Обнаружение активности нейронных всплесков является технической задачей, которая является необходимым условием для изучения многих типов функций мозга. Большинство нейронов в мозгу контактируют, запуская потенциалы действия.
Эти кратковременные скачки напряжения могут быть записаны с помощью микроэлектрода, который часто может улавливать сигналы многих нейронов в локальном районе.
В зависимости от целей эксперимента нейрофизиолог может пожелать сортировать эти сигналы, присваивая определенные пики предполагаемым нейронам, и делать это с определенной степенью надежности.
Во многих случаях хорошую одноблочную активность можно получить с помощью одного микроэлектрода и простого аппаратного порогового детектора.
Часто, однако, просто измерение активности одного нейрона является проблемой из-за большого количества фонового шума и потому, что нейроны в локальной области часто имеют потенциалы действия одинаковой формы и размера.
Кроме того, такие простые подходы, как определение порогов, могут сместить эксперимент в сторону нейронов, которые генерируют большие потенциалы действия.
Во многих случаях экспериментальный метод может быть значительно повышен за счет использования программных алгоритмов шиповой сортировки.
Способы сортировки
Одним из способов сортировки колосков является помощь в изучении нервных популяций. В некоторых случаях можно измерить активность действия, используя несколько электродов, которые расположены достаточно далеко друг от друга, так что каждый из них может функционировать как один независимый электрод.
Традиционные методы затем могут быть использованы, хотя и несколько утомительно, для измерения пиковой активности на каждом канале.
Автоматическая классификация может значительно сократить время, затрачиваемое на измерение этого вида деятельности, и в то же время повысить точность этих измерений.
Еще одним преимуществом сортировки колосков является возможность изучения локальных популяций нейронов, которые находятся слишком близко, чтобы их можно было изолировать традиционными методами.
Если активность нескольких нейронов может быть измерена с помощью одного электрода, то при помощи сортировки по шипам можно точно измерить нейронную активность даже в тех случаях, когда одновременно работают два или более нейронов.
Эта возможность особенно важна для экспериментальных исследований нейронных кодов, использующих синхронизацию импульсов.
Измерение нейронной активности
Первая связь между нервной связью и электрическими сигналами была установлена еще в 1791 году, когда было показано, что мышцы лягушек могут быть стимулированы электричеством.
Однако только в 1920-х годах нервные импульсы можно было измерять непосредственно путем усиления электрических сигналов, регистрируемых микроэлектродами.
Основная электрическая цепь усиливает потенциал между землей (обычно измеряемый проводом под кожу головы) и кончиком микроэлектрода.
Потенциальные изменения, измеренные на наконечнике, отражают ток во внеклеточной среде.
Как правило, самая большая составляющая этого тока - это то, что создается потенциалом действия, но может быть много других, менее заметных компонентов.
Сигналы, которые очень похожи на клеточные потенциалы действия могут быть подобраны из аксональных пучков волокон, также называемых волокнами прохода.
Эти сигналы, как правило, гораздо более локализованы и малы, чем потенциалы действия клеток, которые обычно отслеживаются, в то время как электрод развит на многие десятки микрон. Другим источником сигнала является потенциал поля.
Обычно это наблюдается в многослойных структурах и является результатом синхронного течения тока в параллельный набор дендритов. Этот сигнал, как правило, достаточно низкой пропускной способности, что он может быть отфильтрован из нейронных потенциалов действия.
Форма электрода оказывает некоторое влияние на то, какие типы измеряемых сигналов. В какой-то степени, чем больше наконечник электрода, тем большее количество записанных сигналов.
Если наконечник электрода слишком большой, изолировать один конкретный нейрон будет невозможно. Если наконечник электрода слишком мал, может быть трудно обнаружить какой-либо сигнал вообще. Кроме того, конфигурация наконечника может быть важным фактором при определении того, какие сигналы могут быть измерены.
Ток во внеклеточном пространстве имеет тенденцию течь в интерстициальном пространстве между клетками и не обязательно течь регулярно. Стеклянный электрод с О-образным наконечником может воспринимать сигналы, отличные от сигналов электрода со стеклянным покрытием из платины иридия с пуле образным наконечником.
Как это часто бывает в нейрофизиологии, то, что лучше всего, должно быть определено эмпирически и даже тогда, не обязательно является надежным.
Последним шагом в измерении является усиление электрического сигнала. Простой метод измерения нейронной активности может быть выполнен в аппаратуре с помощью порогового детектора, но с помощью современных компьютеров можно анализировать кривую в цифровом виде и использовать алгоритмические подходы к сортировке всплесков.
Раньше для сортировки программного обеспечения требовалось приложить значительные усилия для создания и реализации, но сегодня этот процесс стал намного более удобным.
Несколько отличных пакетов программного обеспечения, могут выполнять некоторые из более сложных анализов, с минимальными усилиями со стороны пользователя.
Кроме того, повышенная скорость работы современных компьютеров позволяет использовать методы, которые в прошлом требовали чрезмерных вычислительных затрат.