Tesis sobre el tema "Neural activity recording"
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Azin, Meysam. "A Battery-Powered Multichannel Microsystem for Activity-Dependent Intracortical Microstimulation". Case Western Reserve University School of Graduate Studies / OhioLINK, 2011. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=case1298389278.
Texto completoKostick, Nathan H. "Novel Carbon-Nanotube Based Neural Interface for Chronic Recording of Glossopharyngeal Nerve Activity". Case Western Reserve University School of Graduate Studies / OhioLINK, 2018. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=case1517920588275806.
Texto completoRioult-Pedotti, Marc Guy. "Optical multisite recording of neural activity patterns in organotypic spinal cord tissue cultures /". [S.l.] : [s.n.], 1991. http://e-collection.ethbib.ethz.ch/show?type=diss&nr=9393.
Texto completoYang, Calvin Tseng. "Recording locomotor neural ensemble activity using 3-D microprobe arrays and the development of a flexible planar array for recording spinal small-field cord-dorsum potentials". Diss., Restricted to subscribing institutions, 2008. http://proquest.umi.com/pqdweb?did=1666917911&sid=1&Fmt=2&clientId=1564&RQT=309&VName=PQD.
Texto completoSuciu, Diana J. "NEURAL ACTIVITY WITHIN SOLID BREAST TUMORS AND THE IMPLICATIONS ON METASTASIS". Case Western Reserve University School of Graduate Studies / OhioLINK, 2018. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=case1528117273992639.
Texto completoYoungstrom, Isaac. "Assessing Neural Function in Behaving Rodents Using Virtual Reality and Intracellular Recording: Modulation of Olfactory Bulb Interneuron Subthreshold Activity by Respiration". Case Western Reserve University School of Graduate Studies / OhioLINK, 2015. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=case1433520980.
Texto completoLago, Nicolò. "Characterization and modelling of organic devices for simultaneous stimulation and recording of cellular electrical activity with Reference-Less Electrolyte-Gated Organic Field-Effect Transistors". Doctoral thesis, Università degli studi di Padova, 2018. http://hdl.handle.net/11577/3426781.
Texto completoLo studio delle malattie neuronali e neuro-degenerative richiede lo sviluppo di nuovi strumenti e tecnologie per creare dispositivi neuro-elettronici funzionali che consentano sia la stimolazione che la registrazione dell'attività elettrica cellulare. Nell'ultimo decennio l'elettronica organica sta emergendo nel campo della bioelettronica e diversi gruppi di ricerca hanno iniziato a sviluppare interfacce neurali basate su semiconduttori organici. L'interesse per tali tecnologie deriva dalle proprietà intrinseche dei materiali organici quali basso costo, trasparenza, morbidezza e flessibilità, nonché la biocompatibilità e l'idoneità nella realizzazione di sistemi stampati completamente organici. In particolare, i biosensori basati sulla tecnologia a transistor ad effetto campo organico (OFET) integrano il sensing e l'amplificazione del segnale in un singolo dispositivo, aprendo la strada a nuove interfacce neurali impiantabili per applicazioni in vivo. Per padroneggiare le proprietà di rilevamento e amplificazione dei sensori basati su OFET, è obbligatorio acquisire una conoscenza approfondita dei singoli transistor (senza la presenza di analiti e/o cellule) che vadano oltre le caratterizzazioni di base o modelli generali. Inoltre, i transistor organici sono caratterizzati da diversi principi di funzionamento e diverse proprietà rispetto alla loro controparte inorganica. In questo lavoro abbiamo svolto caratterizzazioni impulsate e transienti su diversi OFET (sia di tipo p che di tipo n) mostrando che, anche se i transistor possono accendersi e spegnersi molto velocemente, l'accumulo e/o lo svuotamento del canale conduttivo continua per tempi che possono superare le decine di secondi. Tale fenomeno deve essere attentamente considerato nella realizzazione di un biosensore e nelle sue applicazioni, poiché il punto operativo DC del dispositivo può andare alla deriva durante la registrazione dei segnali cellulari, alterando così i dati raccolti. Questo fenomeno viene ulteriormente approfondito caratterizzano i dispositivi a diverse temperature e per mezzo della tecnica DLTS. Abbiamo dimostrato che il lento accumulo (e svuotamento) del canale è dovuto alla densità di stati del semiconduttore organico che devono poter essere occupati per portare il livello energetico di Fermi vicino alla banda di conduzione. Questo è un fenomeno che può richiedere diversi secondi che possiamo descrivere introducendo una mobilità dipendente dal tempo. Per comprendere i processi di trasduzione elettrochimica tra cellule viventi ed il biosensore organico, abbiamo realizzato una struttura a due elettrodi (STACK) in cui una goccia di soluzione salina viene messa direttamente a contatto con il semiconduttore organico. Su questi dispositivi, abbiamo eseguito la spettroscopia di impedenza elettrochimica a diverse polarizzazioni DC e abbiamo sviluppato un modello circuitale equivalente per le strutture metallo/semiconduttore organico/soluzione che vengono tipicamente utilizzate per la realizzazione di bio-trasduttori. Il nostro approccio prevede di estendere il range standard delle tensioni operative per questo genere di dispositivi. Ciò ha permesso di investigare e distinguere i diversi fenomeni che si verificano nei diversi strati e interfacce: adsorbimento di ioni nel semiconduttore; accumulo e scambio di cariche di portanti all'interfaccia semiconduttore/elettrolita; percolazione delle specie ioniche attraverso il semiconduttore organico; diffusione di ioni attraverso l'elettrolita; adsorbimento di ioni e scambio di carica all'interfaccia col metallo. Abbiamo evidenziato la presenza di percolazione ionica attraverso lo strato di semiconduttore organico, che è descritto nel modello circuitale per mezzo di un'impedenza di de Levie. La presenza di percolazione è stata dimostrata mediante microscopia elettronica a scansione ambientale e analisi profilometrica. Sebbene la percolazione sia molto più evidente a valori di bias negativi elevati, risulta presente anche a basse condizioni di bias. L'ottimo accordo tra il modello e i dati sperimentali rende il modello un valido strumento per studiare i meccanismi di trasduzione tra film organici e l'ambiente fisiologico. Quindi questo modello può essere uno strumento utile non solo per la caratterizzazione e l'analisi dei guasti dei dispositivi elettronici, come water-gated transistor, interfacce elettrofisiologiche, celle a combustibile e altri sistemi elettrochimici, ma anche nel caso in cui una soluzione è in intimo contatto con un altro materiale per determinare e/o quantificare se si verificano meccanismi indesiderati come percolazione e/o processi corrosivi. Infine, il bagaglio di conoscenze ottenuto studiando i dispositivi OFET e STACK è stato messo utillizato per realizzare dispositivi EGOFET. Abbiamo quindi sviluppato un modello per descrivere gli EGOFET come interfacce neurali. Abbiamo dimostrato che il nostro modello può essere applicato con successo per comprendere il comportamento di una classe più generale di dispositivi, compresi i transistor sia organici che inorganici. Abbiamo introdotto l'RL-EGOFET (reference-less EGOFET) e abbiamo dimostrato che questa struttura può essere utilizzata con successo come interfaccia neurale flessibile per il recording extracellulare in vivo senza la necessità di un elettrodo di riferimento, rendendo l'impianto meno invasivo e più facile da usare. I nostri risultati aprono la strada all'utilizzo e all'ottimizzazione di EGOFET e RL-EGOFET come interfacce neurali.
Shimizu, Tomoko. "Effect of electrical stimulation of the infralimbic and prelimbic cortices on anxiolytic-like behavior of rats during the elevated plus-maze test, with particular reference to multiunit recording of the behavior-associated neural activity". Kyoto University, 2018. http://hdl.handle.net/2433/235988.
Texto completoMitelut, Catalin C. "Characterizing single neuron activity patterns and dynamics using multi-scale spontaneous neuronal activity recordings of cat and mouse cortex". Thesis, University of British Columbia, 2017. http://hdl.handle.net/2429/63570.
Texto completoMedicine, Faculty of
Graduate
Peterson, Kristopher David. "Development of a micro recording probe for measurements of neuronal activity in freely moving animals". Thesis, Imperial College London, 2010. http://hdl.handle.net/10044/1/6347.
Texto completoMUZZI, LORENZO. "Development of engineered human-derived brain-on-a-chip models for electrophysiological recording". Doctoral thesis, Università degli studi di Genova, 2022. http://hdl.handle.net/11567/1091007.
Texto completoGorana, Mijatović. "Dekompozicija neuralne aktivnosti: model za empirijsku karakterizaciju inter-spajk intervala". Phd thesis, Univerzitet u Novom Sadu, Fakultet tehničkih nauka u Novom Sadu, 2018. https://www.cris.uns.ac.rs/record.jsf?recordId=107498&source=NDLTD&language=en.
Texto completoThe advances in extracellular neural recording techniquesresult in big data volumes that necessitate fast,reliable, and automatic identification of statisticallysimilar units. This study proposes a single frameworkyielding a compact set of probabilistic descriptors thatcharacterise the firing patterns of a single unit. Probabilisticfeatures are estimated from an inter-spikeintervaltime series, without assumptions about the firing distribution or the stationarity. The first level of proposedfiring patterns decomposition divides the inter-spikeintervals into bursting, moderate and idle firing modes,yielding a coarse feature set. The second level identifiesthe successive bursting spikes, or the spiking acceleration/deceleration in the moderate firing mode, yieldinga refined feature set. The features are estimated fromsimulated data and from experimental recordings fromthe lateral prefrontal cortex in awake, behaving rhesusmonkeys. An effcient and stable partitioning of neuralunits is provided by the ensemble evidence accumulationclustering. The possibility of selecting the number ofclusters and choosing among coarse and refined featuresets provides an opportunity to explore and comparedifferent data partitions. The estimation of features, ifapplied to a single unit, can serve as a tool for the firinganalysis, observing either overall spiking activity or theperiods of interest in trial-to-trial recordings. If applied tomassively parallel recordings, it additionally serves as aninput to the clustering procedure, with the potential tocompare the functional properties of various brainstructures and to link the types of neural cells to theparticular behavioural states.
Allerborn, Marina. "Recent and remote episodic-like memory : characteristics and circuits : approach via multi-site recordings of oscillatory activity in rat hippocampal and cortical brain regions". Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSE1207.
Texto completoEpisodic memory, our capacity to recollect particular life episodes, has been initially defined in terms of the information it contains, what kind of event, where and in which context/when did it take place. Pioneering studies on food-caching birds have demonstrated that animals are also able to form such complex memories, referred to as episodic-like memories in animals, however its modelling in rodents has proved challenging. The aim of this thesis was twofold: further development and validation in rats of a new episodic-like memory paradigm and study of neural circuits involved in formation and retrieval of this particular memory. The first part of the thesis presents the original behavioral paradigm developed in our group. In our task we tried to minimize training procedure in order to preserve the nature of episodic memory which is the memory for unique life episodes. Hereby rats were exposed to two different episodes, during which unique odor-place combinations (“what and where” information) were presented in different enriched multisensory contexts (“in which context” information). We found that some rats (“ww” group) were indeed able to form episodic-like memory associations which can be recalled after short (24 h) and long delays (24 days) in different experimental situations, while other animals (“rest” group) remembered only parts of the information contained in the initial episodes. Using pharmacological inactivation of dorsal hippocampus we have demonstrated that hippocampus is required specifically for retrieval of associated episodic-like memory information, but not for retrieval of single elements of the presented episodes in our task. In an extended version of the protocol in which rats were exposed to two additional episodes we found that previously acquired experience of the rats facilitates the encoding of new episodes and that the memory of these new episodes is more stable. The second part of the manuscript presents the first approach to study neural circuits involved in episodic-like memory encoding and retrieval in our task. Electrophysiological methodology was based on local field potential recordings obtained in parallel in several brain regions in behaving animals. The network of structures investigated included olfactory neocortical brain areas, brain regions in lateral and medial prefrontal cortex and the dorsal and ventral part of the hippocampus. The analysis was based on the estimation of magnitude of the oscillatory activity (described as power changes) in theta and beta frequency bands using Hilbert and Morlet wavelet transform for the analyses. The power analysis evolved around odor sampling event which constituted the last piece of information required for recollection of the whole episodic-like memory association. The odor-induced changes in power were compared between “ww” and “rest” animals in different experimental situations. We found that the network of activated brain regions in beta frequency band differed as a function of the memory profile of the rats (complete episodic-like memory recollection versus remembering partial information of the episodes) during both memory encoding as well as retrieval. We have also demonstrated that this active network changes when memory becomes consolidated (recent versus remote memory). Additionally we have shown that the activity in the network depends on the type of the response (hit versus correct rejection) given by the rat during memory encoding and retrieval. The network of brain regions that showed changes in theta power during memory formation and retrieval differed strongly from beta band network. In contrast to beta, the memory profile effect was much less prominent for theta band. However similarly to beta, there were also significant changes in network depending on the encoding session and the age of memory at test
Cecchetto, Claudia. "Neuronal Population Encoding of Sensory Information in the Rat Barrel Cortex: Local Field Potential Recording and Characterization by an Innovative High-Resolution Brain-Chip Interface". Doctoral thesis, Università degli studi di Padova, 2016. http://hdl.handle.net/11577/3424482.
Texto completoLe reti neuronali sono alla base della codifica dell'informazione cerebrale. L'obiettivo principale dello studio delle popolazioni neuronali è quello di caratterizzare la relazione tra uno stimolo e la risposta individuale o globale dei neuroni e di studiare il rapporto tra le varie attività elettriche dei neuroni appartenenti ad una particolare rete, comprendendo anche come la topologia e la connettività della rete neuronale influiscano sulla loro funzionalità. Fino ad oggi, molte tecniche sono state sviluppate per studiare questi sistemi complessi: studi a singola cellula mirano a studiare singoli neuroni e le loro connessioni con un numero limitato di altre cellule; sul lato opposto, approcci su larga scala e a bassa risoluzione, come la risonanza magnetica funzionale o l'elettroencefalogramma, registrano segnali elettrofisiologici generati nel cervello da vaste popolazioni di cellule. Più recentemente, sono state sviluppate tecniche di registrazione multisito che mirano ad abbattere le limitazioni dei precedenti approcci, rendendo possibile la misurazione ad alta risoluzione di segnali generati da grandi ensamble neuronali e da diverse regioni del cervello simultaneamente, ad esempio mediante l'uso di chip impiantabili a semiconduttore. I potenziali di campo locali (LFP) catturano processi sinaptici chiave che non possono essere estratti dall'attività di spiking di qualche neurone isolato. Numerosi studi hanno utilizzato gli LFP per studiare i meccanismi corticali coinvolti nei processi sensoriali, motori e cognitivi, come la memoria e la percezione. Gli LFP rappresentano anche dei segnali interessanti nell'ambito delle applicazioni neuroprotesiche e per monitorare l'attività cerebrale negli esseri umani, dal momento che possono essere registrati più stabilmente e facilmente in impianti cronici rispetto agli spike neuronali. In questo studio, sono riportati dei profili LFP registrati dalla barrel cortex di ratto tramite chip ad ago ad alta risoluzione basati su tecnologia CMOS e confrontati con quelli ottenuti tramite elettrodi convenzionali in Ag/AgCl inseriti in micropipette di vetro, strumenti comunemente usati in elettrofisiologia. La barrel cortex di ratto è un esempio ben noto di mapping topografico, nel quale ogni baffo sul muso dell'animale è mappato in una specifica area corticale, chiamata barrel. La barrel cortex contiene la rappresentazione sensoriale dei baffi dell'animale e rappresenta uno dei primi stadi di elaborazione dell'informazione tattile, insieme al ganglio del trigemino e al talamo. Essa è un'area di primaria importanza per lo studio del funzionamento della corteccia cerebrale, visto che le colonne corticali che formano i blocchi di base della neocorteccia possono essere visualizzati facilmente all'interno della barrel cortex. La barrel cortex inoltre è utilizzata come sistema di test in numerose metodologie innovative, grazie alla sua struttura unica ed istantaneamente identificabile, e grazie anche al fatto che le specie dotate di barrel, i roditori, sono gli animali da laboratorio più comuni. La barrel cortex e le sue interconnessioni neuronali sono stati oggetto delle ricerche più disparate in questi ultimi decenni. Attualmente, alcuni studi (come questo) non mirano solamente a comprendere meglio la barrel cortex, ma anche ad analizzare problematiche in campi scientifici collegati, utilizzando la barrel cortex come modello base. In questo lavoro, sono stati evocati segnali LFP nella barrel cortex tramite deflessioni ripetute dei baffi dell'animale, realizzate in modo controllato tramite un sistema di deflessione piezoelettrica a closed-loop innescato da un sistema di acquisizione LabView. Le risposte evocate generate nella barrel dalla stimolazione ripetuta dei baffi presentano elevata variabilità nella forma e nelle latenze temporali. Inoltre, il tipo di anestesia utilizzata può influenzare profondamente il profilo della risposta evocata. Questo studio riporta i risultati preliminari sulla variabilità della risposta neuronale e sull'effetto di due anestetici di uso comune su questi segnali, confrontando le distribuzioni delle risposte evocate in ratti anestetizzati con tiletamina-xylazina (il quale agisce prevalentemente sui recettori eccitatori di tipo NMDA) e uretano (che agisce in modo più bilanciato e complesso su entrambi i sistemi eccitatori ed inibitori, preservando la plasticità sinaptica). Sono state analizzate e discusse alcune caratteristiche rappresentative del segnale evocato (ad esempio, le latenze temporali e l'ampiezza degli eventi), registrato a varie profondità corticali. Per tutte le prondità corticali acquisite, sono state stimate le distribuzioni statistiche di tali parametri, in modo da valutare la variabilità degli LFP evocati dalle stimolazioni meccaniche individuali delle vibrisse del ratto lungo l'intera colonna corticale. I primi risultati presentano una grande variabilità nelle risposte corticali, sia in latenza che in ampiezza. Inoltre, è stata riscontrata una differenza significativa nella latenza del primo picco principale delle risposte evocate: gli LFP evocati in animali anestetizzati con tiletamina-xylazina presentavano una latenza più lunga di quelli registrati in ratti anestetizzati con uretano. Inoltre, le distribuzioni dei parametri analizzati erano più strette e piccate in uretano, in corrispondenza di tutte le profondità corticali. Questo comportamento è sicuramente da attribuire al differente meccanismo d'azione dei due anestetici su specifici recettori sinaptici, e quindi nell'elaborazione e nella trasmissione dell'informazione sensoriale lungo tutto il percorso corticale. E' stato inoltre discusso il ruolo della attività basale nella modulazione della risposta evocata. A questo proposito, è stata registrata l'attività spontanea in corrispondenza dei vari layer corticali ed analizzata nel contesto statistico delle 'valanghe neuronali'. Una valanga neuronale è una cascata di attività elettrica in una rete neuronale, la cui distribuzione statistica dei parametri principali (dimensione e vita media) può essere approssimata da una legge di potenza. La distribuzione delle dimensioni di una valanga in una rete neuronale segue una legge di potenza del tipo P(s)=s^-a, con a=1.5. Tale esponente è un riflesso delle correlazioni spaziali a lungo raggio nell'attività neuronale spontanea. Dal momento che i picchi negativi (nLFPs) nelle tracce elettrofisiologiche originano dalla somma di potenziali d'azione sincronizzati generati da neuroni posti nelle vicinanze dell'elettrodo di registrazione, ci siamo chiesti se fosse possibile modellizare i singoli nLFP registrati nell'attività basale tramite un singolo elettrodo come il risultato di valanghe neuronali locali. Pertanto, abbiamo analizzato la distribuzione della dimensione (cioè l'ampiezza in uV) di tali picchi, in modo da identificare una distribuzione power-law appropriata, che potesse descrivere anche le registrazioni a singolo elettrodo. Infine, sono presentate e discusse le prime registrazioni in assoluto degli LFP evocati lungo un'intera colonna corticale ottenute tramite l'ultima generazione di chip impiantabili a tecnologia CMOS. Questi ultimi presentano una matrice di 256 siti di registrazione, organizzata secondo due possibili topologie, 16 x 16 o 4 x 64, e avente una distanza tra gli elettrodi pari a 15 um o 33 um rispettivamente. Una precisa dinamica di propagazione dei potenziali evocati può già essere riconosciuta in questi primissimi profili corticali. Nel prossimo futuro, l'uso di questi dispositivi a semiconduttore potrà aiutare a comprendere il decorso di sindromi neurodegerative come il Parkinson o l'Alzheimer, associando sintomi e comportamenti tipo della malattia a specifiche caratteristiche neuronali. I chip impiantabili potranno anche essere utilizzati come 'electroceuticals', ossia potranno aiutare a rallentare (o addirittura a capovolgere) il decorso delle malattie neurogenerative, costituendo le basi di protesi neuronali in grado di sostenere fisicamente o allenare funzionalmente le popolazioni neuronali danneggiate. L'identificazione e il rilevamento di segnali neuronali ad alta risoluzione aiuterà anche a sviluppare complesse interfacce cervello-macchina, che consentiranno il controllo di protesi intelligenti e che forniranno sofisticati meccanismi di feedback a chi ha perso l'uso di alcune parti del proprio corpo o determinate funzioni cerebrali.
Airan, Raag Dar Deisseroth Karl Endy Andrew D. Kobilka Brian K. Malenka Robert C. "Optical techniques for integrated control and recording of neural activity". 2010. http://purl.stanford.edu/jm926bf4281.
Texto completoAmaral, Fábio Marques do. "Recording and Feedback Control of Neural Activity Levels Using Microelectrode Arrays: New Therapeutic Strategies Based on Electrostimulation". Master's thesis, 2018. https://hdl.handle.net/10216/116771.
Texto completoHuang, Yu-Chieh y 黃煜傑. "Design, Fabrication, and Verification of Neural Signal Recording System for Non-invasive and Invasive Brain Activity Monitoring". Thesis, 2017. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/00732567914543400726.
Texto completoAmaral, Fábio Marques do. "Recording and Feedback Control of Neural Activity Levels Using Microelectrode Arrays: New Therapeutic Strategies Based on Electrostimulation". Dissertação, 2018. https://repositorio-aberto.up.pt/handle/10216/116771.
Texto completo(8082824), Muhammad Abdullah Arafat. "METHOD OF THIN FLEXIBLE MICROELECTRODE INSERTION IN DEEP BRAIN REGION FOR CHRONIC NEURAL RECORDING". Thesis, 2019.
Buscar texto completoWebster, William Andrew. "AN IN VITRO MURINE MODEL TO STUDY INTESTINAL MESENTERIC AFFERENT ACTIVITY IN RESPONSE TO LUMINAL FATTY ACID STIMULI". Thesis, 2010. http://hdl.handle.net/1974/5917.
Texto completoThesis (Master, Physiology) -- Queen's University, 2010-06-29 15:56:08.387
GHEISARI, ALI. "NOVEL TOOLS FOR SIMULTANEOUS OPTOGENETIC MANIPULATION AND CALCIUM IMAGING IN THE ZEBRAFISH NERVOUS SYSTEM". Doctoral thesis, 2017. http://hdl.handle.net/2158/1091362.
Texto completoRios, Gustavo. "Nanofabricated Neural Probe System for Dense 3-D Recordings of Brain Activity". Thesis, 2016. https://thesis.library.caltech.edu/9724/1/RiosGustavo2016thesis.pdf.
Texto completoReddy, Gaddum Duemani. "A multi-photon microscope for three dimensional functional recording of fast neuronal activity". Thesis, 2007. http://hdl.handle.net/1911/20637.
Texto completoPalma, João Tiago dos Santos. "Characterization of neuronal network dynamics on microelectrode arrays: assessing the effect of temperature and the activity profile of long-term recordings". Master's thesis, 2021. https://hdl.handle.net/10216/137348.
Texto completoFitzsimmons, Nathan Andrew. "A Study of Extracting Information from Neuronal Ensemble Activity and Sending Information to the Brain Using Microstimulation in Two Experimental Models: Bipedal Locomotion in Rhesus Macaques and Instructed Reaching Movements in Owl Monkeys". Diss., 2009. http://hdl.handle.net/10161/1156.
Texto completoThe loss of the ability to walk as the result of neurological injury or disease critically impacts the mobility and everyday lifestyle of millions. The World Heath Organization (WHO) estimates that approximately 1% of the world's population needs the use of a wheelchair to assist their personal mobility. Advances in the field of brain-machine interfaces (BMIs) have recently demonstrated the feasibility of using neuroprosthetics to extract motor information from cortical ensembles for more effective control of upper-limb replacements. However, the promise of BMIs has not yet been brought to bear on the challenge of restoring the ability to walk. A future neuroprosthesis designed to restore walking would need two streams of information flowing between the user's brain and the device. First, the motor control signals would have to be extracted from the brain, allowing the robotic prosthesis to behave in the manner intended by the user. Second, and equally important would be the flow of sensory and proprioceptive information back to the user from the neuroprosthesis. Here, I contribute to the foundation of such a bi-directional brain machine interface for the restoration of walking in a series of experiments in two animal models, designed to show the feasibility of (1) extracting locomotor information from neuronal ensemble activity and (2) sending information back into the brain via cortical microstimulation.
In a set of experiments designed to investigate the extraction of locomotor parameters, I chronically recorded from ensembles of neurons in primary motor (M1) and primary somatosensory (S1) cortices in two adult female rhesus macaques as they walked bipedally, at various speeds, both forward and backward on a custom treadmill. For these experiments, rhesus monkeys were suitable because of their ability to walk bipedally in a naturalistic manner with training. I demonstrate that the kinematics of bipedal walking in rhesus macaques can be extracted from neuronal ensemble recordings, both offline and in real-time. The activity of hundreds of neurons was processed by a series of linear decoders to extract accurate predictions of leg joints in three dimensional space, as well as leg muscle electromyograms (EMGs). Using a multi-layered switching model allowed us to achieve increased extraction accuracy by segregating different behavioral modes of walking.
In a second set of experiments designed to investigate the usage of microstimulation as a potential artificial sensory channel, I instructed two adult female Aotus trivirgatus (owl monkeys) about the location of a hidden food reward using a series of cortical microstimulation patterns delivered to primary somatosensory (S1) cortex. The owl monkeys discriminated these microstimulation patterns and used them to guide reaching movements to one of two targets. Here, owl monkeys were used which were previously implanted with electrode arrays of high longevity and stability. These monkeys were previously trained on a somatosensory cued task, which allowed a quick transition to microstimulation cueing. The owl monkeys learned to interpret microstimulation patterns, and their skill and speed of learning new patterns improved over several months. Additionally, neuronal activity recorded on non-stimulated electrodes in motor (M1), premotor (PMD) and posterior parietal (PP) cortices allowed us to examine the immediate neural responses to single biphasic stimulation pulses as well as overall responses to the spatiotemporal pattern. Using this recorded neuronal activity, I showed the efficacy of several linear classification algorithms during microstimulation.
These results demonstrate that locomotor kinematic parameters can be accurately decoded from the activity of neuronal ensembles, that multichannel microstimulation is a viable information channel for sensorized prosthetics, and that the technical limitations of combining these techniques can be overcome. I propose that bi-directional BMIs integrating these techniques will one day restore the ability to walk to severely paralyzed patients.
Dissertation