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Méthodes expérimentales en neurosciences > Neurophysiologie des systèmes - Cours 5 > Flashcards

Neurophysiologie des systèmes - Cours 5 Flashcards

1
Q

Pourquoi utiliser des primates non-humains pour la recherche en neuroscience?

A

1- Similaire aux humains génétiquement, anatomiquement et sur le plan comportemental
Permet aux scientifiques d’étendre les résultats expérimentaux aux théories de fonctionnement du cerveau humain
2- Capables d’être entraînés à effectuer des comportements et tâches plus complexes que d’autres modèles animaux
Permet aux scientifiques d’examiner l’activité neurale alors que les animaux effectuent des tâches identiques ou similaires à celles effectuées par les humains dans des études psychophysiques ou cognitives

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1
Q

Que pouvons nous étudier chez les singes pour répondre à la question “Quelle est la base neurale des fonctions cognitives supérieures?”

A

Prise de décision
Attention
Raisonnement abstrait
Mémoire
Language

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2
Q

Que pouvons nous étudier chez les singes pour répondre à la question “Comment les signaux sensoriels sont-ils traités et combinés pour la perception et l’action?”

A

Perception visuelle
Traitement somatosensoriel
Intégration multisensorielle (ex. signaux vestibulaires, visuels et somatosensoriels pour estimer nos mouvements)

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3
Q

Que pouvons nous étudier chez les singes pour répondre à la question “Comment planifier et contrôler nos actions motrices?”

A

Mouvements oculaires
Mouvements d’atteinte et préhension
Apprentissage moteur

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4
Q

Quels désordres neurologiques sont recherchés chez les primates?

A

Maladie de Parkinson
Huntington
Sclérose latérale amyotrophique
Alzheimer
La récupération après un accident vasculaire cérébrale
Addiction
Les désordres émotionels

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5
Q

Quels sont les singes utilisés le plus fréquemment?

A

Le macaque rhésus (Macaca mulatta)
Le singe cynomolgus (Macaca fascicularis)

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6
Q

De quoi est constitué le montage expérimental pour étudier le comportement des primates?

A

-Chaise à primate
-Équipement d’enregistrement
-Système de récompense
-Équipement pour mesure la réponse comportementale
-Équipement pour présentation du stimulus
-Filtres
-Système pour contrôle de la tâche et l’acquisition de données

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6
Q

Quels sont les aspects généraux des expériences chez les primates non-humains?

A

-Travailler avec des singes implique un grand investissement de ressources et de temps (e.g. habitations spécialisées, soins et enrichissement, entrainement extensif, préparation chirurgicales)
-L’utilisation des singes est minimisée autant que possible : typiquement 1-3 singes sont utilisés dans une période de 3-5 ans
-Les expériences sur les primates mettent l’accent sur l’enregistrement des propriétés de réponse neurale alors que des animaux entraînés effectuent des tâches comportementales : la puissance statistique est atteinte non pas par le nombre d’animaux étudiés mais plutôt par le nombre de neurones enregistrés
-Chaque expérience est typiquement effectuée avec un minimum de 2 animaux pour assurer la reproductibilité des résultats

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6
Q

Par quoi peut se faire la présentation du stimulus?

A

Stimulus visuel sur un écran
Stimulateur tactile
Forces ou perturbations appliquées par un bras robotisé
Système de mouvement pour bouger le singe dans l’espace

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6
Q

Quelle est la structure de base des expériences chez les primates non-humains?

A

1- Conception d’une tâche expérimentale pour répondre à une question spécifique :
-Quelle est la structure de la tâche?
-Comment les stimuli seront-ils présentés?
-Comment le comportement sera-il mesuré?
2- Assembler ou construire l’équipement expérimental nécessaire pour effectuer cette tâche et l’acquisition des données
3- Préparer un animal pour l’entraînement (familiarisation avec le laboratoire, l’équipement et le personnel ; parfois chirurgies pour implanter des appareils de mesure du comportement)
4- Entrainer l’animal à effectuer la tâche
5- Procédure chirurgicale pour permettre l’accès au cerveau
6- Enregistrement neuraux alors que l’animal effectue la tâche
7- Analyse des données où l’activité neurale est corrélée avec le comportement

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6
Q

Quels sont les 2 types de mesure de performance comportementale des mouvements des yeux?

A

Scleral search coil technique
Oculomètre

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7
Q

Quelles sont les étapes de base de l’entrainement comportemental ?

A

1- Apprendre à sortir de la cage et à entrer dans une chaise de primate et devenir familière avec le laboratoire et le personnel du laboratoire :
- 1-2 semaines pendant lesquelles le singe vient au laboratoire quotidiennement et reçoit des récompenses pour qu’il devienne confortable avec l’environnement et le perçoive positivement
2- Apprendre la tâche expérimentale :
- Introduction à l’appareillage expérimental et concepts simples sur quoi faire
- Introduction progressive de nouveaux concepts étape par étape (Ex. Mouvements d’atteinte à une cible visuelle)
- Perfectionnement de la tâche : Améliorer la précision en réduisant graduellement la taille des cibles, améliorer la vitesse en réduisant le temps permis pour faire le mouvement, etc.

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8
Q

Expliquez en quoi consiste le scleral search coil technique

A

Le singe est assis avec la tête centrée dans le champ magnétique
Lorsqu’il bouge les yeux, le champ magnétique induit de petits courants dans le “eye coil” qui sont mesurés comme des changements de potentiel proportionnels à la position de l’oeil

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9
Q

Expliquez en quoi consiste l’oculomètre

A

Système utilisant une caméra pour suivre le mouvement des yeux
Souvent ce type de système suit la position de la pupille
Résolution temporelle et spatiale limitée comparativement è une approche utilisant un système de champ magnétique

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9
Q

Nommez 2 types d’appareils pour mesurer les réponses comportementales

A

“Eye coil”
Électrodes EMG

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10
Q

Quel type de mesure de performance comportementale utilisons nous pour l’activité musculaire ?

A

Enregistrement électromyographiques (EMG) :
Enregistrement des potentiels électriques générés par les cellules musculaires en réponse à une stimulation neurale ou électrique :
Électrode de surface
Électrodes percutanées
Électrodes implantées chroniquement

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10
Q

Quels sont les 3 types de mesure de performance comportementale des mouvements du bras?

A

Bras robotisé ou interface manipulable / Système de caméra : Mesure la trajectoire entière pendant le mouvement
Écran tactile : Mesure la position de la main au début et à la fin du mouvement

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10
Q

Quels sont les types d’appareils implantés chirugicalement?

A

1- Appareils pour mesurer les réponses comportementales
2- Système de fixation de la tête
3- Implants pour l’accès à long terme au cerveau

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11
Q

Qu’est-ce que l’entrainement comportemental ?

A

Consiste à former graduellement le comportement du singe par renforcement positif
Selon la difficulté de la tâche, le temps d’entrainement varie de 2-3 mois (ex. tâche simple de mouvement des yeux) à 1-2 années (tâches cognitives plus complexes

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12
Q

Qu’est-ce que le “Eye coil”?

A

Bobine de fil suturé sur la sclérose de l’oeil pour mesurer les déviations de la position de l’oeil à l’aide du “scleral search coil technique”

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13
Q

Qu’est ce que les électrodes EMG?

A

Électrodes en fil implantées dans le muscle pour mesurer l’activité musculaire lors de tâches motrices

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14
Q

Qu’est-ce que sont les systèmes de fixation de la tête?

A

Implant ou poteau attaché à la tête afin de permettre la stabilisation de la tête pour l’enregistrement neuronal et certaines tâches comportementales

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14
Q

Qu’est-ce que la fenêtre crânienne?

A

Fenêtre d’observation créée lors d’une craniotomie ou en polissant une partie du crâne pour le rendre translucide et permettant un accès visuel aux structures superficielles du cerveau
Utilisée pour l’imagerie des neurones (ex. neurones marqués avec des traceurs fluorescents)

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14
Q

Nommez 4 types d’implants pour l’accès à long terme au cerveau

A

Chambre pour enregistrement
Réseau d’électrodes implanté de façon chronique
Canule
Fenêtre crânienne

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15
Q

Qu’est ce que la chambre pour enregistrement?

A

Cylindre avec un bouchon vissable
Implanté autour d’un trou ouvert chirurgicalement dans le crâne par craniotomie de sorte que la surface du cerveau puisse être exposée lors d’expériences d’enregistrement neuronal
Le cerveau est protégé en refermant le bouchon

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16
Q

Qu’est-ce qu’est le réseau d’électrodes implanté de façon chronique?

A

Réseau d’électrodes implanté à long terme pour enregistrer l’activité d’une population neuronale

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17
Q

Qu’est-ce que la canule?

A

Tube cylindrique étroit utilisé pour accéder aux structures profondes du cerveau
Utilisé pour introduire des électrodes étroites ou pour dériver des agents pharmacologiques, vecteurs viraux ou des sondes optiques pour la stimulation avec lumière

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18
Q

Comment stérilisons-nous les procédures chirurgicales?

A

-Les instruments chirurgicaux, les implants, et les draps couvrant la plupart de la surface de travail son typiquement stérilisés à l’aide d’un autoclave
-L’autoclave est un appareil qui augmente sa pression interne afin de créer de la vapeur d’eau à une température supérieure au point d’ébullition naturel de l’eau ->La vapeur à haute température est utilisée pour tuer les microorganismes
-Parfois un gaz ou un désinfectant chimique est utilisé pour stériliser les outils ou implants qui sont sensibles à la chaleur
-Le chirurgien porte une blouse stérile et des gants stériles ainsi qu’un masque chirurgical, un filet à cheveux et des lunettes pour protéger les yeux

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19
Q

Résumez les procédures chirurgicales

A

-L’animal est anesthésié avec des agents pharmacologiques ou un anesthésique au gaz :
Ketamine (agent pharmacologique inhibiteur des canaux ioniques NMDA et HCN1) souvent combiné avec Xylazine (propriété sédatives et analgésiques)
Isoflurane (anesthésique au gaz, éther inhalable
-L’animal est souvent positionné dans un instrument stéréotaxique afin de placer précisément les implants relativement aux structures d’intérêt dans le cerveau
-Pour accéder.der au cerveau afin de faire les enregistrements neuraux un petit trou est fait dans le crâne -> procédure appelée craniotomie
-Les implants permanents sont typiquement maintenus en place à l’aide de vis à os alternativement avec un ciment craniplastique ou acrylique dentaire
-Après la chirurgie les animaux sont traités avec des analgésiques et des agents antibiotiques pendant une période de récupération

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20
Q

Avec quoi ce fait le placement stéréotaxique des implants?

A

-Un instrument stéréotaxique est conçu pour positionner la tête de l’animal dans une orientation précise afin de définir un cadre de référence en 3D qui soit constant d’un animal à un autre
-Un atlas stéréotaxique fourni des informations sur la position des structures du cerveau dans ce cadre de référence stéréotaxique

21
Q

Comment se fait le placement des implants à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique ?

A

-Reconstruction des régions d’intérêt pour l’enregistrement en 3D à partir d’une série d’images d’IRM
-Estimation d’où la chambre devrait être placé afin que les électrodes atteignent les régions d’intérêt
-Calibration de cette emplacement désiré de la chambre par rapport à des points de repère fixés sur le crâne

22
Q

Qu’est-ce que l’on cherche lorsqu’on fait un enregistrement intracellulaire?

A

-Interactions synaptiques entre les neurones
-Comment les agents pharmacologiques, neurotransmetteurs et neuro modulateurs affectent les potentiels d’action d’un neurone

23
Q

Qu’est-ce que l’on cherche lorsqu’on fait un enregistrement extracellulaire?

A

-Comment un neurone contribue à différents comportements?
-Quelle information est encodée?
-Comment l’activité d’un groupe de neurones est-elle coordonnée ?

24
Q

Qu’est-ce que l’on cherche lorsqu’on fait un enregistrement avec électrodes de patch?

A

Fonction de canaux individuels et leur contribution à l’activité du neurone entier

25
Q

Quel est le potentiel extracellulaire?

A

Produit par le courant qui traverse l’espace extracellulaire
Il n’y a pas d’accumulation de charges dans ce milieu conducteur
Par conséquent, lorsqu’un courant entre dans un neurone, il doit y avoir un courant équivalent qui sort à travers la membrane vers le milieu extracellulaire
L’écoulement du courant est produit par des sources et puits séparées dans l’espace

26
Q

Quelles sont les hypothèses simplificatrices pour estimer le potentiel ?

A

Considérer chaque source/puit de courant comme une source de point
Considérer le milieu extracellulaire comme un conducteur homogène

26
Q

Quelles conclusions importantes peut-on faire face au potentiel extracellulaire?

A

-Les potentiels extracellulaires reflètent la somme des contributions de nombreuses sources/puits de courant dans un volume conducteur
-La contribution de chaque source/puit au potentiel exrtracellulaire est inversement reliée à sa distance par rapport à l’électrode d’enregistrement

27
Q

Expliquez ce que sont les potentiels d’action

A

-Composante à haute fréquence du signal extracellulaire (100 Hz- 10 kHz)
-Enregistrement près de la cellule (pointe de l’électrode < 140 um du neurone)
-Reflète le signal de sortie du neurone avec une résolution temporelle de l’ordre de la milliseconde
-Généralement accepté comme la mesure donnant le plus d’information par rapport à ce que les neurones encodent/signalent

28
Q

Quelles sont les amplitudes typiques du potentiel intracellulaire et extracellulaire proche du soma?

A

Amplitude typique du potentiel intracellulaire : environ 100 mV
Amplitude typique du potentiel extracellulaire proche du soma : environ 0,1 - 1 mV
L’amplitude du potentiel extracellulaire proche du soma est beaucoup moins grande que le potentiel intracellulaire et son potentiel est inversé

29
Q

De quoi dépend la forme et l’amplitude du potentiel extracellulaire?

A

De la position de l’électrode et de la géométrie de la cellule

29
Q

L’amplitude des potentiels d’action diminue ou augmente avec la distance du soma?

A

Diminue très rapidement

30
Q

Quels sont les 2 types de potentiels extracellulaires?

A

Potentiels d’action
Potentiels de champ

30
Q

Expliquez ce que sont les potentiels de champ

A

-Composante à basse fréquence du signal extracellulaire (<100 Hz)
-Peuvent être enregistrés loin du corps cellulaire :
Les potentiels extracellulaires dus aux décharges neurales (c’est-à-dire composante à haute fréquence du signal extracellulaire) sont fortement atténués en s’éloignant du corps cellulaire -> une explication possible est que le tissu neural a des propriétés de filtre passe-bas
Les potentiels de champ (composante à basse fréquence du signal extracellulaire) peuvent être enregistrés sur une plus longue distance
-Puisque les potentiels de champ représentent l’activité dans un volume de tissu ils sont plus difficile à interpréter
-Des données suggèrent qu’ils reflètent en grande partie les courants synaptiques

31
Q

Comment sont classés les potentiels de champ?

A

Souvent classés en bandes de fréquences basées sur leur corrélation avec différents états comportementaux

32
Q

Quelles sont les 3 techniques pour calculer les potentiels de champ?

A

Électroencéphalogramme (EEG)
Électrocorticogram (ECoG)
Potentiels de champs locaux (“local field potentials” ou LFPs)

32
Q

Expliquez l’électroencéphalogramme (EEG)

A

-Enregistrés à la surface du cuir chevelu
-Facile à enregistrer avec des électrodes de surface
-Enregistrement non-invasif -> Utilisé typiquement avec des sujets humains
-Reflète la somme des courants d’un grand volume de tissu ->trèsses faible résolution spatiale (ordre du cm)
-Module plus lentement que les potentiels d’action
-Beaucoup moins de détails en temps réel concernant le comportement comparativement aux potentiels d’action
-Pas une mesure des potentiels d’action mais plutôt refléte les entrées synaptiques synchronisées aux populations de neurones dans les couches corticales superficielles

33
Q

Expliquez l’électrocorticogram (ECoG)

A

-Électrodes placées sous le crâne en contact avec les méninges (sous la dure-mère)
Moins invasive que les enregistrements dans le cerveau
-Meilleure détection des processus locaux que les EEG
-Résolution spatiale est quand même faible

33
Q

Expliquez les potentiels de champs locaux (“local field potentials” ou LFPs)

A

-Composante à basse fréquence du signal enregistré dans le cerveau avec des électrodes extracellulaires
-Somme de l’activité de nombreuses sources/puits de courant
-Beaucoup meilleure résolution spatiale et temporelle que l’EEG ou L’ECoG
-Considéré comme reflétant l’entrée synaptique synchronisée d’une population neurale
-Puisque les LFPs représentent une somme d’activité à travers une population de neurones, l’information contenue dans ce signal est difficile à interpréter
-Néanmoins, il est suggéré que ces signaux fournissent des informations uniques quant aux sommes d’entrées synaptiques, aux interactions neurales locales et l’état des réseaux corticaux qui sont difficiles à obtenir en examinant les potentiels d’action de quelques neurones individuels ->combiner l’enregistrement et l’analyse des potentiels d’Action avec celle des LFPs peut donner des informations additionnelles concernant la fonction des réseaux neuraux

34
Q

Quelles sont les différentes approches d’enregistrement (3)?

A

1- Technique du microdescendeur
2- Réseaux d’électrodes implantés de façon chronique
3- Réseaux d’électrodes mobiles

34
Q

Expliquez ce qu’est la technique du microdescendeur

A

-Lors de chaque session expérimentale, une ou plusieurs électrodes sont descendues lentement dans le cerveau en utilisant un microdescendeur
-L’activité neurale est enregistrée alors que l’animal reçoit un certain stimulus ou effectue une certaine tâche
-Les neurones des régions d’intérêt qui sont reliés au stimulus ou à la tâche sont enregistrés dans un ensemble de paradigmes expérimentaux
-On déplace l’électrode à une nouvelle position pour enregistrer une nouvelle cellule

34
Q

Quels sont les avantages de la technique du microdescendeur?

A

-Flexible -> Peut échantillonner plusieurs neurones de plusieurs régions différentes
-Possibilité de bouger l’électrode pour optimiser l’enregistrement du neurone

35
Q

Quels sont les désavantages de la technique du microdescendeur?

A

-Difficile d’enregistrer plus de quelques neurones à la fois
-Peut prendre longtemps pour enregistrer des données d’une grande population de neurones

36
Q

Expliquez l’approche des réseaux d’électrodes implantés de façon chronique

A

Lors de chaque session expérimentale, l’activité neurale est enregistrée par chaque électrode alors que l’animal reçoit un certain stimulus ou effectue une certaine tâche

36
Q

Quels sont les avantages de l’approche des réseaux d’électrodes implantés de façon chronique?

A

-Permet d’enregistrer de nombreux neurones simultanément
-Permet souvent d’enregistrer les mêmes neurones sur de longues périodes de temps (heures, jours, semaines)

37
Q

Quels sont les désavantages de l’approche des réseaux d’électrodes implantés de façon chronique?

A

-Échantillon limité de neurones d’une région particulière
-Aucune garantie après l’implantation que toutes ou même la plupart des électrodes seront dans une position appropriée pour enregistrer une activité neuronale reliée à la tâche

38
Q

Quels sont les 2 types de réseaux d’électrodes mobiles ?

A

-Système microdescendeur “Gray Matter”
-Plexon U-probe

39
Q

Quels sont les avantages de l’approche des réseaux d’électrodes mobiles?

A

-Flexible -> Peut échantillonner plusieurs neurones de plusieurs régions différentes
-Possibilité de bouger l’électrode pour optimiser l’enregistrement de neurones
-Permet d’enregistrer un assez grand nombre de neurones à la fois

40
Q

Quels sont les désavantages de l’approche des réseaux d’électrodes mobiles?

A

Typiquement couteux

41
Q

Quels peuvent être les matériaux des électrodes extracellulaires?

A

Verre
Métal
À base de silicium

42
Q

Quelles sont les caractéristiques importantes des électrodes extracellulaires?

A

-Mécaniquement et chimiquement stable
-Matériaux biocompatibles
-Métaux polarisable (e.g., iridium, platine, tungstène) : ne s’oxyde pas facilement (transfert de charge minime entre l’électrode et le tissu)
-Forme de l’électrode (affecte la qualité d’enregistrement et la quantité de dommage fait au tissu)
-Résistance électrique de l’électrode :
Typiquement une pointe plus fine (électrode plus sélective) implique une résistance plus élevée
Une résistance plus élevée implique un bruit plus grand

42
Q

Quelles sont les 5 différentes technologies d’électrodes?

A

1- Microélectrode en verre
2- Électrode pointue en méta;
3- Électrodes de microfils
4- Réseaux d’électrodes fabriqués en silicium
5- Réseaux d’électrodes mobiles

43
Q

Expliquez ce qu’est la technologie d’électrodes : Microélectrode en verre

A

-Tube capillaire en verre rempli d’un électrolyte (1M NaCl)
-Enregistrement intracellulaire et extracellulaire
-Pointe de diamètre 1-5 um (environ 0.1 MG à 200 MG)
-Pas utilisé pour des enregistrements chroniques ou des enregistrements simultanés
-Mécaniquement fragile

44
Q

Expliquez ce qu’est la technologie d’électrodes : Électrode pointue en métal

A

-Fil de métal gravé pour obtenir une pointe fine de diamètre 1-10 um (environ 1 MG à 10 MG) et isolé avec un polymère ou du verre
-Utilisé pour les enregistrements extracellulaires
-Mécaniquement fragile

44
Q

Expliquez ce qu’est la technologie d’électrodes : Électrodes de microfils

A

-Fils fins de tungstène ou d’acier inoxydable isolés avec un polymère (Téflon, polyimide)
-Pointe de 10-50 um de diamètre
-Mécaniquement robuste, avec une bonne stabilité mécanique -> utilisé pour les implantations chroniques
-Souvent arrangés en réseaux espacés d’environ 100-300 um
-Possibilité d’avoir plusieurs sites d’enregistrement simultanés dans un animal librement mobile
-Mauvaise isolation des potentiels d’action de neurones individuels
-Les problèmes à identifier les potentiels d’action de neurones individuels peuvent parfois être surmontés en combinant les enregistrements de plusieurs fils

45
Q

Comment se nomme l’électrode de microfils fait de 2 fils?

A

Stéreotrode

46
Q

Comment se nomme l’électrode de microfils fait de 4 fils?

A

Tétrode

47
Q

Quel est l’avantage d’utiliser des tétrodes?

A

-Comparer l’activité enregistrée par plusieurs électrodes très rapprochées aide à déterminer quels potentiels proviennent de cellules distinctes
-Avec seulement l’enregistrement de l’électrode du haut, il serait difficile de savoir que les deux gros potentiels proviennent de cellules distinctes
-Technologie souvent utilisée pour enregistrer chez les animaux mobiles
-Exemple : Enregistrement dans l’hippocampe des “place cells” qui déchargent quand l’animal est dans un certain endroit dans l’environnement

48
Q

Expliquez ce qu’est la technologie d’électrodes : Réseaux d’électrodes fabriqués en silicium

A

-Implantés et utilisés pour des enregistrements chroniques
-Permettent un grand nombre de sites d’enregistrement
-Bonne stabilité mécanique

49
Q

Quels sont les 2 types de réseaux d’électrodes fabriqués en silicium?

A

-Réseaux à haute densité (e.g. “Utah array”)
-Sonde multisite (e.g. “Michigan probe)

50
Q

Expliquez le Utah array

A

Bloc de silicium gravé pour former un réseau d’aiguilles (environ 1-1.5mm de long)
Pointes enduites de platine (résistance 100-500 kG)
Permet une haute densité de sites d’enregistrement

51
Q

Expliquez le Michigan probe

A

Sonde en silicium avec du métal déposé pour former des sites d’enregistrement
Électrodes avec une surface de 1-50 um2 (0.1 MG à 1 MG)
Permet des enregistrements chroniques à différentes profondeurs

51
Q

Donnez des exemples de la technologie d’électrodes : Réseaux d’électrodes mobiles

A

Système microdescendeur “Gray Matter”
Plexon U-probe
Neuropixels probe

52
Q

Quelles sont les étapes pour détecter et classifier les potentiels d’action?

A

1- Filtrage :
Extraire la portion du signal extracellulaire liée aux potentiels d’action (e.g. 100Hz-10kHz)

2- Détection des potentiels :
Seuil pour identifier les décharges

3- Extraction des caractéristiques :
Discrimination des potentiels d’action selon un sous-groupe de caractéristiques (ex., différences dans la forme du potentiel) :
Placer des fenêtres
Définir un patron (“template”)
Une technique quantitative “Analyse en composantes principales” est souvent utilisée pour définir un sous-groupe réduit de caractéristiques qui sont les “plus différentes” (variance maximale)

4- “Clustering” :
Définir différents groupes ou “clusters” qui correspondent aux décharges de différents neurones

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