Ein kabelloses, bidirektionale Schnittstelle für In Vivo Aufnahme und Stimulation der neuronalen Aktivität in Ratten frei Verhalten

Das übergeordnete Ziel dieser Studie war es, ein telemetrisches, bidirektionales Gerät zu entwickeln, um mehrkanalige neuronale Aufzeichnungen und Stimulation bei frei verhaltenden Ratten durchzuführen. Dieses neue Gerät kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der Verhaltensneurowissenschaften zu beantworten, wie z. B. die kausalen Zusammenhänge zwischen Aktivierungsmustern und Verhalten im Gehirn. Um das telemetrische System zu validieren, wählen wir den Colliculus inferior als Zielneurostruktur, da durch seine elektrische Stimulation eine offensichtliche Verhaltensreaktion hervorgerufen werden kann.

Es ist weithin bekannt, dass die elektrische Stimulation des Colliculus inferior bei Ratten konditionierte angstähnliche Verhaltensreaktionen hervorruft, wie z.B. Wachsamkeit, Erstarren und Fluchtverhalten. Wir gingen davon aus, dass die Möglichkeit, ein so klares und eindeutiges Verhalten hervorzurufen, eine echte Herausforderung für unser telemetrisches System darstellen würde. Das integrierte telemetrische System besteht aus einem Kopftisch, einer Batterie, einem Empfänger und einer Mikroelektrodeneinheit, die während der stereotaktischen Chirurgie implantiert wird.

Hier dargestellt ist ein vollständig integriertes, von uns entwickeltes drahtloses System, das aus der Aufnahme von Einzelelektrode, Tetrode, Stimulationselektrode, Elektrodenfaser-Verbindungsplatine, flexiblen Verbindungskabeln, Massedraht, Anschlussplatine, Stecker- oder Buchse für TWS, TWS-Mikroelektrodeneinheit, die mit dem Vorverstärker verbunden ist, und der Halterung zur Befestigung an einem stereotaktischen Rahmen besteht. Um diesen Vorgang zu beginnen, fixieren Sie den Kopf des Tieres mit Hilfe von Ohrstangen und oberem Schneidezahn und richten Sie ihn horizontal im stereotaktischen Apparat aus. Rasieren Sie anschließend das Operationsfeld mit einer chirurgischen Haarschneidemaschine oder einer Schere und sterilisieren Sie die Kopfhaut mit Povidon-Jod.

Legen Sie ein Heizkissen unter das Tier, um eine Unterkühlung zu verhindern, und behandeln Sie das Auge mit Dexpanthenol, um es vor dem Austrocknen zu schützen. Injizieren Sie dann Xylocain in die Mitte der Operationsstelle. Machen Sie anschließend einen kleinen Schnitt mit dem Skalpell, um den Schädel freizulegen.

Trennen Sie die Haut sanft und entfernen Sie Restgewebe. Reinigen Sie als Nächstes den Schädel vorsichtig mit Wasserstoffperoxid-beschichteten Wattestäbchen. Bohren Sie anschließend vier kleine Schrauben in den Schädel zur Fixierung von Edelstahlschrauben.

Bohren Sie anschließend ein etwa sieben Millimeter großes Loch in den Schädel oberhalb des Zielbereichs zur Fixierung der Elektrodeneinheit. Verbinden Sie die Mikroelektrodeneinheit und den Elektrodenhalter mit dem Vorverstärker, der am stereotaktischen Mikromanipulator befestigt ist. Absorbieren Sie jegliches Blut mit Wattestäbchen.

Führen Sie dann die Mikroelektrodeneinheit vertikal ein, bis die Spitzen den Zielbereich erreichen. Positionieren Sie das Erdungskabel entlang der Edelstahlschrauben und unter der Haut. Danach stellen Sie die Elektrode vorsichtig mit dem Mikromanipulator ein, bis sie eine Zone aktiver Neuronen in der Zielstruktur erreicht.

Überwachen Sie in der Zwischenzeit die Spike-Aktivität und erkennen Sie neuronale Aktivität mit dem Signal-Rausch-Verhältnis, das für die Spike-Sortierung geeignet ist. Befestigen Sie anschließend die Mikroelektrodeneinheit mit ultraviolettem Kleber am Schädel. Decken Sie die Schrauben und das Massekabel mit Acrylharz ab.

Trennen Sie danach die Mikroelektrodeneinheit vom Elektrodenhalter. Decken Sie die Kontaktscheibe und kleine Kabel mit Acrylharz ab. Entfernen Sie vorsichtig den Brad vom stereotaktischen Rahmen und trennen Sie den Vorverstärker von der Mikroelektrodeneinheit.

Schließen Sie dann den Kappenschutz an der implantierten Mikroelektrodeneinheit an und trennen Sie ihn nur während der experimentellen Verfahren. Überwachen Sie das Wohlergehen der Tiere und füllen Sie jeden Tag einen Bewertungsbogen bis zum Ende der Versuche aus. Halten Sie die Ratten nach der Operation mindestens einen Tag lang einzeln im häuslichen Käfig, damit sie sich erholen können, und halten Sie die Ratten dann paarweise unter.

Einzelne Käfige sollten mit hohen Acryldeckeln abgedeckt werden. Vermeiden Sie herkömmliche Deckel aus Metallgitter, da Implantate stecken bleiben und mit der Zeit beschädigt oder instabil werden können. Öffnen Sie die TWS-Software und schließen Sie den Transceiver an den USB-Anschluss des Computers an.

Das LVS-Gerät kann innerhalb von fünf Metern über dem Tier platziert werden. Sobald keine Metallbarriere zwischen dem Transceiver und dem Tierkopfstadium eingeführt wird, ist die TWS auf eine breite Palette von Verhaltensaufgaben anwendbar. Schließen Sie den Akku an der Oberseite der Kopfstufe an.

Stellen Sie sicher, dass in der Kopfstufe ein grünes Licht aufleuchtet, während die Batterie daran angeschlossen ist. Verbinden Sie dann den Kopftisch direkt mit der implantierten Mikroelektrode. Als beispielhafte Verhaltenstests verwenden wir das offene Feld zur Messung der allgemeinen Verhaltensaktivität und das erhöhte Plus-Labyrinth, einen Standardtest zur Beurteilung von angstähnlichem Verhalten bei Ratten.

Für den Freiland-Assay setzen Sie die Ratte in die Mitte des offenen Feldes. Lassen Sie die Ratte das Gerät mindestens fünf Minuten lang erkunden. Drücken Sie die Verbindungstaste, um den Host-Computer mit dem Telemetriesystem zu verbinden.

Der Status sollte sich von offline auf online ändern. Wählen Sie das Einstellmenü für die Stimulusparameter. Wählen Sie die Parameter des Stimulationsgenerators entsprechend Ihrem Stimulationsexperiment aus.

Beispiel: Impulsamplitude eins, Impulsamplitude zwei, Impulsfrequenz und Zugfrequenz. Wenn alle Stimulationsparameter auf die erforderlichen Werte eingestellt sind, bewegen Sie die Maus auf Stimulus Start und drücken Sie die Stimulus-Start-Taste. Bewegen Sie den Mauszeiger auf die Schaltfläche Diagrammanzeige starten.

Bewegen Sie den Mauszeiger in das Menü Diagrammansicht, um die Diagramme auszuwählen, in denen das Stimulationssignal angezeigt werden soll. Für den erhöhten Plus-Labyrinth-Assay besteht das in diesen Experimenten verwendete Plus-Labyrinth aus grauem Acryl und besteht aus zwei offenen und zwei geschlossenen Armen, die sich von einer zentralen Plattform aus 50 Zentimeter über dem Boden erstrecken. Platzieren Sie die Rate in der Mitte plus Labyrinth, die zu einem offenen Arm zeigt.

Lassen Sie es das Gerät fünf Minuten lang frei erkunden. Drücken Sie die Verbindungstaste, um den Host-Computer mit dem Telemetriesystem zu verbinden. Der Status sollte sich von offline auf online ändern.

Die Kommunikationsstärke und die verbleibende Akkukapazität werden durch den grünen Balken in der oberen linken Ecke angezeigt. Drücken Sie das Konfigurationsmenü, um die Diagrammoptionen anzuzeigen. Wählen Sie das Menü Dateipfad aus, um den Dateinamen und den Pfad einzugeben, in dem die aufgezeichneten Daten gespeichert werden sollen.

Klicken Sie auf Speichern, um den Dateinamen und den Pfad zu speichern. Drücken Sie die Anzeige auf Start, um die Anzeige der erkannten Signale der vier Aufnahmekanäle zu starten. Achten Sie darauf, dass die aufgezeichneten Signale noch nicht gespeichert sind.

Wählen Sie die Verstärkung des integrierten TWS-Kopfstufenverstärkers. Starten Sie den Audiomonitor, indem Sie den grünen Pfeil drücken und mit dem Schieberegler einen Signalschwellenwert auswählen, um die Hintergrundgeräusche zu reduzieren und die aufgenommenen Spitzen akustisch anzuzeigen. Drücken Sie die rote Aufnahmetaste im Aufnahmemenü.

Beim Drücken der Aufnahmetaste wird das aufgenommene Signal auf der Festplatte gespeichert. Das aufgezeichnete Signal wird kontinuierlich auf der rechten Seite angezeigt. Hier ist die Aufzeichnungsleistung des TWS mit einer einzelnen bipolaren Aufnahmeelektrode dargestellt, die in den Colliculus inferior implantiert wurde.

Trennen Sie anschließend den Kopftisch von der implantierten Mikroelektrodeneinheit und schließen Sie den Kappenschutz an. Setze die Ratte anschließend in ihren Heimatkäfig zurück. Die extrazelluläre Multi-Unit-Aktivität wurde sukzessive im Colliculus inferior von derselben implantierten Elektrode unter Verwendung von TWS und einem herkömmlichen angebundenen Aufzeichnungssystem aufgezeichnet.

Diese Abbildung zeigt repräsentative Rohdaten, die mit beiden Systemen aufgenommen wurden, während sich das Tier frei auf freiem Feld bewegte. Hier deutet ein direkter Vergleich der Signale auf ähnliche Spike-Wellenformen und Rauschpegel hin. Hier präsentierten wir unser drahtloses Aufzeichnungs- und Stimulationssystem für elektrophysiologische und Verhaltensstudien an frei beweglichen Tieren.

Unser Ansatz hat mehrere Vorteile gegenüber den bestehenden. Erstens verwendet dieses System einen einzigen tragbaren Kopftisch. Es ist mit einem Vorverstärker und einer wiederaufladbaren Batterie ausgestattet.

Der Kopftisch ist leicht und kompakt und wiegt inklusive Akku 12 Gramm. Zweitens wurde es von den Tieren gut vertragen und kann daher als Ersatz für das Anbindesystem verwendet werden, da es die Beweglichkeit des Tieres nicht einschränkt. Drittens bietet dieses System durch die gleichzeitige bidirektionale Aufzeichnung und Stimulation der neuronalen Aktivität ein ausgeklügeltes Werkzeug, um die kausalen Zusammenhänge zwischen spezifischen Aktivierungsmustern und Verhalten des Gehirns zu bewerten.

Schließlich haben wir eine chronisch implantierbare Mikroelektrodeneinheit entwickelt, die während einer konventionellen stereotaktischen Operation problemlos implantiert werden kann. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die Mikroelektrodeneinheit implantieren und elektrische Stimulation und extrazelluläre neuronale Aufzeichnungen durchführen. Das telemetrische System ist ein nützliches Instrument, um die Mechanismen der Hirnstimulation zu untersuchen.

Das telemetrische System ist ein wichtiges Werkzeug, das mit einer breiten Palette von Verhaltenstests kombiniert werden kann, um zu untersuchen, wie elektrische Aktivität in definierten neuronalen Schaltkreisen bestimmte Verhaltensformen erzeugt, eine grundlegende Aufgabe der Neurowissenschaften.