Gleichzeitige Aufnahmen der kortikalen lokales Feld Potentiale, Elektrokardiogramm, Elektromyogramm und Atemrhythmus aus einem frei beweglichen Ratte

Das übergeordnete Ziel dieser chirurgischen Implantation von Elektroden ist es, zentrale und periphere bioelektrische Signale einer frei beweglichen Ratte gleichzeitig aufzuzeichnen. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen im Bereich der Neurowissenschaften zu beantworten, wie z. B. Gedächtnis, Kognition, Emotionen und Gehirn-Körper-Interaktionen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass ein einziges Aufzeichnungsgerät alle bioelektrischen Signale aus den unterschiedlichsten Körperbereichen sammelt.

Wir hatten die Idee zu dieser Methode, als wir feststellten, dass Muskel- und Herzaktivitäten beide durch elektrische Signale repräsentiert werden, ähnlich wie extrazelluläre Signale des Gehirns. Wir haben daher überlegt, dass alle Signale mit einem einzigen Mehrkanal-Aufzeichnungsgerät aufgezeichnet werden können. Bereiten Sie zunächst ein Standard-Mikrolaufwerk-Array für kortikale LFP-Aufnahmen vor.

Lassen Sie auf einer Elektroden-Schnittstellenplatine für die Signalkanäle mindestens sechs Metalllöcher offen. Stellen Sie als Nächstes sechs fünf Zentimeter lange Bioflex-Drähte her, um die Signale zu übertragen. Ziehen Sie an beiden Enden etwa fünf Millimeter der PFTE-Beschichtung ab.

Verbinden Sie dann einen Draht mit einem goldenen Stift mit jedem Metallloch in der Platine. Stellen Sie als Nächstes zwei fünf Zentimeter lange Lackdrähte her und löten Sie sie an die beiden Masse-/Referenzkanäle auf der Platine. Um die EKG-Elektroden herzustellen, schneiden Sie zwei 16 Zentimeter lange Bioflex-Draht ab und ziehen Sie die 0,5 Millimeter Beschichtung von einem Ende und 15 Millimeter der Beschichtung vom anderen Ende ab.

Formen Sie dann jeden langen, abisolierten Abschnitt zu einem Kreis mit einem Durchmesser von zwei Millimetern und befestigen Sie die Schlaufe mit Lötmittel. Für die Herstellung der EMG-Elektroden schneidet man zwei acht Zentimeter lange Bioflex-Draht ab und zieht an beiden Enden etwa fünf Millimeter der Beschichtung ab. Um die BR-Elektroden herzustellen, schneiden Sie zwei sechs Zentimeter lange Bioflex-Draht ab und ziehen Sie an beiden Enden jedes Drahtes etwa fünf Millimeter der Beschichtung ab.

Löten Sie für jede der beiden BR-Elektroden ein Ende jedes Drahtes an den Kopf einer Edelstahlschraube. Um die Masse-/Referenzelektroden herzustellen, schneiden Sie zwei sechs Zentimeter lange Lackdraht ab. Löten Sie für jede der beiden Erdungsreferenzelektroden ein Ende des Drahtes an eine etwas größere Schraube.

Sterilisieren Sie nun alle Elektroden und handhaben Sie sie dann unter sterilen Bedingungen. Befestigen Sie zunächst eine betäubte Ratte auf dem Rücken auf einem flachen Wärmekissen. Geben Sie Buprenorphin als Analgetikum und tragen Sie eine Augensalbe auf, um Trockenheit zu verhindern.

Reinigen Sie anschließend Brust und Hals mit abwechselnden Peelings aus 70% Ethanol und Betadin. Drapieren Sie dann das Tier, so dass nur der Brustbereich freiliegt. Implantieren Sie zunächst die EKG-Elektroden.

Beginnen Sie mit einem zwei Zentimeter langen Schnitt in den medialen Brustbereich. Legen Sie dann die Interkostalmuskulatur frei, indem Sie die Brustmuskulatur trennen. Nähen Sie nun die Ringe der EKG-Elektroden an die Interkostalmuskulatur.

Tun Sie dies fest, damit die Elektroden sehr sicher sind und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis vorhanden ist. Machen Sie dann einen ein Zentimeter langen Schnitt im dorsalen Halsbereich und tunneln Sie die EKG-Elektroden subkutan zum Schnitt, wobei Sie einen lockeren Draht unter der Haut lassen, um die körperliche Belastung an der Elektrode zu minimieren. Dann wurde der Brustschnitt durch eine Naht verschlossen.

Positionieren Sie als Nächstes das Tier neu und sichern Sie es, um die EMG-Elektroden zu befestigen. Führen Sie ein Ende jeder Elektrode subkutan etwa einen Zentimeter in den Halsschnitt und in die Nackenmuskulatur ein. Nähen Sie dann diese Elektroden fest.

Befestigen Sie die Ratte nach der Elektrodenimplantation an einem stereotaktischen Gerät. Rasieren und reinigen Sie dann den Schädel und beginnen Sie die Array-Implantation mit einem drei Zentimeter langen Schnitt entlang der Mittellinie vom Punkt zwischen den Augen bis zum Hals. Machen Sie mit einem Hochgeschwindigkeitsbohrer ein Paar kreisförmige Kraniotomien mit einem Durchmesser zwischen 0,7 und 1,0 Millimetern über dem Riechkolben, der 11,0 Millimeter vor und einen Millimeter bilateral zum Bregma liegt.

Implantieren Sie dann die beiden BR-Elektroden gerade tief genug, damit die Spitzen der Schrauben Kontakt mit dem Gehirn aufnehmen, das etwa zwei Millimeter tief ist. Verwenden Sie zwischen sechs und acht volle Umdrehungen der Schraube. Als nächstes machen Sie ein weiteres Paar Kraniotomien oberhalb des frontalen Kortex, 2,7 Millimeter anterior und 2,7 Millimeter bilateral zum Bregma.

In diesen Löchern befestigen Sie die beiden Masse-/Referenzelektroden so, dass sie das Gehirn ebenfalls nur etwa 1,6 Millimeter tief berühren. Dazu braucht es vier bis fünf volle Umdrehungen der Schraube. Planen Sie nun eine große zirkuläre Kraniotomie mit einem Durchmesser von etwa 2,0 Millimetern über dem Hippocampus, 3,8 Millimeter posterior und 2,5 Millimeter bilateral zum Bregma.

Machen Sie dann sechs bis acht 1,0-Millimeter-Löcher in den Bereich, der die Kraniotomie umgibt. In jedes dieser Löcher implantieren Sie die Ankerschrauben. Führen Sie dann die geplante Kraniotomie zwischen den Schrauben durch.

Positionieren Sie das integrative Mikroantriebsarray über dem großen Loch so, dass sich die Kanülenspitze knapp über der großen Kraniotomie befindet. Füllen Sie den Spalt zwischen der Kanülenspitze und der Gehirnoberfläche mit etwa 100 Mikrolitern zweiteiligem Epoxidharz. Lassen Sie die Mischung in den nächsten fünf Minuten in ein transparentes Gel übergehen.

Decken Sie anschließend die Kanüle, die BR-Elektroden, die Masse-/Referenzelektroden und die Ankerschrauben mit Zahnzement ab. Tragen Sie etwa fünf Millimeter Zement auf, ohne die offenen Enden von BR oder Masse-/Referenzelektroden zu bedecken. Löten Sie nun alle offenen Enden der Elektroden an die Stelle, an der sie mit der Platine verbunden sind.

Decken Sie dann den unteren Teil des integrativen Micro-Drive-Arrays und alle Elektrodendrähte mit Zahnzement ab. Es ist wichtig, die Elektrodendrähte vollständig abzudecken, damit die Ratte sie nach der Implantation nicht herauskratzen kann. Lassen Sie die Ratte sich nun erholen.

Nachdem Sie wieder genügend Bewusstsein erlangt haben, um das Brustbein aufrecht zu erhalten, halten Sie es alleine ohne Käfiggenossen und geben Sie ihm freien Zugang zu Futter und Wasser. Nach der Operation schieben Sie die Tetroden schrittweise vor, indem Sie die Schrauben täglich vorschieben. Sobald die Tetroden an die Zielbereiche des Gehirns angrenzen, lassen Sie sie mehrere Tage lang zur Ruhe kommen, während derer sich die Signale stabilisieren.

Mit den beschriebenen Methoden können bioelektrische Signale aus dem Gehirn, dem Herzen, der Lunge und der Skelettmuskulatur gleichzeitig erfasst und korreliert werden. Zum Beispiel liefert eine sich frei bewegende Ratte, die sich im Nahrungssuchverhalten befindet, einen Datensatz mit Übergängen zwischen aktivem und ruhendem Zustand. Ein Leistungsspektrum wurde aus einer hippokampalen LFP-Spur mittels Wavelet-Analyse berechnet.

Das von der Oberfläche des Riechkolbens aufgezeichnete BR-Signal wurde verwendet, um die relativen Veränderungen der Atemfrequenzen, wie sie beispielsweise beim explorativen Schnüffelverhalten auftreten, grob abzuschätzen. Einmal gemeistert, kann diese Technik in drei Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Neurowissenschaften, um die Beziehung zwischen den zentralen und peripheren Organen mit hoher zeitlicher Auflösung bei Nagetieren zu erforschen.