摘要
神经电刺激在神经系统疾病的治疗中是有效的，但相关的记录人工制品通常限制其应用于开环刺激。然而，通过配对并发电记录和光遗传学，可以实现对大脑活动的实时和连续闭环控制。在这里，我们展示了兴奋性视蛋白的闭环光遗传刺激能够精确操纵转基因小鼠和麻醉非人类灵长类动物大脑切片中的神经动力学。该方法在静止组织中产生振荡，增强或抑制活动组织中的内源性模式，并调节由惊厥药4-氨基吡啶引起的癫痫发作样爆发。光刺激相位依赖效应的非线性模型再现了与癫痫发作振荡相关的局域场电位周期的调制，癫痫发作相空间轨迹的变异性和熵的系统变化证明了这一点，这与癫痫发作持续时间和强度的变化相关。我们还表明，闭环光遗传神经刺激可以通过使用包含发光二极管的皮质内光极板来实现。闭环光遗传学方法可能转化为人类的治疗应用。
这是订阅内容的预览，通过你所在的机构访问
访问选项
订阅《自然》+
立即在线访问《自然》和其他55种《自然》杂志
29.99美元
每月
订阅期刊
获得1年的完整期刊访问权限
79.00美元
每期只要6.58美元
所有价格均为净价格。
增值税稍后将在结帐时添加。
税务计算将在结账时完成。
买条
在ReadCube上获得时间限制或全文访问。
32.00美元
所有价格均为净价格。
数据可用性
支持本研究结果的源数据可从纽卡斯尔大学的研究资料库获得https://doi.org/10.25405/data.ncl.19519630．在研究过程中产生的所有数据均可根据合理要求从通讯作者处获得。
代码的可用性
分析和建模代码可从纽卡斯尔大学的研究存储库https://doi.org/10.25405/data.ncl.19519630．
参考文献
Uhlhaas, P. J. & Singer, W.脑疾病中的神经同步性:与认知功能障碍和病理生理学的相关性。神经元52， 155-168(2006)。
山内奇，从运动到情绪的脑机接口。Nat。>。22， 1554-1564(2019)。
布索尔，W.等人。帕金森病及其他疾病闭环深度脑刺激的生物标志物。纳特。神甫。15， 343-352(2019)。
卡格南，H.，丹尼森，T.，麦金太尔，C.和布朗，P.改进深部脑刺激的新兴技术。生物科技Nat。》。37， 2024 - 1033(2019)。
Little, S.等人。适应性脑深部刺激治疗晚期帕金森病。安。神经。74， 449-457(2013)。
Skarpaas, t.l.， Jarosiewicz, B. & Morrell, m.j.脑反应性神经刺激治疗癫痫(RNS®系统)。癫痫Res。153， 68-70(2019)。
Grosenick, L.， Marshel, J. H. & Deisseroth, K.闭环和活动引导光遗传控制。神经元86， 106-139(2015)。
Nicholson, E.， Kuzmin, D. A.， Leite, M.， Akam, T. E. & Kullmann, D. M.海马锥体细胞分离伽马频率和振幅的模拟闭环光遗传调制。eLife7， e38346(2018)。
Sohal, V. S.， Zhang, F.， Yizhar, O. & Deisseroth, K. Parvalbumin神经元和gamma节律增强皮层电路性能。自然459， 698-702(2009)。
西格尔，J. H. &威尔逊，M. A.通过海马的θ相位特定操作增强编码和检索功能。eLife3.， e03061(2014)。
斯塔克等人。海马波纹振荡的基础是锥体细胞与神经元间的相互作用。神经元83， 467-480(2014)。
Kanta, V.， Pare, D. & Headley, D. B.杏仁核伽马振荡的闭环控制证明了它们在空间记忆巩固中的作用。Commun Nat。10， 3970(2019)。
霍尔，t.m，纳扎普尔，K. &杰克逊，A.实时估计和生物反馈单神经元放电速率使用局部场势。Commun Nat。5， 5462(2014)。
Borisyuk, R. M. & Kirillov . B.神经网络模型的分岔分析。医学杂志。Cybern。66， 319-325(1992)。
王勇，郭菲，M.，泰勒，P. N. &拜尔，G.新皮质局灶性癫痫发作的动态机制。公共科学图书馆第一版。医学杂志。10， e1003787(2014)。
周，Y.等。近似熵在癫痫失能发作动态特征研究中的应用。神经的回复。Res。7， 572-577(2012)。
Boyden, E. S.， Zhang, F.， Bamberg, E.， Nagel, G. & Deisseroth, K.毫秒时间尺度，神经活动的基因靶向光学控制。Nat。>。8， 1263-1268(2005)。
泰勒，P. N.等。基于患者衍生连通性的癫痫发作减轻的最优控制。前面。>。9202(2015)。
唐，E. &巴塞特，D. S.学术讨论会:大脑网络的动态控制。Rev. Mod. Phys。90， 031003(2018)。
托尼奥利，E. &凯尔索，J. A.亚稳态脑。神经元81， 35-48(2014)。
德科，G.等人。觉醒:预测外部刺激迫使不同大脑状态之间的转换。国家科学院学报美国116， 18088-18097(2019)。
Jackson, A.， Mavoori, J. & Fetz, E. E.电子神经植入诱导的长期运动皮层可塑性。自然444， 56-60(2006)。
扎诺斯，伦巴多，陈，D. & Fetz, E.锁相刺激在皮层β振荡产生双向突触可塑性清醒的猴子。咕咕叫。医学杂志。28， 2515-2526(2018)。
Suffczynski, P. Kalitzin, S. & Lopes Da Silva, F. H.由双稳态神经元网络建模的非惊厥性癫痫现象的动力学。神经科学126， 467-484(2004)。
泰勒，P. N.等。刺激驱动癫痫发作减轻的计算研究。《公共科学图书馆•综合》9， e114316(2014)。
Motamedi, G. K.等。脉冲刺激终止皮层放电的参数优化。Epilepsia43， 836-846(2002)。
奥索里奥，I. & Frei, M. G.单直流脉冲癫痫缓解:相位重置在起作用吗?Int。J.神经系统。19， 149-156(2009)。
科学337， 735-737(2012)。
阿洛蒂等人。8小时适应性脑深部刺激在帕金森病患者中的应用神经学90， e971-e976(2018)。
霍尔特，a.b.等人。帕金森病患者β振荡的相位依赖抑制。j . >。39， 1119-1134(2019)。
卡格南，H.等。在正确的时间刺激:特定阶段的脑深部刺激。大脑140， 132-145(2017)。
布里顿，J. S, Probert-Smith, P. Aziz, T. Z. & Brown, P.有节奏的经颅电流刺激抑制震颤。咕咕叫。医学杂志。23， 436-440(2013)。
麦克纳马拉，C. G.，罗思韦尔，M. &沙罗特，A.体内神经振荡的相位依赖闭环调制。预印在bioRxivhttps://doi.org/10.1101/2020.05.21.102335(2020)。
Paz, J. T.等。丘脑闭环光遗传控制作为中断皮质损伤后癫痫发作的工具。Nat。>。16， 64-70(2013)。
kuk - magnuson, E, Armstrong, C, Oijala, M. & Soltesz, I.颞叶癫痫自发性发作的按需光遗传学控制。Commun Nat。4， 1376(2013)。
卢，Y.等。海马体-内嗅皮层结构中发作传播的光遗传学解剖。Commun Nat。7， 10962(2016)。
Vormstein-Schneider, D.等人。病毒操纵功能不同的中间神经元在小鼠，非人类灵长类动物和人类。Nat。>。23， 1629-1636(2020)。
de Lanerolle, N. C.， Kim, J. H.， Robbins, R. J. & Spencer, D. D.人颞叶癫痫的海马中间神经元损失和可塑性。大脑Res。495， 387-395(1989)。
Andrioli, A.， Alonso-Nanclares, L.， Arellano, J. I. & DeFelipe, J.人癫痫海马中小白蛋白免疫反应细胞的定量分析。神经科学149， 131-143(2007)。
雷蒙多，J. V.伯曼，R. J.卡茨，A. A. &阿克曼，C. J.癫痫发作期间的离子动力学。前面。细胞。>。9， 419(2015)。
González, o.c.等。kcc2依赖性钾外排在4-氨基吡啶诱导的癫痫同步中的作用。一般人。说。109， 137-147(2018)。
Ledri, M.， Madsen, M. G.， Nikitidou, L.， Kirik, D. & Kokaia, M.癫痫样活动中抑制性中间神经元的全局光遗传激活。j . >。34， 3364-3377(2014)。
Chang, M.等。gaba能中间神经元的短暂激活通过抑制后反弹兴奋启动向发作事件的过渡。一般人。说。109， 102-116(2018)。
马格洛瓦，V.， Mercier, m.s.， Kullmann, D. M. & Pavlov, I.癫痫发作中的gaba能中间神经元:用光遗传学调查因果关系。神经系统科学家25， 344-358(2019)。
Jirsa, V. K.， Stacey, W. C.， Quilichini, P. P.， Ivanov, A. I. & Bernard, C.关于癫痫发作动力学的本质。大脑137， 2210-2230(2014)。
戈沃鲁诺娃，e.g.等。钾视紫红质是天然光门控钾通道，介导光遗传抑制。Nat。>。25， 967-974(2022)。
瞧,P.-C。&李，y - y。锁相环在脑电图节律性活动跟踪中的适用性。中国保监会系统。信号的过程。19， 171-186(2000)。
拉达斯，T. P.，蒋，C. C.，冈萨雷斯-雷耶斯，L. E.，诺瓦克，T.和杜兰德，D. M.使用低频光刺激通过中间神经元介导的夹带减少癫痫发作。经验,神经。269， 120-132(2015)。
格雷厄姆，R. T.等。癫痫发作引发的协同正反馈。预印在bioRxivhttps://doi.org/10.1101/2021.02.28.433224(2021)。
Alfonsa, H.， Lakey, J. H.， Lightowlers, R. N. & Trevelyan, a . J. clout是从神经元中挤出氯离子的一种新型合作光遗传学工具。Commun Nat。7， 13495(2016)。
萨赫勒，J. A.等。光基因治疗后盲人视功能的部分恢复。Nat,地中海。27， 1223-1229(2021)。
狄斯特，我，等人。为灵长类动物设计的光遗传工具箱。Nat。>。14， 387-397(2011)。
Yazdan-Shahmorad, A.等人。用于非人类灵长类动物光遗传刺激和记录的大规模接口。神经元89， 927-939(2016)。
安德森等人。人脑有机型培养中人类神经元的光遗传学控制。科学。代表。6， 24818(2016)。
Shen, Y.， Campbell, R. E, Côté， d.c. & Paquet, M. E.人类视蛋白光遗传工具治疗应用的挑战。前面。神经保监会。14， 41(2020)。
拉蒙特，C.等。硅树脂封装薄膜SiOx、SiOxNy现代电子医疗植入物的碳化硅:一项长期老化的比较研究。神经工程。18， 055003(2021)。
Ramezani, R.等。用于电记录和光遗传刺激的探针神经接口ASIC。IEEE反式。生物医学。中国保监会系统。12， 576-588(2018)。
Dehkhoda, F.等人。基于发光二极管的光极板的温升自传感。神经工程。15， 026012(2018)。
CircStat:循环统计的MATLAB工具箱。J.统计。31， 10(2009)。
确认
CANDO(光遗传学控制异常网络动力学)项目由Wellcome信托基金(批准号:no。102037;a.j.， a.o.， s.n.b.， g.j.c.， m.o.c.， p.d.， m.k.， F.E.N.L.和A.J.T.)以及工程和物理科学研究委员会(批准编号为no。A000026;有好处,A.J,。A.O。,S.N.B G.J.C, M.O.C,申先生,该调查,F.E.N.L.和A.J.T.)。我们感谢CANDO联盟的所有成员(www.cando.ac.uk)．A.J.是维康信托基金会高级研究员(批准号为no.;106149;起草者)。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
体外实验由m.t.、a.h.、d.w.、f.e.n.l.、m.o.c.、A.J.T.和A.J.进行分析，体内实验由b.z.、m.t.、S.N.B.和A.J.进行分析，死后组织学由c.g.、f.m.、E.E.M.和G.J.C.进行分析，模拟由y.w.、f.h.、M.K.和A.J.进行模拟，闭环算法由S.N.B.和A.J.开发，光极由e.e.c设计制造。， a.s.i.， r.g.b.， s.t.， a.p.， n.p.， j.g.， n.d.， t.g.c.， P.D.和a.o.a.j.撰写了手稿，并听取了所有作者的意见。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
a.j.， M.O.C, S.N.B.和P.D.是纽卡斯尔大学提交的专利号EP3490669A1(已授予)和US20190168021(正在申请)的发明者，涵盖了本工作中报道的闭环刺激方法的各个方面。其他作者宣称没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然生物医学工程感谢Henry H. Yin, Andrew Sharott和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展数据
扩展数据图1相对于高伽马包络线的相移调整。
一个LFP光谱来自三种不同的Emx1-ChR2小鼠脑切片，具有不同的闭环滤波频率。底部的图表显示，相移和频率的驱动振荡在不同的会议。b交叉相关(在所有相位条件下)表明，在不同阶段，LFP与高伽马包络之间的相位关系是不同的，而对高伽马相位的刺激相对恒定。c相位调整程序示意图。(1)在实验过程中，FIR滤波器产生相对于LFP相移的光刺激(由实验者设定的量)。这种刺激驱动神经活动，为此我们使用高伽马包络作为替代测量，然后产生LFP。(2)为了评估神经活动与合成LFP之间的相位关系，在实验结束时，我们测量了总体LFP-gamma互相关的零滞后相位。(3)我们添加了这两个相移，以产生相对于高伽马包线的可调整的增产相移。我们假设，这种整体相移将决定闭环动力学是否具有正反馈或负反馈的特征。dLFP光谱在调整相对于高伽玛包络的相移后重新绘制。此外，频率轴由滤波器频率归一化。因此，由不同相移驱动的振荡频率紧密对齐。d相移(相对于LFP)驱动最大振荡绘制相对相位之间的LFP和高伽玛包络。实线表示高伽马相刺激。相移提前0-90°(圆形平均38°，虚线)．
扩展数据图2用于NHP实验的可植入LED阵列。
一个硅叉光极的图像，包括四个柄，每个柄有2个CREE DA2432 led，封装有硅弹性体(NuSil MED-6015)。比例尺:1mm。b测量每个LED在不同电源电流下的光功率输出(蓝色)。还显示了用于其他数据集的商业光源的光功率输出。横轴包含了两种情况下的全部增产强度范围。请注意，这里分析的数据集使用单个LED来激活组织。
扩展数据图3利用病毒传递视蛋白复制体外结果。
一个在注射了aav8 - hsync - chronos - gfp (NHP实验中使用的病毒之一)的小鼠静止脑切片中CLOSe驱动的振荡示例。b对于不同的CLOSe相移(10 Hz滤波器)，相对于无刺激的LFP功率调制。c四种不同滤波器频率的LFP相位依赖性调制，取自三种动物的切片。颜色表示与最大振荡相关的调整相移。虚线表示对数线性拟合数据。d然后应用4-AP诱导癫痫样事件。CLOSe调节振荡爆发的持续时间。左:对3种动物的原始数据和正弦拟合的爆发持续时间的最大/最小调制。颜色显示与个体动物最大/分钟相关的相移。正确的:三种动物平均爆发持续时间的平均调制。e相同，但在发作频率LFP功率。错误条表示会话上的s.e.m.。数据集圆线性相关的R和P值。
图4 CLOSe在NHPs体内调节高振幅癫痫发作状态的频率和持续时间。
一个在一个示例数据集中，在无刺激(黑色)和不同CLOSe相移(彩色)下发作状态所花费的时间百分比。癫痫发作状态被定义为平滑、整流的LFP振幅超过特定阈值，范围从零到无刺激条件下观察到的最大振幅。b在CLOSe下的扣押状态所花费的时间变化+(45°相移)和关闭−(270°相移)相对于没有增产措施的四个数据集。c发作状态超过每个阈值水平的平均持续时间。dCLOSe下癫痫发作持续时间的相对变化+并关闭−．e发作状态超过阈值水平的频率。fCLOSe下癫痫发作频率的相对变化+并关闭−．面板b,d,f中的粗条表示具有相位依赖性调制的显著阈值(P < 0.05，数据集上的圆线性相关)。
图5硅片和体外不同CLOSe相移下的癫痫发作轨迹。
一个癫痫发作期间的二维延迟嵌入LFP轨迹在网上所有CLOSe相移下的模型。颜色表示在周期内进行刺激的时间。b从面板a所示角度观察三维轨迹。c，d同样，但以鼠标为例在体外会话。
图6闭环和开环增产方案对比
一个模型模拟比较CLOSe-相对于相同光学模式的开环传输。左:CLOSe条件下LFP的实例模拟-(红色)和相关的刺激模式(青色)。然后在模型的第二次运行期间(开环对齐，黄色)传递此光照模式。在这种情况下，唯一的区别是使用了新的噪音种子，导致刺激开始后癫痫发作动态的微妙差异(虚线)。在模型的第三次运行中，我们也提供了相同的刺激模式(开环随机，蓝色)。在这种情况下，模型使用了新的噪音种子，刺激发生在癫痫发作周期的不同阶段。正确的:100个模型仿真的总结。尽管采用了相同的增产方案，但开环增产方案的效果明显不如闭环增产方案-，相对于没有刺激，平均癫痫发作时间延长。方框表示中位数和四分位范围，胡须表示最大/分钟。来自双尾配对t检验的P值。b在恒定频率下比较无刺激和开环刺激的模型模拟。左:无刺激(黑色)和20 Hz开环刺激(灰色)下LFP的模拟示例。注意，开环刺激夹带了癫痫发作周期，延长了癫痫发作的持续时间。正确的:在不同频率下增加刺激强度的癫痫发作的相对持续时间(平均每强度100个模型刺激)。所有频率的爆发持续时间单调增加。还要注意，20hz(无刺激下癫痫发作周期的频率)对于延长癫痫发作持续时间是最有效的。c左:4-AP浴应用于Emx1-ChR2小鼠脑切片引起癫痫发作，无刺激(黑色)和恒频率开环刺激(灰色)触发突发发作。注意，开环刺激会引起癫痫发作周期，并延长发作持续时间。还显示了在CLOSe下具有不同相移的癫痫发作的例子(颜色)。正确的:在CLOSe条件下，相对于不刺激，发作频率下的爆发持续时间和LFP功率+(蓝色),关闭−(红色)和开环刺激(灰色)。3只动物4次治疗的平均值。错误条表示会话上的s.e.m.。来自双尾配对t检验的P值。
扩展数据图7不同闭环光遗传癫痫抑制策略的模型预测。
兴奋性/抑制性神经元的光遗传激活/抑制可被认为是模型状态空间中癫痫发作轨迹在不同方向上的微弱扰动。外周图显示了以相位依赖方式提供每种刺激的闭环光遗传策略对癫痫发作爆发持续时间的预测影响。抑制兴奋性神经元和/或激活抑制性神经元的策略通常比激活兴奋性神经元和/或抑制抑制性神经元更有效。然而，大多数策略都可能导致癫痫发作的延长或缩短，这取决于刺激所处的阶段，在所有情况下，都有特定的阶段更有效地抑制癫痫发作。因此，使用一系列不同视蛋白/细胞靶点的光遗传癫痫发作抑制策略可能通过以闭环方式传递刺激而得到改善。
权利和权限
根据与作者或其他权利持有人签订的出版协议，《自然》杂志或其许可方对本文拥有独家权利;作者对这篇文章接受的手稿版本的自我存档仅受此类出版协议的条款和适用法律的约束。
关于本文
引用本文
扎伊米，B，特布尔，M，哈兹拉，A。et al。非人类灵长类动物神经活动动态的闭环光遗传控制。Nat,生物医学。英格(2022)。https://doi.org/10.1038/s41551-022-00945-8
收到了：
接受：
发表：
DOI：https://doi.org/10.1038/s41551-022-00945-8
