חיבור אלחוטי, ממשק דו-כיווני ההקלטה In Vivo גירוי של פעילות עצבית להתנהג בחופשיות חולדות
7 בנובמבר 2017
חיבור אלחוטי, מערכת דו-כיווני הקלטות עצבית רב ערוצית גירוי ב להתנהג בחופשיות חולדות הוא הציג. המערכת היא קל וקומפקטי, וכך יש השפעה מינימלית על הרפרטואר ההתנהגותי animal´s. יתר על כן, מערכת דו-כיוונית זו מספקת כלי מתוחכם כדי להעריך את קשרי הגומלין סיבתי בין תבניות ההפעלה מוח והתנהגות.
המטרה הכוללת של מחקר זה הייתה לפתח מכשיר טלמטרי דו-כיווני לביצוע הקלטות עצביות רב-ערוציות וגירוי בחולדות המתנהגות בחופשיות. מכשיר חדש זה יכול לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום מדעי המוח ההתנהגותיים כגון הקשרים הסיבתיים בין דפוסי הפעלה מוחית והתנהגות. על מנת לתקף את המערכת הטלמטרית, אנו בוחרים בקוליקולוס התחתון כמבנה עצבי מטרה, מכיוון שתגובה התנהגותית גלויה יכולה להתעורר על ידי הגירוי החשמלי שלו.
ידוע כי הגירוי החשמלי של הקוליקולוס התחתון מעורר תגובות התנהגותיות מותנות דמויות פחד בחולדות, כגון ערנות, קפיאה והתנהגות בריחה. הנחנו שהיכולת לעורר התנהגות כה ברורה וחד משמעית תהווה אתגר אמיתי למערכת הטלמטרית שלנו. המערכת הטלמטרית המשולבת מורכבת משלב ראש, סוללה, מקלט ויחידת מיקרו-אלקטרודה המושתלת במהלך ניתוח סטריאוטקסי.
מוצגת כאן מערכת אלחוטית משולבת לחלוטין שפותחה על ידינו, המורכבת מהקלטת אלקטרודה בודדת, טטרודה, אלקטרודת גירוי, לוח חיבור סיבי אלקטרודה, כבלי חיבור גמישים, חוט הארקה, לוח מחברים, מחבר זכר או נקבה ל-TWS, יחידת מיקרו-אלקטרודה TWS המחוברת למגבר המקדים, והמחזיק לחיבור למסגרת סטריאוטקסית. כדי להתחיל בהליך זה, תקן ויישר אופקית את ראש החיה במנגנון הסטריאוטקטי באמצעות מוטות אוזניים ומוט חותך עליון. לאחר מכן, גלחו את השדה הכירורגי, בעזרת קוצץ כירורגי או מספריים ועקרו את הקרקפת עם יוד פובידון.
הניחו כרית חימום מתחת לבעל החיים כדי למנוע היפותרמיה וטפלו בעינו בדקספנטנול כדי למנוע מהם להתייבש. לאחר מכן הזריק קסילוקאין במרכז אתר הניתוח. לאחר מכן, בצע חתך קטן עם האזמל כדי לחשוף את הגולגולת.
הפרד את העור בעדינות והסר רקמה שנותרה. לאחר מכן, נקו בזהירות את הגולגולת באמצעות ניצני כותנה מצופים מי חמצן. לאחר מכן, קדחו ארבעה קטנים בגולגולת לקיבוע ברגי נירוסטה.
לאחר מכן, קדחו חור כשבעה מילימטרים בגולגולת מעל אזור היעד לקיבוע יחידת האלקטרודה. חבר את יחידת המיקרו-אלקטרודה ומחזיק האלקטרודה לקדם-ampliifier המחובר למיקרומניפולטור הסטריאוטקטי. ספוג כל דם עם ניצני כותנה.
לאחר מכן, הכניסו אנכית את יחידת המיקרואלקטרודה עד שהטיפים מגיעים לאזור המטרה. מקם את כבל ההארקה לאורך ברגי הנירוסטה ומתחת לעור. לאחר מכן, כוונן בזהירות את האלקטרודה עם המיקרומניפולטור עד שהיא מגיעה לאזור של נוירונים פעילים במבנה המטרה.
בינתיים, עקוב אחר פעילות הספייק וזהה פעילות עצבית עם יחס האות לרעש המתאים למיון ספייק. לאחר מכן, תקן את יחידת המיקרו-אלקטרודה לגולגולת בעזרת דבק אולטרה סגול. מכסים את הברגים ואת כבל ההארקה בשרף אקרילי.
לאחר מכן, נתק את יחידת המיקרו-אלקטרודה ממחזיק האלקטרודה. מכסים את לוחית המגע והכבלים הקטנים בשרף אקרילי. הסר בזהירות את הבראד מהמסגרת הסטריאוטקטית ונתק את המגבר המקדים מיחידת המיקרואלקטרודה.
לאחר מכן חבר את הגנת המכסה על יחידת המיקרואלקטרודה המושתלת ונתק אותה רק במהלך הליכי הניסוי. עקוב אחר רווחת בעלי החיים ומלא גיליון ציונים מדי יום עד סוף הניסויים. החזיקו את החולדות בנפרד בכלוב הביתי לפחות יום אחד לאחר הניתוח כדי לאפשר התאוששות ולאחר מכן שיכנו את החולדות בזוגות.
יש לכסות כלובים בודדים במכסים אקריליים גבוהים. הימנע ממכסים קונבנציונליים העשויים מרשת מתכת, מכיוון ששתלים עלולים להיתקע ולהינזק או לא יציבים עם הזמן. פתח את תוכנת TWS וחבר את מקלט המשדר ליציאת ה-USB של המחשב.
ניתן למקם את מקלט המשדר בטווח של חמישה מטרים מעל החיה. ברגע שלא מוכנס מחסום מתכת בין מקלט המשדר לשלב ראש החיה, ה-TWS ישים לקבוצה רחבה של משימות התנהגותיות. חבר את הסוללה לחלק העליון של הראש tage.
ודא שנורה ירוקה נדלקת בראש tagה בזמן שהסוללה מחוברת אליו. לאחר מכן חבר את שלב הראש ישירות למיקרואלקטרודה המושתלת. כמבחני התנהגות לדוגמה, אנו משתמשים בשדה הפתוח למדידת פעילות התנהגותית כללית ובמבוך הפלוס המוגבה, מבחן סטנדרטי להערכת התנהגות דמוית חרדה בחולדות.
עבור בדיקת השדה הפתוח מקם את החולדה במרכז השדה הפתוח. אפשר לחולדה לחקור את המנגנון למשך חמש דקות לפחות. לחץ על לחצן החיבור כדי לחבר את המחשב המארח למערכת הטלמטרית.
המצב אמור להשתנות ממצב לא מקוון למקוון. בחר את תפריט ההגדרות של פרמטר הגירוי. בחר את הפרמטרים של מחולל הגירוי בהתאם לניסוי הגירוי שלך.
לדוגמה, משרעת דופק אחת, משרעת דופק שתיים, תדר דופק ותדירות רכבת. אם כל פרמטרי הגירוי מוגדרים לערכים הנדרשים, הזז את העכבר להתחלת גירוי ולחץ על כפתור התחלת גירוי. הזז את מצביע העכבר ללחצן תצוגת התחלת גרף.
הזז את מצביע העכבר לתפריט תצוגת גרף כדי לבחור את הגרפים שיציגו את אות הגירוי. עבור מבחן מבוך הפלוס המוגבה, מבוך הפלוס המשמש בניסויים אלה עשוי אקריליק אפור ומורכב משתי זרועות פתוחות ושתי זרועות סגורות המשתרעות מפלטפורמה מרכזית המוגבהת 50 ס"מ מעל הרצפה. הנח את הקצב במרכז פלוס מבוך הפונה לכיוון זרוע פתוחה.
אפשר לו לחקור בחופשיות את המכשיר במשך חמש דקות. לחץ על לחצן החיבור כדי לחבר את המחשב המארח למערכת הטלמטרית. המצב אמור להשתנות ממצב לא מקוון למקוון.
עוצמת התקשורת וקיבולת הסוללה שנותרה מוצגים על ידי הפס הירוק בפינה השמאלית העליונה. לחץ על תפריט התצורה כדי לראות את אפשרויות הגרף. בחר בתפריט נתיב הקובץ כדי להזין את שם הקובץ ואת הנתיב שבו יש לאחסן את הנתונים המוקלטים.
לחץ על שמור כדי לשמור את שם הקובץ והנתיב. לחץ על התצוגה כדי להתחיל את תצוגת האותות שזוהו של ארבעת ערוצי ההקלטה. שימו לב לעובדה שהאותות המוקלטים עדיין לא מאוחסנים.
בחר את הרווח של ראש ה-TWS המשולבtagampחיים יותר. הפעל את צג השמע על ידי לחיצה על החץ הירוק ובחר סף אות עם המחוון כדי להפחית את רעשי הרקע ולהציג אקוסטית את הקוצים המוקלטים. לחץ על כפתור ההקלטה האדום בתפריט ההקלטה.
בעת לחיצה על כפתור ההקלטה, האות המוקלט מאוחסן בדיסק הקשיח. האות המוקלט מוצג ברציפות בצד ימין. מוצג כאן ביצועי ההקלטה של ה-TWS עם אלקטרודת הקלטה דו-קוטבית אחת המושתלת בקוליקולוס התחתון.
לאחר מכן, נתק את שלב הראש מיחידת המיקרואלקטרודה המושתלת וחבר את הגנת המכסה. לאחר מכן, החזירו את החולדה לכלוב הביתי שלה. פעילות חוץ-תאית מרובת יחידות נרשמה ברציפות בקוליקולוס התחתון מאותה אלקטרודה מושתלת באמצעות TWS ומערכת הקלטה קשורה קונבנציונלית.
איור זה מציג נתונים גולמיים מייצגים שתועדו באמצעות שתי המערכות בזמן שהחיה נעה בחופשיות בשדה פתוח. כאן השוואה ישירה של האותות מצביעה על צורות גלי ספייק ורמות רעש דומות. כאן הצגנו את מערכת ההקלטה והגירוי האלחוטית שלנו למחקרים אלקטרופיזיולוגיים והתנהגותיים בבעלי חיים הנעים בחופשיות.
לגישה שלנו יש כמה יתרונות על פני הקיימים. ראשית, מערכת זו משתמשת בבמת ראש ניידת אחת. זה שומר אותו עם מגבר מקדים וסוללה נטענת.
שלב הראש קל וקומפקטי, במשקל 12 גרם כולל סוללה. שנית, הוא נסבל היטב על ידי בעלי החיים ולשם כך ניתן להשתמש בו כדי להחליף את המערכת הקשורה מכיוון שהיא אינה מגבילה את הניידות של החיה. שלישית, באמצעות רישום דו-כיווני בו זמנית וגירוי של פעילות עצבית, מערכת זו מספקת כלי מתוחכם להערכת הקשרים הסיבתיים בין דפוסי הפעלה מוחיים ספציפיים והתנהגות.
לבסוף, פיתחנו יחידת מיקרו-אלקטרודה הניתנת להשתלה כרונית הניתנת להשתלה בקלות במהלך ניתוח סטריאוטקסי קונבנציונאלי. לאחר צפייה בסרטון זה אתה אמור להבין היטב כיצד להשתיל את יחידת המיקרואלקטרודה ולבצע גירוי חשמלי והקלטות עצביות חוץ-תאיות. המערכת הטלמטרית היא כלי שימושי לחקירת מנגנוני הגירוי המוח.
המערכת הטלמטרית היא כלי חשוב שניתן לשלב עם מערך רחב של מבחני התנהגות על מנת לחקור כיצד פעילות חשמלית במעגלים עצביים מוגדרים יוצרת צורות מסוימות של התנהגות, מסע בסיסי למדעי המוח.
סקירה כללית
מחקר זה מציג מערכת אלחוטית, דו-כיוונית להקלטות עצביות רב-ערוציות וגירוי בעכברים חופשיים. המערכת מיועדת למזער את ההשפעה על התנהגות החיה תוך אפשרות להעריך את הקשרים הסיבתיים בין דפוסי הפעלה מוחית להתנהגות.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מדעי העצב
- נוירולוגית התנהגותית
- אלקטרופיזיולוגיה
רקע
- הבנת הקשרים הסיבתיים בין פעילות עצבית להתנהגות היא חיונית במדעי העצב.
- הקוליקולוס התחתון הוא מבנה מרכזי לחקר עיבוד שמיעתי ותגובות התנהגותיות.
- מערכות קיימות עשויות לא להספק את הגמישות הנדרשת לנבדקים בהתנהגות חופשית.
- מערכות טלמטריות יכולות לשפר את העיצוב הניסויי על ידי אפשרות לאיסוף נתונים בזמן אמת.
מטרת המחקר
- לפתח מכשיר טלמטרי להקלטות עצביות רב-ערוציות וגירוי.
- לאמת את המערכת באמצעות הקוליקולוס התחתון כמבנה עצבי מטרה.
- לחקור את הקשר בין הפעלה מוחית ותגובות התנהגותיות בעכברים.
שיטות ששימשו
- תכנון ויישום של מערכת טלמטרית אלחוטית.
- ניתוח סטריאוטקסי לשתלת יחידת המיקרואלקטרודה.
- מבחני התנהגות כוללים מבחן שדה פתוח ומבחן רשת מוגבהת.
- מעקב בזמן אמת אחר פעילות עצבית ותגובות התנהגותיות.
תוצאות עיקריות
- המערכת הטלמטרית הקליטה בהצלחה פעילות עצבית בעכברים חופשיים.
- גירוי חשמלי של הקוליקולוס התחתון עורר תגובות התנהגותיות ברורות.
- המערכת הפגינה ביצועים אמינים על פני משימות התנהגותיות שונות.
- הנתונים שנאספו סיפקו תובנות לגבי הקשרים הסיבתיים בין פעילות עצבית להתנהגות.
מסקנות
- המערכת שפותחה היא כלי חשוב לחקר אינטראקציות עצביות-התנהגותיות.
- היא מאפשרת חקירת פרדיגמות התנהגותיות מורכבות בנבדקים חופשיים.
- יישומים עתידיים עשויים להימשך לאזורי מוח אחרים והקשרים התנהגותיים אחרים.
שאלות נפוצות
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.
