р., Ристанович Р., Уайлдер Б.Дж., Стефан Х., Мирза В. и др.Стимуляция блуждающего нерва для лечения парциальных припадков: 1. Контролируемое исследование воздействия на припадки. Эпилепсия. 1994. 35 (3): 616–26. pmid: 8026408
  43. 43.
    Кент А.Р., Гриль ВМ. Модельный анализ и разработка электродов нервной манжеты для восстановления функции мочевого пузыря путем избирательной стимуляции полового нерва. J Neural Eng. 2013; 10 (3).
  44. 44.
    Qing KY, Wasilczuk KM, Ward MP, Phillips EH, Vlachos PP, Goergen CJ, et al. Волокна B являются лучшими предикторами сердечной деятельности во время стимуляции блуждающего нерва.Bioelectron Med. 2018; 4 (5): 1–11.
  45. 45.
    Cheung KC. Имплантируемые нейронные интерфейсы на микроуровне. Биомедицинские микроустройства. 2007; 9: 923–38. pmid: 17252207
  46. 46.
    Кларк КБ, Krahl SE, Смит, округ Колумбия, Дженсен Р.А. Односторонняя стимуляция блуждающего нерва после тренировки улучшает удерживающую способность у крыс. Vol. 63, Нейробиология обучения и памяти. 1995. стр. 213–6. pmid: 7670833
  47. 47.
    Кларк КБ, Смит, округ Колумбия, Хассерт Д.Л., Браунинг Р.А., Наритоку Д.К., Дженсен Р.А. Посттренировочная электрическая стимуляция афферентов блуждающего нерва с сопутствующей инактивацией эфферентных блуждающих нервов улучшает процессы запоминания памяти у крыс.Neurobiol Learn Mem. 1998. 70 (3): 364–73. pmid: 9774527
  48. 48.
    Кларк КБ, Наритоку Д.К., Смит, округ Колумбия, Браунинг Р.А., Дженсен Р.А. Улучшенная память распознавания после стимуляции блуждающего нерва у людей. Nat Neurosci [Интернет]. 1999. 2 (1): 94–8. Доступно по адресу: http://neurosci.nature.com pmid: 10195186
  49. 49.
    Цзо Й, Смит, округ Колумбия, Дженсен Р.А. Стимуляция блуждающего нерва усиливает ЛТБ гиппокампа у свободно передвигающихся крыс. Physiol Behav [Интернет]. 2007; 90: 583–9. Доступно по адресу: https: // ac.els-cdn.com/S0031938406004963/1-s2.0-S0031938406004963-main.pdf?_tid=9a134a03-79fd-4530-8d64-e33eecd8ddf7&acdnat=1534354220_560f2f94ec503220950e9ec50620950e 9ec50520950e 9ec50220950e 9ec50520950e9
    Urban B, Jr NB. Комбинированная стимуляция эпидуральной и периферической нервов для облегчения боли. Описание методики и предварительные результаты. J Neurosurg. 1982; 57 (3): 365–9. pmid: 6212652
  50. 51.
    Хорьх К., Член С, Мик С., Тейлор Т.Г., Хатчинсон Д.Т. Дискриминация объекта с помощью искусственной руки с использованием электрической стимуляции периферических тактильных и проприоцептивных путей с помощью внутрипучковых электродов.IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2011; 19 (5): 483–9. pmid: 21859607
  51. 52.
    Стреге Д.В., Куни В.П., Вуд М.Б., Джонсон С.Дж., Меткалф Б.Дж. Хроническая боль в периферических нервах лечится с помощью прямой электрической стимуляции нервов. J Hand Surg Am. 1994. 19 (6): 931–9. pmid: 7876491
  52. 53.
    Капурал Л., Мехайл Н., Хайек С., Стэнтон-Хикс М., Малак О. Электростимуляция затылочного нерва через срединный доступ и подкожные хирургические отведения для лечения тяжелой затылочной невралгии: пилотное исследование.Anesth Analg. 2005. 101 (1): 171–4. pmid: 15976227
  53. 54.
    Коган С.Ф., Людвиг К.А., Велле К.Г., Такмаков П. Пороги повреждения тканей при терапевтической электростимуляции. J Neural Eng. 2016; 13 (021001).
  54. 55.
    Hammer N, Glätzner J, Feja C, Kühne C, Meixensberger J, Planitzer U, et al. Ветвление блуждающего нерва человека в шейном отделе. PLoS One. 2015; 10 (2).
  55. 56.
    McCreery DB, Agnew WF, Yuen TGH, Bullara LA. Взаимосвязь между амплитудой стимула, частотой стимула и повреждением нервной системы при электростимуляции седалищного нерва кошки.Med Biol Eng Comput. 1995; 33: 426–9. pmid: 7666690

Что такое стимуляция глубоким давлением?

Если вы когда-либо просыпались холодным утром под тяжестью тяжелых зимних одеял и чувствовали себя невероятно спокойными и умиротворяющими, вы почувствовали, что стимуляция глубоким давлением может повлиять на нервную систему.

Что, если бы вы могли помочь своему ребенку регулярно испытывать это восхитительно спокойное ощущение? Что это может сделать для их уровня стресса в данный момент? Как это может повлиять на их повседневное самочувствие?

Что ж, ответ — он может многое.Согласно все большему количеству исследований в области стимуляции глубокого давления и сенсорной терапии.

Стимуляция глубоким давлением (DPS) — это сильное, но мягкое сжатие, объятия или удержание, расслабляющее нервную систему. Это давление можно прикладывать руками, специальными массажными инструментами или продуктами, которые ваш ребенок может носить или обматывать вокруг себя, чтобы оказывать давление.

При правильном выполнении эта терапия запускает цепную реакцию в организме, которая вызывает общее чувство спокойствия и умиротворения.

Как работает стимуляция глубоким давлением

Когда вы оказываете глубокое давление на тело, тело переключается с симпатической нервной системы на свою парасимпатическую нервную систему .Это так называемый переход от «борьбы или бегства» к «отдыху и перевариванию».

Симпатическая нервная система (SNS) — это система «бдительности» в организме. Он отвечает, когда вы сталкиваетесь со стрессовой ситуацией на работе, проезжаете через плотное движение во время шторма или когда получаете неожиданный счет по почте.

Когда социальная сеть слишком долго идет впереди, вы чувствуете беспокойство, усталость, нервозность и раздражительность. Вы тоже не спите, и ваша пищеварительная система может дать сбой.

К сожалению, дети с аутистическим спектром и расстройствами обработки сенсорной информации проводят много времени, застревая в симпатической нервной системе. Даже когда они успокаиваются, для повторного запуска этой системы требуется совсем немного времени.

парасимпатическая нервная система (PSNS) , однако, приносит чувство спокойствия и умиротворения разуму и телу.

Когда начинает действовать парасимпатическая нервная система, ваше сердцебиение замедляется, мышцы расслабляются и улучшается кровообращение. Ваше тело вырабатывает эндорфины, гормоны счастья, которые заставляют вас чувствовать себя потрясающе после хорошей пробежки.

Когда на тело оказывается сильное давление, включается парасимпатическая нервная система, успокаивая вашего ребенка и принося ощущение благополучия.

Одновременно с этим изменением происходит выброс дофамина и серотонина, нейротрансмиттеров головного мозга, обеспечивающих хорошее самочувствие. Эти гормоны помогают с мотивацией, контролем над импульсами, вниманием, памятью, социальным поведением, сном и пищеварением.

Преимущества, наблюдаемые при терапии глубоким давлением

Не все люди получат все преимущества, но потенциальные положительные эффекты включают:

  • Общее чувство спокойствия, которое может длиться до нескольких часов после терапии
  • Снижено в целом тревожность при регулярных занятиях
  • Повышение счастья
  • Улучшение социального взаимодействия
  • Повышение коммуникативности
  • Улучшение сна
  • Повышение внимания
  • Снижение частоты приступов
  • Пониженная гиперчувствительность к прикосновениям
  • Снижение гиперчувствительности к прикосновениям
  • Улучшение способности переносить школьную среду
  • самоповреждение

Как это выглядит

Вы можете найти множество вариантов стимуляции глубокого давления, от бесплатных и низкотехнологичных до дорогих и сложных.Ни один вариант не подходит для каждого ребенка, поэтому, если один метод лечения не работает, стоит изучить другие варианты.

От недорогих решений к недорогим

Если говорить о простых технологиях, вы можете сделать своему ребенку массаж с глубоким давлением, также известный как прикосновение с глубоким давлением или «объятия руками». Это включает в себя сильное давление на тело ребенка ладонями, двигаясь от рук и ног внутрь к туловищу. Другая версия, которую любят некоторые дети, — это лежать на диване или на полу, когда мама или папа прижимают подушку или подушку к их телу или плотно укутываются в одеяло.

Многие семьи считают, что компрессия суставов действительно успокаивает их ребенка, хотя может потребоваться метод проб и ошибок, чтобы выяснить, как заставить ребенка подчиняться, когда вы только начинаете.

Одна мать, с которой мы говорили, говорит, что, хотя ее сын любит эти компрессии, ее дочь борется и жалуется в течение первых нескольких минут, прежде чем медленно уйти в более расслабленное состояние.

Другой низкотехнологичный и недорогой вариант — это протокол чистки Уилбаргера, при котором родитель или терапевт используют специальную щетку для массажа ребенка несколько раз в день.Хотя есть разногласия по поводу его эффективности, многие терапевты и родители говорят, что они видят явное улучшение при регулярном использовании.

Эти вмешательства обычно занимают 2-5 минут несколько раз в день. Здесь можно найти очень подробное описание того, как выполнять чистку щеткой, прикосновение с глубоким надавливанием и сжатие суставов.

Решения средней и высокой стоимости

Хотя знаменитая «машина для отжима» Темпл Грандин является самой старой и самой известной формой стимуляции глубоким давлением, это лишь один из многих вариантов, доступных сегодня.И, к счастью, большинство вариантов меньше по размеру и более портативны.

Некоторые из этих опций включают:

  • Компрессионная одежда
  • Утяжеленные одеяла
  • Утяжеленные жилеты
  • Давильные жилеты
  • Шейные повязки
  • Утяжелители
  • Утяжеленные рюкзаки для «объятий»
  • Pea2061 для собак
  • обучен оказывать давление)

Получит ли мой ребенок пользу от стимуляции глубоким давлением?

Как и во многих формах терапии, каждый человек по-разному реагирует на DPS.

Один ребенок может отреагировать почти сразу, в то время как другому могут потребоваться повторные попытки или более длительные занятия, чтобы увидеть улучшения.

Некоторые дети сначала сопротивляются, но через несколько минут успокаиваются и в конечном итоге жаждут ДПС.

Ребенок, который не реагирует на объятия рук, может заметно улучшить сон с утяжеленным одеялом.

Трудотерапевты, обученные работе с нарушениями сенсорной обработки, могут научить родителей, как эффективно использовать массаж для своего ребенка, и это посещение может быть покрыто страховкой.

Если вы являетесь членом группы поддержки аутизма, вы можете спросить другого родителя, может ли ваш ребенок поэкспериментировать с его отжимной машиной, роликом или другим крупным предметом, прежде чем вы потратите деньги на еще один терапевтический модуль.