作者:
Robert Arias - Wyeth Neuroscience
行业:
生命科学, 科研, 医学/ 医疗器械
生命科学, 科研, 医学/ 医疗器械
产品:
NI-DAQmx, LabVIEW, PCI-6229, 软件
NI-DAQmx, LabVIEW, PCI-6229, 软件
挑战:
从多个脑片自动生成突触生理学数据，支持神经学的药物开发。
从多个脑片自动生成突触生理学数据，支持神经学的药物开发。
解决方案:
应用NI硬件和软件开发灵活、强大而易于使用的系统，帮助更方便地设计、执行和分析可以激发体外脑片的刺激诱发电位实验
应用NI硬件和软件开发灵活、强大而易于使用的系统，帮助更方便地设计、执行和分析可以激发体外脑片的刺激诱发电位实验
"LabVIEW不仅提供了一套完整的标准编程函数，而且还提供了一组稳固的用户界面组件。"
当前，很多药学研究都致力于神经元突触(即脑部细胞之间通信的电化联会)的治疗学方面的调节。将简单的电脉冲信号加到老鼠的体外脑片上，将诱发可重复的、特征非常明显的电压信号。我们记录并分析该信号，将其作为神经功能是否紊乱的判定线索。这种所谓的脑片场电位记录是突触生理学研究中广泛采用的一种实验方法。现在已经定义了大量的标准突触测试，每一种测试都阐明了突触功能的某些特定方面，包括突触的可塑性、学习和记忆的生理学基础等等。本质上来说，所有的突触测试都由一系列的激励-响应事件构成。在本案例中，激励就是加到某一神经元纤维束上的电流，该电流可以是单一的方波脉冲，也可以是具有特定时间模式的一组脉冲。响应就是在下游神经元区所记录到的波形。实际上，这种通用的测试框架存在无限多的实验可能性。
由于无法指定一种商业产品来实现所有必需的灵活性与功能，所以我们探求去开发一种自定义仪器。这种仪器应当具备以下特征：
- 用户界面友好，易于配置复杂的突触生理学实验设计
- 可以控制所有仿真参数，包括µA精度的激励脉冲强度和µsec精度的可塑性诱导时间模式
- 能够以一种自动化的方式，同时从多个脑片中记录数据
- 能够自动地在多个灌注方案间进行切换
- 在实验进行的时候，能够对采集波形数据进行实时的详尽分析；在分析完成后，能够迅速将结果导出为电子表格
可以采用成本低的商业可用组件完成设计鉴于其广泛的软硬件选择， NI公司的产品线在早期就被指定为开发Synaptic Explorer系统的平台。
仪器设计
因为脑片场电位记录的采样要求是相对比较适中的(每20～60s，以20kS/s的速率采样10～50ms)，所以低成本的NI M系列数据采集卡是理想的选择。另外必须考虑到每一个脑片都需要一组专用的模拟输出通道(AO，用于激励发生) 和模拟输入通道 (AI，用于响应读取) 。然后，板载触发将提供一种理想的方式来协调激励-响应事件。最后，需要数字I/O口来控制夹管阀阵列，实现药物解决方案的交流。在Windows XP操作系统的Dell Precision 340工作站中，NI PCI-6229数据采集板将为我们的仪器提供一个强大而经济实惠的基础。
NI硬件配件的性能完全满足任务需求，而该硬件与NI LabVIEW开发套件的结合，真正提供了一个完整的解决方案平台。借助于LabVIEW，我们可以方便地创建并测试各种功能算法，然后将它们作为子VI逐步地集成到整个系统中。LabVIEW不仅提供了一套完整的标准编程函数，而且还提供了一组稳固的用户界面组件。
系统操作与功能
Synaptic Explorer的用户界面组织成一种全屏的标签页控件容器 (control container) ，其四个标签页顺序排列，与典型的场电位记录实验的功能顺序相匹配。所有的标签页根据各自的四个记录通道，组织成四个水平排列的彼此类似的界面元件组。这些标签页如下：
- 设置：用户为每个记录通道的独立标签页控件设置一组参数，来设计自动化实验。4幅XY坐标图为每个通道都提供了整个实验设计的用户事件驱动显示。每个脑片可能需要独立设置50多个参数，然后将其保存，方便后续设计重载这些参数。
- 测试：该部分提供脑片场电位的手动激励记录。绘图每个脑片所最新记录的场电位，同时将累积分析结果制图。该标签页展现了典型实验中的手动步骤。实验中，用户需要仔细优化电极的位置，并监测脑片的稳定性。
- 操作：选择该标签页来开始执行在“设置”标签页中所配置的实验。有一个对话框显示了可选的待激活通道。然后，将运行该实验直至完成，一般来说这个过程要持续好几个小时。每个记录通道的其它标签控件中都有一组图表，而且这些图表中的分析结果不断更新。
- 回查：将对场电位进行分析，并且根据“设置”标签页中的参数，绘制归一化分析结果。可以在分析图上移动光标，来观察每个独立场电位。实验可以保存为LabVIEW文件，其中包含了“设置”参数以及所有相关的场电位记录。另外，分析结果可以导出为电子表格，也可以导出为独立的场电位记录波形。
Synaptic Explorer是自动化多脑片场电位记录的LabVIEW和DAQmx解决方案。它可以为Wyeth神经科学药物开发研究提供突触生理学数据，实现了一项重要的突破。实验执行的精度和数据采集存储的便捷性显著提高了日常记录量，所以数据的整体质量比以往手动系统的数据质量大有改进。
作者信息:
Robert Arias
Wyeth Neuroscience
CN 8000, Room 1513
Princeton, NJ 08536
美国
Tel: 732-274-4333
Fax: 732-274-4292
arias@wyeth.com
Robert Arias
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arias@wyeth.com
