Computerunterstützung für die moderne Neurowissenschaft

Der kürzlich entwickelte Neural Signal Manager (NSM) ist ein flexibles, höchst anpassungsfähiges Softwaretool zur Erfassung, Analyse und Charakterisierung neuronaler elektrophysiologischer Signale. Das Tool kann zur eingehenden Untersuchung von neuronalen Codes eingesetzt werden und könnte Neurowissenschaftler wesentlich dabei unterstützen, die Funktionsweise neuronaler Netze zu verstehen.

Um die Neurodynamik zu analysieren, nutzen Wissenschaftler in der Regel vereinfachte zweidimensionale neurobiologische Systeme aus ex-vivo gezüchteten neuronalen Netzen. Diese neurobiologischen Modelle ermöglichen die quantitative Charakterisierung wichtiger kollektiver und funktionaler elektrophysiologischer Merkmale.

Eine der bedeutendsten Versuchsmethoden zur Langzeitanalyse der Dynamik von umfassenden neuronalen Netzen nutzt Multielektrodenarrays (MEAs), die mit In-vitro-Neuronenpopulationen verbunden sind. Mit diesem Verfahren erfolgt die Aufzeichnung der elektrophysiologischen Dynamik extrazellulär, d.h. außerhalb von lebendem Gewebe und ohne Zerstörung von Neuronen. Deshalb kann die Aufzeichnung und elektrische Stimulation auf mehrere Tage ausgedehnt werden.

In Verbindung mit einem MEA1060 Umwandlersystem bietet das entwickelte nutzerfreundliche Softwaretool verbesserte Erfassungs- und Analysemöglichkeiten für Echtzeit-Daten. Es beinhaltet eine Windows-gestützte Client/Server-Anwendung, die speziell für die In-vitro-Analyse neuronaler Netze entwickelt wurde. Die Software umfasst drei Schlüsselkomponenten: eine grafische Benutzerschnittstelle (Graphical User Interface GUI), Erfassung (Acquisition ACQ) und Nachbearbeitung (Post-Processing PP).

Die GUI bestimmt wichtige Parameter für die Konfiguration der experimentellen Untersuchung. Die ACQ-Komponente ist für das Echtzeit-Sampling und die Speicherung der elektrophysiologischen Signale direkt auf der Festplatte verantwortlich. Die PP-Komponente schließlich erkennt Spitzen, speichert deren Scheitelpunkte und bietet so Informationen in Form von Spitzen-Zeitstempeln und Spitzen-Peak-to-Peak-Amplituden geliefert.

Zusätzlich dazu kann die Software die in der Neurowissenschaft am häufigsten verwendeten Algorithmen implementieren. Dazu gehören Histogramme des Inter-Spike- Intervalls, des Joint-Inter-Spike-Intervalls, der Post-Stimulus-Zeit und des Inter-Burst-Intervalls sowie Joint-Inter-Burst und Cross-Conditional-Inter-Burst Histogramme. Die verwendeten zuverlässigen und exakten mathematischen Methoden und Algorithmen ermöglichen die Extraktion global durchschnittlicher Verhaltensweisen aus simultan aufgezeichneten Signalen aus Multiplexkanälen.

Die Neuheit dieses Softwaretools basiert auf der einfachen Handhabung von langfristigen Multikanal-Aufzeichnungssignalen mit Echtzeit-Zeitstempelung der Ereignisse. Darüber hinaus ist die Signalverarbeitung weniger zeitaufwändig, was wiederum die vollständige dynamische Charakterisierung des neuronalen Netzes auf der Ebene von Makro- als auch Mikrovariablen ermöglicht.

Da sich das Tool für schnelle pharmakologische In-vitro-Vergleichstests eignet, besteht Interesse an Lizenzabkommen mit elektrophysiologischen und neurotechnischen Labors als auch mit pharmazeutischen Unternehmen.

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Claudia Magnaguagno
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