用于体内的无线双向接口记录和刺激自由行为大鼠的神经活动
2017年11月7日
介绍了一种用于自由行为的大鼠多通道神经记录和刺激的无线双向系统。该系统是轻和紧凑, 因此对 animal´s 行为剧目的影响最小。此外, 这种双向系统提供了一个复杂的工具来评估大脑激活模式和行为之间的因果关系。
本研究的总体目标是开发一种遥测双向设备，以对行为自由的大鼠进行多通道神经记录和刺激。这种新设备可以帮助回答行为神经科学领域的关键问题，例如大脑激活模式和行为之间的因果关系。为了验证遥测系统，我们选择下丘作为目标神经结构，因为它的电刺激可以引发明显的行为反应。
众所周知，下丘的电刺激会在大鼠中引发条件性恐惧样行为反应，例如警觉性、冻结和逃跑行为。我们认为，能够引发如此清晰明确的行为将对我们的遥测系统构成真正的挑战。集成遥测系统由头部载物台、电池、接收器和在立体定位手术中植入的微电极单元组成。
这里展示的是我们开发的一个完全集成的无线系统，它由记录单个电极、四极管、刺激电极、电极光纤连接板、柔性连接电缆、接地线、连接器板、TWS 的公头或母头连接器、连接到前置放大器的 TWS 微电极单元以及用于连接到立体定位框架的支架组成。要开始此过程，请使用耳杆和上门牙杆将动物的头部固定在立体定向装置中并水平对齐。接下来，使用手术剪刀或剪刀剃除手术区域，并用聚维酮碘对头皮进行消毒。
在动物下方放置一个加热垫以防止体温过低，并用右泛醇治疗它的眼睛以防止它们干燥。然后在手术部位的中心注射 Xylocaine。然后，用手术刀做一个小切口，露出头骨。
轻轻分离皮肤并去除残留组织。接下来，使用涂有过氧化氢的棉签仔细清洁颅骨。随后，在颅骨上钻四个小的，用于固定不锈钢螺钉。
之后，在目标区域上方的颅骨上钻一个大约 7 毫米的孔，用于固定电极单元。将微电极单元和电极支架连接到连接到立体定向显微作器的前置放大器。用棉签吸收任何血液。
然后，垂直引入微电极单元，直到尖端到达目标区域。将接地电缆沿不锈钢螺钉和皮肤下放置。之后，用显微作器小心地调整电极，直到它到达目标结构中的活动神经元区域。
同时，监测尖峰活动，并使用适合尖峰排序的信噪比检测神经活动。接下来，用紫外线胶将微电极单元固定在颅骨上。用丙烯酸树脂盖住螺丝和接地线。
之后，断开微电极装置与电极支架的连接。用丙烯酸树脂覆盖接触板和小电缆。小心地从立体定向框架上取下布拉德，并断开前置放大器与微电极单元的连接。
然后连接植入的微电极装置上的帽保护装置，并仅在实验过程中断开连接。监测动物福利并每天填写评分表，直到实验结束。手术后将大鼠单独放在家笼中至少一天，以便恢复，然后将大鼠成对饲养。
单个笼子应用高丙烯酸盖覆盖。避免使用由金属网格制成的传统盖子，因为植入物会随着时间的推移而卡住并损坏或不稳定。打开 TWS 软件并将收发器连接到计算机的 USB 端口。
收发器可以放置在动物上方 5 米的范围内。一旦收发器和动物头部阶段之间没有引入金属屏障，TWS 就可以适用于广泛的行为任务。将电池连接到 Head Stage 的顶部。
确保在连接电池时头部级中的绿灯亮起。然后将头部平台直接连接到植入的微电极。作为示例行为测试，我们使用 open field 来测量一般行为活动和 elevated plus 迷宫，这是一种评估大鼠焦虑样行为的标准测试。
对于旷场测定，将大鼠置于旷场的中心。让大鼠探索设备至少五分钟。按下连接按钮，将主机与遥测系统连接起来。
状态应从 offline 更改为 online。选择 stimulus parameter 设置菜单。根据您的刺激实验选择刺激发生器参数。
例如，脉冲幅度 1、脉冲幅度 2、脉冲频率和训练频率。如果所有刺激参数都设置为所需的值，请将鼠标移动到 Stimulus Start（刺激开始）并按下 Stimulus Start（刺激开始）按钮。将鼠标指针移动到 Graph Start Display 按钮上。
将鼠标指针移动到 Graph View 菜单上，以选择要显示刺激信号的图形。对于高架 plus 迷宫测定，这些实验中使用的 plus 迷宫由灰色丙烯酸制成，由两个张开的手臂和两个闭合的手臂组成，它们从离地面 50 厘米高的中央平台延伸出来。将速率放入中心加迷宫中，面向张开的手臂。
让它自由探索设备 5 分钟。按下连接按钮，将主机与遥测系统连接起来。状态应从 offline 更改为 online。
通信强度和电池剩余容量由左上角的绿色条显示。按下配置菜单以查看图形选项。选择文件路径菜单以输入文件名和应存储记录数据的路径。
按 save 保存文件名和路径。按下 start the display（启动显示）按钮，开始显示检测到的 4 个记录通道的信号。请注意，录制的信号尚未存储。
选择集成 TWS 头级放大器的增益。按下绿色箭头启动音频监视器，然后使用滑块选择信号阈值，以减少背景噪声并以声学方式显示录制的尖峰。按下录制菜单中的红色录制按钮。
按下 recording 按钮时，录制的信号将存储在硬盘上。录制的信号在右侧持续显示。这里显示的是 TWS 的记录性能，其中单个双极记录电极植入下丘。
然后，断开头部载物台与植入的微电极装置的连接并连接盖子保护装置。之后，将老鼠放回它的家笼。使用 TWS 和传统的系留记录系统，从同一植入电极的下丘中连续记录细胞外多单位活动。
该图显示了当动物在开阔的田野中自由移动时，使用两个系统记录的代表性原始数据。在这里，信号的直接比较表明类似的尖峰波形和噪声水平。在这里，我们展示了我们的无线记录和刺激系统，用于自由移动动物的电生理和行为研究。
与现有方法相比，我们的方法有几个优势。首先，该系统使用单个便携式头级。它用前置放大器和可充电电池保持它。
头部tage 轻巧紧凑，包括电池在内重 12 克。其次，动物对它的耐受性很好，因此它可以用来替代系留系统，因为它不会限制动物的活动能力。第三，通过同时双向记录和刺激神经活动，该系统提供了一个复杂的工具来评估特定大脑激活模式和行为之间的因果关系。
最后，我们开发了一种慢性植入式微电极装置，可以在传统的立体定位手术中轻松植入。看完这个视频后，你应该对如何植入微电极单元和进行电刺激和细胞外神经记录有很好的了解。遥测系统是研究脑刺激机制的有用工具。
遥测系统是一个重要的工具，可以与广泛的行为测试相结合，以研究特定神经回路中的电活动如何产生某些形式的行为，这是神经科学的基本追求。
概述
本研究提出了一种用于自由行为的大鼠多通道神经记录和刺激的无线双向系统。该系统旨在最大限度地减少对动物行为的影响，同时能够评估脑活动模式与行为之间的因果关系。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为神经科学
- 电生理学
背景
- 理解神经活动与行为之间的因果关系在神经科学中至关重要。
- 下丘脑是研究听觉处理和行为反应的关键结构。
- 现有的系统可能无法为自由行为的受试者提供必要的灵活性。
- 遥测系统可以通过允许实时数据收集来增强实验设计。
研究目的
- 开发多通道神经记录和刺激的遥测装置。
- 使用下丘脑作为目标神经结构来验证系统。
- 探索大鼠的脑活动与行为反应之间的关系。
所用方法
- 无线遥测系统的设计和实施。
- 微电极单元植入的立体定位手术。
- 行为测定包括开放场和高架十字迷宫测试。
- 神经活动和行为反应的实时监测。
主要结果
- 遥测系统成功记录了自由行为的大鼠的神经活动。
- 下丘脑的电刺激引起了明确的行为反应。
- 该系统在各种行为任务中表现出可靠的性能。
- 收集的数据提供了神经活动与行为之间因果关系的洞察。
结论
- 开发的系统是研究神经-行为相互作用的有价值工具。
- 它允许探索自由移动受试者的复杂行为范式。
- 未来的应用可能扩展到其他脑区和行为环境。
常见问题
Executive Industry Relevance
Establishing causal links between neural circuit activity and behavior is critical for target validation in neuropsychiatric drug discovery. This wireless bidirectional interface enables simultaneous recording and stimulation in freely behaving animals, reducing confounding variables from tethered systems and improving translational confidence in mechanistic studies. The approach supports de-risking of targets involved in sensory processing, arousal, and affective states by allowing real-time assessment of stimulation effects on both neural dynamics and behavior.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of causal relationships between specific brain activation patterns and behavior, supporting target hypothesis testing.
- Operational Value: Provides a platform for functional validation of neural targets using stimulation-evoked behavioral readouts.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by linking target modulation to observable phenotypic outcomes in vivo.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantifiable, time-locked neural and behavioral data streams for assay standardization.
- Operational Value: Enables high-fidelity, reproducible measurements across subjects and sessions due to stable wireless performance.
- Assay Readiness: Facilitates screening of compounds or genetic manipulations that modulate neural-behavioral causality.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges acute mechanistic findings to chronic behavioral models through stable, long-term recording capability.
- Disease-Relevant System: Validated in inferior colliculus, a model for auditory processing and fear-related circuits relevant to anxiety and PTSD.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by providing concurrent neural and behavioral readouts of target engagement.
Pipeline & Workflow Integration
The system integrates into discovery workflows by enabling hypothesis-driven interrogation of neural circuits, supporting assay development for neuromodulator screening, and informing preclinical advancement through causal behavioral readouts.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification via real-time perturbation and observation of neural-behavioral relationships.
- Screening: Delivers quantitative, synchronized neural and behavioral outputs essential for evaluating compound effects on circuit function.
- Analytics: Provides multi-channel electrophysiological and behavioral time-series data enabling correlation and causal inference analyses.
- Translational Research: Connects acute target modulation to chronic behavioral phenotypes using chronically implantable electrodes.
- Enterprise Reuse: Designed as a reusable platform for multiple behavioral paradigms and brain targets across discovery campaigns.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by enabling causal inference in neural-behavioral relationships.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through wireless, tether-free operation in complex behavioral environments.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by reducing biological false positives through mechanistic de-risking.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on demonstrated causal control over behaviorally relevant outputs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotaxic surgery, neural implantation, and electrophysiological signal processing.
- Depends on telemetry infrastructure, including transceiver, head stage, and real-time stimulation software.
- Necessitates cross-team standardization for electrode placement, stimulation parameters, and behavioral assay protocols.
- Involves adaptation considerations for different brain targets, electrode configurations, and behavioral paradigms.
- Practical limitations include 1-hour battery life and susceptibility to signal disruption from metal barriers within 5 meters of the transceiver.
