TD驱动器：一种用于清醒及睡眠大鼠多脑区电生理记录的参数化开源植入装置

摘要

本文介绍了一种专为大鼠设计的独特可3D打印植入物，名为TD Drive，能够实现对称的双侧导线电极记录，目前可同时记录多达十个分布于全脑的脑区。

摘要

大脑的大多数功能依赖于多个脑区之间的复杂相互作用。学习过程以及记忆的形成与巩固便是两个典型例子，它们在很大程度上依赖于全脑范围内的功能连接。此外，研究大脑半球间的相似性和/或差异性也与这些多脑区相互作用密切相关。因此，旨在进一步阐明这些复杂过程的电生理学研究，通常需要同时在多个脑区、且常常以双侧对称的方式记录脑活动。本文介绍一种适用于大鼠的3D打印可植入装置，名为TD Drive，能够实现对称的双侧导线电极记录，目前可同时覆盖多达十个分布于不同位置的脑区。该开源设计采用参数化设计原则构建，使潜在使用者仅需调整记录电极位置的前后向和内外侧坐标等高层参数，即可轻松根据自身需求修改驱动器设计。该植入装置的设计已在n = 20只Lister Hooded大鼠中进行了验证，这些大鼠执行了不同的行为任务。该装置适用于有线睡眠记录和开放场记录（物体探索），也可结合两种不同的商用记录系统和前置放大器，在大型迷宫中进行无线记录。因此，本文展示了一种可灵活调整的新一代电生理植入装置的设计与组装方法，有助于加快制备与植入过程。

引言

清醒和睡眠期间大脑相互作用具有多区域特性，这使得对持续生理过程进行全面研究变得困难。尽管功能磁共振成像（fMRI）和功能超声成像（fUS）等方法能够对全脑的脑活动进行采样^1,2，但这些技术依赖神经血管耦合，通过血流动力学活动间接推断脑活动，从而限制了其时间分辨率²。此外，fMRI要求将受试者置于MRI扫描仪中，无法用于自由活动动物的实验。利用单光子或双光子成像技术对钙动力学进行光学成像，可同时记录数百个神经元的细胞类型特异性活动³。然而，诸如Miniscope³等头戴式显微镜虽然支持动物自由活动，通常仅限于对完整大脑的浅层皮层区域进行成像⁴。尽管其在皮层上的视场直径可达约1 mm，但这些头戴式显微镜的空间占用可能使得同时靶向多个区域（尤其是相邻区域）变得困难。因此，为了准确捕捉清醒和睡眠状态下的多区域脑动态，植入目标脑区电极的细胞外电生理记录成为首选方法之一，因其具有高时间分辨率和空间精确性⁵。此外，该方法可用于表征与人类脑电图（EEG）分析结果相兼容的睡眠动态，从而提升该方法的转化应用价值⁶。

方案

本研究经荷兰中央动物实验委员会（CCD）批准，并依据《动物实验法》进行（方案编号：2020-0020-006 和 2020-0020-010）。实验使用到达时年龄为 9–12 周的雄性 Lister Hooded 大鼠。本方案中所用试剂和设备详见材料表。驱动构建过程的步骤参见补充图 1和补充图 2。

1. 调整和创建三维模型及电极接口板（EIB）数据

1. 在 Autodesk Fusion 中打开驱动体设计。在 修改 选项卡下点击 更改参数。通过在 anteroPosteriorSite1 中输入前后坐标、在 medioLateralSite1 中输入内外侧坐标，来调整第一个记录位置的坐标。可通过调整 diameterSite1 来修改导管或电极孔的直径。对记录位置 2 和 3 重复上述操作，模型设计将自动更新。
   注意：本方案中使用的三个记录位置分别为海马（HPC），包含可移动的导线束；以及前额叶（PFC）和压后皮层（RSC），二者均使用固定导线束（PFC 导线束同时靶向内侧前额叶皮层（PRL）和前扣带皮层（ACC））。表 1

结果

根据方案中提供的说明，多位实验人员均可轻松构建 TD Drive。在完成驱动器开发（n = 4）后，使用8只动物开展了完整的预实验。另有一批8只动物接受了植入手术，并进行了实验数据采集。由于这些动物的数据分析尚未完成，因此仅将其纳入生存分析，而未纳入其他分析（如靶向性或组织学分析）。植入手术在动物到达后2周进行（见 图3A 用于初步实验的目标位置）。植入手术采用常规外科手术方法进行，持续时间约为3小时。由一名经验丰富的外科医生完成初期植入，并可指导有经验及无经验的研究人员，经过2-3次手术后即可独立操作。

讨论

本文介绍了一种可调节的植入装置，可用于自由活动大鼠的双侧对称多区域金属丝电极记录。

通过更改预设参数来轻松调整植入体是TD Drive设计的动机之一。在力求最大化参数调整灵活性的同时，参数之间固有的相互关系必然会对这种适应性施加一定的限制。默认情况下，前后方向的参数不设限制，这些坐标由各记录位点之间的逻辑相互作用以及驱动体的整体尺寸决定。所有记录位点的内外侧坐标参数则受到手动设定的限制（见表1）。在众多参数选项背后，存在大量设计特征之间的相互作用。这些相互作用在某些条件下可能会变得不协调。理想情况下，所有可能的参数值组合都应是有效的。然而，考虑到TD Drive更为复杂的设计，决定将内外侧坐标限制在已测试的范围内。原则上，选择超出测试范围的坐标是可行的。但不建议进行此类更改，因为这可能导致设计完整性受损，且在保持超出限制的坐标的同时恢复设计完整性可能需要CAD建模经验。这是驱动体生产便捷性与灵活性之间权衡的固有结果——更大的自由度确实会使驱动体的参数定义更加复杂，并可能导致过于精细且不符合预期的结果（例如，驱动体设计的微小变化即需制作不同的EIB）.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
0.5 mm 钻头	麦克马斯特	2951A38
1.27 mm 间距互连 SIP/DIP 插座（Mill-Max）	Mouser 电子	575-003101	用于脑电图的组装与连接 &和 GND 螺丝
5分钟环氧树脂	野牛	市售的	普通市售环氧树脂
氰基丙烯酸酯胶水	Loctite		超级胶水-3
脑电图导线	Science Products GmbH	7SS-2T
电极导线	Science Products GmbH	NC7620F
乙醇	LC		用于驱动装置的标准术前消毒程序
精细镊子（5）	FST	91150-20	用于线束的制备与操作
表 3B	Formlabs		使用3D打印机打印TD驱动器的自打印部件
金针（小型）	Neuralynx, Inc.	9885	将电极导线连接至EIB板
接地线	Science Products GmbH	SS-3T/A
高密度连接器	LabMaker GmbH/Omnetics	A79026-001
Lister Hoded大鼠	查尔斯河实验室	Crl:LIS	我们使用了到达时年龄为9至12周的雄性大鼠
M1 黄铜嵌件	速卖通	市售的	https://aliexpress.com/item/33047616164.html
M1 螺纹孔	麦克马斯特	2504A33
M1x16 螺钉	Bossard	1096613
M1x3 不锈钢螺钉	螺钉及其他配件	84213_14985
M2.5×5 聚酰亚胺螺钉	螺钉及其他部件	7985PA25S_50
矿物油	麦克马斯特	1244K14
指甲油	埃托斯	市售的	用于对脑电图（EEG）和接地（GND）导线进行颜色编码
美纹纸胶带	伽马	市售的	用于线束制备
手摇钻夹	麦克马斯特	8455A16
绘图纸	坎松	市售的	用于线束制备
聚酰亚胺管	亚马逊 / 小部件	TWPT-0159-30-50	AWG，0.0159" ID，0.0219" OD，0.0030" 壁，30" 长度
RHD 32通道头部固定装置，带加速度计	Intan Technologies, LLC	C3324	在睡眠箱中进行固定记录
RHD 3英尺（0.9米）标准SPI电缆	Intan Technologies, LLC	C3203	从换向器到前置放大器
RHD 6 英尺（1.8 米）标准 SPI 电缆	Intan Technologies, LLC	C3206	从 OpenEphys 盒到换向器
带法兰滑环	Adafruit	1196	换向器：直径22 mm，12根导线
焊剂	Griffon S-39 50 ml	市售的	用于脑电图焊接 & GND 螺丝
焊锡膏	亚马逊	B08CBZ5HC5
不锈钢M2螺母	麦克马斯特	93935A305
拴系式记录装置	OpenEphys	采集板
无线记录仪	SpikeGadgets	miniLogger 32	用于任务中的无线记录
无线记录装置	SpikeGadgets	主控单元（MCU），包括分线板和射频收发器	用于任务中的无线记录