Una connessione Wireless, interfaccia bidirezionale per registrazione In Vivo e la stimolazione dell'attività neurale a comportarsi liberamente ratti

L'obiettivo generale di questo studio era quello di sviluppare un dispositivo telemetrico bidirezionale per eseguire registrazioni neurali multicanale e stimolazione in ratti che si comportavano liberamente. Questo nuovo dispositivo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo delle neuroscienze comportamentali, come le relazioni causali tra i modelli di attivazione cerebrale e il comportamento. Al fine di convalidare il sistema telemetrico, scegliamo il collicolo inferiore come neurostruttura bersaglio, perché una risposta comportamentale evidente può essere suscitata dalla sua stimolazione elettrica.

È ampiamente noto che la stimolazione elettrica del collicolo inferiore suscita risposte comportamentali condizionate simili alla paura nei ratti, come la vigilanza, il congelamento e il comportamento di fuga. Pensavamo che essere in grado di suscitare un comportamento così chiaro e inequivocabile avrebbe rappresentato una vera sfida per il nostro sistema telemetrico. Il sistema telemetrico integrato è costituito da uno stadio di testa, una batteria, un ricevitore e un'unità di microelettrodi da impiantare durante la chirurgia stereotassica.

Qui è mostrato un sistema wireless completamente integrato sviluppato da noi, che consiste nella registrazione di un singolo elettrodo, tetrodo, elettrodo di stimolazione, scheda di connessione in fibra di elettrodi, cavi di collegamento flessibili, filo di terra, scheda connettore, connettore maschio o femmina per TWS, unità microelettrodo TWS collegata al preamplificatore e supporto per il collegamento a un telaio stereotassico. Per iniziare questa procedura, fissare e allineare orizzontalmente la testa dell'animale nell'apparato stereotassico utilizzando le barre auricolari e la barra incisiva superiore. Successivamente, radere il campo chirurgico, utilizzando un tagliacapelli chirurgico o delle forbici e sterilizzare il cuoio capelluto con iodio povidone.

Posiziona un termoforo sotto l'animale per prevenire l'ipotermia e tratta i suoi occhi con dexpantenolo per evitare che si secchino. Quindi iniettare la xilocaina al centro del sito chirurgico. Successivamente, fai una piccola incisione con il bisturi per esporre il cranio.

Separare delicatamente la pelle e rimuovere il tessuto residuo. Quindi, pulisci accuratamente il cranio usando bastoncini di cotone rivestiti di perossido di idrogeno. Successivamente, forare quattro piccoli nel cranio per il fissaggio delle viti in acciaio inossidabile.

Successivamente, praticare un foro di circa sette millimetri nel cranio sopra l'area target per il fissaggio dell'unità elettrodo. Collegare l'unità microelettrodo e il portaelettrodo al preamplificatore collegato al micromanipolatore stereotassico. Assorbire il sangue con i cotton fioc.

Quindi, introdurre verticalmente l'unità microelettrodo fino a quando le punte non raggiungono l'area target. Posizionare il cavo di terra lungo le viti in acciaio inossidabile e sotto la pelle. Successivamente, regolare attentamente l'elettrodo con il micromanipolatore fino a raggiungere una zona di neuroni attivi nella struttura bersaglio.

Nel frattempo, monitora l'attività dei picchi e rileva l'attività neurale con il rapporto segnale/rumore adatto per l'ordinamento dei picchi. Quindi fissare l'unità microelettrodo al cranio con colla ultravioletta. Coprire le viti e il cavo di massa con resina acrilica.

Successivamente, scollegare l'unità microelettrodo dal portaelettrodo. Coprire la piastra di contatto e i piccoli cavi con resina acrilica. Rimuovere con cautela il brad dal telaio stereotassico e scollegare il preamplificatore dall'unità microelettrodo.

Collegare quindi la protezione del cappuccio sull'unità microelettrodo impiantata e scollegarla solo durante le procedure sperimentali. Monitora il benessere degli animali e compila un foglio di valutazione ogni giorno fino alla fine degli esperimenti. Tenere i ratti singolarmente nella gabbia di casa per almeno un giorno dopo l'intervento chirurgico per consentire il recupero e poi alloggiare i ratti in coppia.

Le gabbie singole devono essere coperte con coperchi alti in acrilico. Evita i coperchi convenzionali realizzati con griglia metallica, poiché gli impianti possono bloccarsi e danneggiarsi o diventare instabili nel tempo. Aprire il software TWS e collegare il ricetrasmettitore alla porta USB del computer.

Il ricetrasmettitore può essere posizionato entro cinque metri sopra l'animale. Una volta che non viene introdotta alcuna barriera metallica tra il ricetrasmettitore e lo stadio della testa dell'animale, il TWS è applicabile a un'ampia gamma di compiti comportamentali. Collegare la batteria alla parte superiore dello stadio principale.

Assicurarsi che si accenda una luce verde nello stadio principale mentre la batteria è collegata ad esso. Quindi collegare lo stadio principale direttamente al microelettrodo impiantato. Come test comportamentali esemplari, utilizziamo il campo aperto per la misurazione dell'attività comportamentale generale e il labirinto plus elevato, un test standard per valutare il comportamento ansioso nei ratti.

Per il saggio in campo aperto, posizionare il ratto al centro del campo aperto. Lasciare che il ratto esplori l'apparecchio per almeno cinque minuti. Premere il pulsante di connessione per connettere il computer host al sistema di telemetria.

Lo stato dovrebbe cambiare da offline a online. Selezionare il menu di impostazione del parametro di stimolo. Seleziona i parametri del generatore di stimolazione in base al tuo esperimento di stimolazione.

Ad esempio, ampiezza dell'impulso uno, ampiezza dell'impulso due, frequenza dell'impulso e frequenza del treno. Se tutti i parametri di stimolazione sono impostati sui valori richiesti, spostare il mouse su Stimulus Start e premere il pulsante Stimulus Start. Spostare il puntatore del mouse sul pulsante Avvio visualizzazione grafico.

Spostare il puntatore del mouse sul menu Visualizzazione grafico per selezionare i grafici per visualizzare il segnale di stimolazione. Per il test del labirinto plus elevato, il labirinto plus utilizzato in questi esperimenti è realizzato in acrilico grigio ed è costituito da due bracci aperti e due bracci chiusi che si estendono da una piattaforma centrale elevata di 50 centimetri dal pavimento. Posiziona la velocità nel labirinto più centrale rivolto verso un braccio aperto.

Lasciarlo esplorare liberamente l'apparecchio per cinque minuti. Premere il pulsante di connessione per connettere il computer host al sistema di telemetria. Lo stato dovrebbe cambiare da offline a online.

La potenza di comunicazione e la capacità residua della batteria sono visualizzate dalla barra verde nell'angolo in alto a sinistra. Premi il menu di configurazione per visualizzare le opzioni del grafico. Selezionare il menu del percorso del file per inserire il nome del file e il percorso in cui devono essere memorizzati i dati registrati.

Premere Salva per salvare il nome e il percorso del file. Premere start il display per avviare la visualizzazione dei segnali rilevati dei quattro canali di registrazione. Prestare attenzione al fatto che i segnali registrati non sono ancora memorizzati.

Selezionare il guadagno dell'amplificatore per stadio principale TWS integrato. Avviare il monitor audio premendo la freccia verde e selezionare una soglia del segnale con il cursore per ridurre il rumore di fondo e visualizzare acusticamente i picchi registrati. Premere il pulsante rosso di registrazione nel menu di registrazione.

Quando si preme il pulsante di registrazione, il segnale registrato viene memorizzato sul disco rigido. Il segnale registrato viene visualizzato continuamente sul lato destro. Qui è mostrata l'esecuzione della registrazione del TWS con un singolo elettrodo di registrazione bipolare impiantato nel collicolo inferiore.

Successivamente, scollegare lo stadio superiore dall'unità microelettrodo impiantata e collegare la protezione del cappuccio. Successivamente, riporta il topo nella sua gabbia di casa. L'attività extracellulare multi-unità è stata successivamente registrata nel collicolo inferiore dallo stesso elettrodo impiantato utilizzando TWS e un sistema di registrazione collegato convenzionale.

Questa figura mostra i dati grezzi rappresentativi registrati utilizzando entrambi i sistemi mentre l'animale si muoveva liberamente in un campo aperto. Qui il confronto diretto dei segnali suggerisce forme d'onda di picco e livelli di rumore simili. Qui abbiamo presentato il nostro sistema di registrazione e stimolazione wireless per studi elettrofisiologici e comportamentali in animali che si muovono liberamente.

Il nostro approccio presenta diversi vantaggi rispetto a quelli esistenti. In primo luogo, questo sistema utilizza un singolo stadio di testa portatile. Lo mantiene con un preamplificatore e una batteria ricaricabile.

Lo stadio di testa è leggero e compatto, pesa 12 grammi compresa la batteria. In secondo luogo, è stato ben tollerato dagli animali e per questo può essere utilizzato per sostituire il sistema legato poiché non limita la mobilità dell'animale. In terzo luogo, attraverso la registrazione bidirezionale simultanea e la stimolazione dell'attività neurale, questo sistema fornisce uno strumento sofisticato per valutare le relazioni causali tra specifici modelli di attivazione cerebrale e comportamento.

Infine, abbiamo sviluppato un'unità di microelettrodi cronicamente impiantabile che può essere facilmente impiantata durante una chirurgia stereotassica convenzionale. Dopo aver visto questo video dovresti avere una buona comprensione di come impiantare l'unità microelettrodo ed eseguire la stimolazione elettrica e le registrazioni neurali extracellulari. Il sistema telemetrico è uno strumento utile per studiare i meccanismi di stimolazione cerebrale.

Il sistema telemetrico è uno strumento importante che può essere combinato con un'ampia serie di test comportamentali al fine di indagare come l'attività elettrica in circuiti neurali definiti generi determinate forme di comportamento, una ricerca fondamentale per le neuroscienze.