Un inalámbrico, interfaz bidireccional para la grabación en Vivo y estimulación de la actividad Neural en comportarse libremente las ratas

El objetivo general de este estudio fue desarrollar un dispositivo telemétrico y bidireccional para realizar grabaciones neuronales multicanal y estimulación en ratas que se comportan libremente. Este nuevo dispositivo puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la neurociencia del comportamiento, como las relaciones causales entre los patrones de activación cerebral y el comportamiento. Con el fin de validar el sistema telemétrico, elegimos el colículo inferior como neuroestructura objetivo, porque una respuesta conductual manifiesta puede ser provocada por su estimulación eléctrica.

Es ampliamente conocido que la estimulación eléctrica del colículo inferior provoca respuestas conductuales condicionadas similares al miedo en las ratas, como el estado de alerta, la congelación y el comportamiento de escape. Supusimos que ser capaces de provocar un comportamiento tan claro e inequívoco supondría un verdadero desafío para nuestro sistema telemétrico. El sistema telemétrico integrado consta de una etapa de cabeza, una batería, un receptor y una unidad de microelectrodos que se implantarán durante la cirugía estereotáxica.

Aquí se muestra un sistema inalámbrico completamente integrado desarrollado por nosotros, que consta de un solo electrodo de grabación, tetrodo, electrodo de estimulación, placa de conexión de fibra de electrodo, cables de conexión flexibles, cable de tierra, placa de conectores, conector macho o hembra para TWS, unidad de microelectrodo TWS conectada al preamplificador y el soporte para conectar a un marco estereotáxico. Para comenzar este procedimiento, fije y alinee horizontalmente la cabeza del animal en el aparato estereotáxico usando barras para los oídos y barra de incisivos superiores. A continuación, afeitar el campo quirúrgico, utilizando maquinillas quirúrgicas o tijeras y esterilizar el cuero cabelludo con povidona yodada.

Coloque una almohadilla térmica debajo del animal para evitar la hipotermia y trate su ojo con dexpantenol para evitar que se seque. A continuación, inyecte xilocaína en el centro del sitio quirúrgico. Después, haz una pequeña incisión con el bisturí para exponer el cráneo.

Separe la piel suavemente y elimine el tejido residual. A continuación, limpie cuidadosamente el cráneo con bastoncillos de algodón recubiertos de peróxido de hidrógeno. Posteriormente, taladre cuatro pequeños en el cráneo para la fijación de tornillos de acero inoxidable.

A continuación, perfore un orificio de aproximadamente siete milímetros en el cráneo por encima del área objetivo para la fijación de la unidad de electrodos. Conecte la unidad de microelectrodo y el soporte de electrodos al preamplificador que está conectado al micromanipulador estereotáctico. Absorbe la sangre con bastoncillos de algodón.

A continuación, introduzca verticalmente la unidad de microelectrodo hasta que las puntas alcancen la zona objetivo. Coloque el cable de tierra a lo largo de los tornillos de acero inoxidable y debajo de la piel. Después de eso, ajuste cuidadosamente el electrodo con el micromanipulador hasta que alcance una zona de neuronas activas en la estructura objetivo.

Mientras tanto, supervise la actividad de los picos y detecte la actividad neuronal con la relación señal-ruido adecuada para la clasificación de picos. A continuación, fije la unidad de microelectrodos al cráneo con pegamento ultravioleta. Cubra los tornillos y el cable de tierra con resina acrílica.

Después de eso, desconecte la unidad de microelectrodos del portaelectrodos. Cubra la placa de contacto y los cables pequeños con resina acrílica. Retire con cuidado el clavo del marco estereotáctico y desconecte el preamplificador de la unidad de microelectrodos.

A continuación, conecte la protección de la tapa de la unidad de microelectrodos implantada y desconéctela solo durante los procedimientos experimentales. Supervise el bienestar de los animales y rellene una hoja de puntuación todos los días hasta el final de los experimentos. Mantenga a las ratas individualmente en la jaula de la casa durante al menos un día después de la cirugía para permitir la recuperación y luego aloje a las ratas en parejas.

Las jaulas individuales deben cubrirse con tapas acrílicas altas. Evite las tapas convencionales hechas de rejilla metálica, ya que los implantes pueden atascarse y dañarse o volverse inestables con el tiempo. Abra el software TWS y conecte el transceptor al puerto USB de la computadora.

El transceptor se puede colocar a menos de cinco metros por encima del animal. Una vez que no se introduce una barrera metálica entre el transceptor y la etapa de la cabeza del animal, el TWS es aplicable a un amplio conjunto de tareas conductuales. Conecte la batería a la parte superior de la etapa principal.

Asegúrese de que se encienda una luz verde en la etapa principal mientras la batería está conectada a ella. A continuación, conecte la platina del cabezal directamente al microelectrodo implantado. Como ejemplos de pruebas conductuales, utilizamos el campo abierto para la medición de la actividad conductual general y el laberinto elevado plus, una prueba estándar para evaluar el comportamiento similar a la ansiedad en ratas.

Para el ensayo de campo abierto, coloque la rata en el centro del campo abierto. Permita que la rata explore el aparato durante al menos cinco minutos. Presione el botón de conexión para conectar la computadora host con el sistema de telemetría.

El estado debe cambiar de fuera de línea a en línea. Seleccione el menú de configuración del parámetro de estímulo. Seleccione los parámetros del generador de estimulación de acuerdo con su experimento de estimulación.

Por ejemplo, la amplitud de pulso uno, la amplitud de pulso dos, la frecuencia de pulso y la frecuencia del tren. Si todos los parámetros de estimulación están ajustados a los valores requeridos, mueva el ratón a Inicio de estímulo y pulse el botón de inicio de estímulo. Mueva el puntero del ratón hasta el botón Visualización de inicio de gráfico.

Mueva el puntero del ratón al menú Vista de gráfico para seleccionar los gráficos que mostrarán la señal de estimulación. Para el ensayo del laberinto elevado plus, el laberinto plus utilizado en estos experimentos está hecho de acrílico gris y consta de dos brazos abiertos y dos brazos cerrados que se extienden desde una plataforma central elevada 50 centímetros sobre el suelo. Coloque la tasa en el centro más el laberinto mirando hacia un brazo abierto.

Deje que explore libremente el aparato durante cinco minutos. Presione el botón de conexión para conectar la computadora host con el sistema de telemetría. El estado debe cambiar de fuera de línea a en línea.

La intensidad de la comunicación y la capacidad restante de la batería se muestran mediante la barra verde en la esquina superior izquierda. Presione el menú de configuración para ver las opciones del gráfico. Seleccione el menú de ruta del archivo para introducir el nombre del archivo y la ruta donde se deben almacenar los datos registrados.

Presione guardar para guardar el nombre y la ruta del archivo. Pulse el botón de inicio de la pantalla para iniciar la visualización de las señales detectadas de los cuatro canales de grabación. Preste atención al hecho de que las señales grabadas aún no se almacenan.

Seleccione la ganancia del amplificador de etapa principal TWS integrado. Inicie el monitor de audio presionando la flecha verde y seleccione un umbral de señal con el control deslizante para reducir el ruido de fondo y mostrar acústicamente los picos grabados. Presione el botón rojo de grabación en el menú de grabación.

Al pulsar el botón de grabación, la señal grabada se almacena en el disco duro. La señal grabada se muestra continuamente en el lado derecho. Aquí se muestra el rendimiento de registro del TWS con un solo electrodo de registro bipolar implantado en el colículo inferior.

A continuación, desconecte la platina de la cabeza de la unidad de microelectrodos implantada y conecte la protección de la tapa. Después de eso, regresa a la rata a su jaula de origen. La actividad extracelular de múltiples unidades se registró sucesivamente en el colículo inferior a partir del mismo electrodo implantado utilizando TWS y un sistema convencional de registro atado.

Esta figura muestra datos brutos representativos registrados con ambos sistemas mientras el animal se movía libremente en un campo abierto. Aquí, la comparación directa de las señales sugiere formas de onda de pico y niveles de ruido similares. Aquí presentamos nuestro sistema inalámbrico de grabación y estimulación para estudios electrofisiológicos y de comportamiento en animales que se mueven libremente.

Nuestro enfoque tiene varias ventajas sobre los existentes. En primer lugar, este sistema utiliza una sola platina de cabeza portátil. Lo mantiene con un preamplificador y una batería recargable.

La etapa principal es ligera y compacta, con un peso de 12 gramos, incluida la batería. En segundo lugar, fue bien tolerado por los animales y para ello se puede utilizar para sustituir el sistema de atado, ya que no restringe la movilidad del animal. En tercer lugar, a través del registro bidireccional simultáneo y la estimulación de la actividad neuronal, este sistema proporciona una herramienta sofisticada para evaluar las relaciones causales entre patrones específicos de activación cerebral y el comportamiento.

Por último, hemos desarrollado una unidad de microelectrodos implantable de forma crónica que puede implantarse fácilmente durante una cirugía estereotáxica convencional. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo implantar la unidad de microelectrodos y realizar la estimulación eléctrica y las grabaciones neuronales extracelulares. El sistema telemétrico es una herramienta útil para investigar los mecanismos de estimulación cerebral.

El sistema telemétrico es una herramienta importante que puede combinarse con un amplio conjunto de pruebas de comportamiento para investigar cómo la actividad eléctrica en circuitos neuronales definidos genera ciertas formas de comportamiento, una búsqueda fundamental para la neurociencia.