Name: Limpianto DREAM: un sistema implantare leggero, modulare ed economico per lelettrofisiologia cronica in topi con testa fissa e a comportamento libero (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-07-26T14:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 42 s
Description: Scopri un sistema implantare leggero e modulare per elettrofisiologia cronica in topi e macachi durante compiti di realtà virtuale. Questo metodo consente registrazioni neuronali di alta qualità durante comportamenti naturalistici.

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Questo lavoro è stato sostenuto dal Consiglio olandese per la ricerca (NWO; Crossover Program 17619 "INTENSE", TS) e ha ricevuto finanziamenti dal Settimo Programma Quadro dell'Unione Europea (FP7/2007-2013) nell'ambito dell'accordo di sovvenzione n. 600925 (Neuroseeker, TS, FB, PT), nonché dalla Max Planck Society.

Un sistema di impianto di sonde economico e versatile per l'elettrofisiologia nei topi

<ol><li>Epsztein, J., Brecht, M., Lee, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intracellular+determinants+of+hippocampal+CA1+place+and+silent+cell+activity+in+a+novel+environment%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Intracellular determinants of hippocampal CA1 place and silent cell activity in a novel environment.</a> Neuron. 70 (1), 109-120 (2011).</li>
<li>Okun, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diverse+coupling+of+neurons+to+populations+in+sensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Diverse coupling of neurons to populations in sensory cortex.</a> Nature. 521 (7553), 511-515 (2015).</li>
<li>Jun, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fully+integrated+silicon+probes+for+high-density+recording+of+neural+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity.</a> Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).</li>
<li>Znamenskiy, P., Kim, M. -H., Muir, D. R., Iacaruso, M. F., Hofer, S. B., Mrsic-Flogel, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+specificity+of+recurrent+inhibition+in+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Functional specificity of recurrent inhibition in visual cortex.</a> Neuron. 112 (6), 991-1000 (2024).</li>
<li>Rowland, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Propagation+of+activity+through+the+cortical+hierarchy+and+perception+are+determined+by+neural+variability%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Propagation of activity through the cortical hierarchy and perception are determined by neural variability.</a> Nat Neurosci. 26 (9), 1584-1594 (2023).</li>
<li>Roth, M. M., Dahmen, J. C., Muir, D. R., Imhof, F., Martini, F. J., Hofer, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thalamic+nuclei+convey+diverse+contextual+information+to+layer+1+of+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Thalamic nuclei convey diverse contextual information to layer 1 of visual cortex.</a> Nat Neurosci. 19 (2), 299-307 (2016).</li>
<li>Zong, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+two-photon+calcium+imaging+in+freely+moving+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Cell%22%5BJournal%5D)">Large-scale two-photon calcium imaging in freely moving mice.</a> Cell. 185 (7), 1240-1256 (2022).</li>
<li>Demas, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed%2C+cortex-wide+volumetric+recording+of+neuroactivity+at+cellular+resolution+using+light+beads+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Methods%22%5BJournal%5D)">High-speed, cortex-wide volumetric recording of neuroactivity at cellular resolution using light beads microscopy.</a> Nat Methods. 18 (9), 1103-1111 (2021).</li>
<li>Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+origin+of+extracellular+fields+and+currents+EEG%2C+ECoG%2C+LFP+and+spikes%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Neurosci%22%5BJournal%5D)">The origin of extracellular fields and currents EEG, ECoG, LFP and spikes.</a> Nat Rev Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).</li>
<li>Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Response+of+brain+tissue+to+chronically+implanted+neural+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes.</a> J Neurosci Methods. 148 (1), 1-18 (2005).</li>
<li>Savya, S. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+spatiotemporal+dynamics+of+astrocyte+reactivity+following+neural+electrode+implantation%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">In vivo spatiotemporal dynamics of astrocyte reactivity following neural electrode implantation.</a> Biomaterials. 289, 121784(2022).</li>
<li>Perge, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intra-day+signal+instabilities+affect+decoding+performance+in+an+intracortical+neural+interface+system%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Intra-day signal instabilities affect decoding performance in an intracortical neural interface system.</a> J Neural Eng. 10 (3), 036004(2013).</li>
<li>Pachitariu, M., Steinmetz, N., Kadir, S., Carandini, M., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kilosort%3A+realtime+spike-sorting+for+extracellular+electrophysiology+with+hundreds+of+channels%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">Kilosort: realtime spike-sorting for extracellular electrophysiology with hundreds of channels.</a> bioRxiv. , 061481(2016).</li>
<li>Buzsáki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+recording+of+neuronal+ensembles%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Large-scale recording of neuronal ensembles.</a> Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).</li>
<li>Kloosterman, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+array+for+chronic+in+vivo+recording%3A+Drive+fabrication%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Micro-drive array for chronic in vivo recording: Drive fabrication.</a> J Vis Exp. (26), e1094(2009).</li>
<li>Jacobs, T., Darch, H., Holtzman, T., De Zeeuw, C. I., Romano, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standard+operating+protocol%3A+Implantation+of+Cambrige+NeuroTech+chronic+silicon+probe+and+mini-amp-64+digital+headstage+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Protocol+Exchange%22%5BJournal%5D)">Standard operating protocol: Implantation of Cambrige NeuroTech chronic silicon probe and mini-amp-64 digital headstage in mice.</a> Protocol Exchange. , (2023).</li>
<li>Juavinett, A. L., Bekheet, G., Churchland, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+adaptable%2C+reusable%2C+and+light+implant+for+chronic+Neuropixels+probes%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">An adaptable, reusable, and light implant for chronic Neuropixels probes.</a> bioRxiv. , (2024).</li>
<li>Kozai, T. D. Y., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+tissue+responses+to+neural+implants+impact+signal+sensitivity+and+intervention+strategies%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Chem+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies.</a> ACS Chem Neurosci. 6 (1), 48-67 (2015).</li>
<li>Nguyen, D. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+array+for+chronic+in+vivo+recording%3A+tetrode+assembly%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly.</a> J Vis Exp. (26), e1098(2009).</li>
<li>Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuronal+cell+loss+accompanies+the+brain+tissue+response+to+chronically+implanted+silicon+microelectrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Neurol%22%5BJournal%5D)">Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays.</a> Exp Neurol. 195 (1), 115-126 (2005).</li>
<li>Vöröslakos, M., Petersen, P. C., Vöröslakos, B., Buzsáki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal+microdrive+and+head+cap+system+for+silicon+probe+recovery+in+freely+moving+rodent%5BTitle%5D)+AND+%22eLife%22%5BJournal%5D)">Metal microdrive and head cap system for silicon probe recovery in freely moving rodent.</a> eLife. 10, e65859(2021).</li>
<li>IMEC Neuropixels 1.0 User Manual V1.0.8. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.neuropixels.org/_files/ugd/328966_ca209d53ffb346b3bf98be39b903efa9.pdf">https://www.neuropixels.org/_files/ugd/328966_ca209d53ffb346b3bf98be39b903efa9.pdf</a> (2023).</li>
<li>Baranauskas, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+nanotube+composite+coating+of+neural+microelectrodes+preferentially+improves+the+multiunit+signal-to-noise+ratio%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Carbon nanotube composite coating of neural microelectrodes preferentially improves the multiunit signal-to-noise ratio.</a> J Neural Eng. 8 (6), 066013(2011).</li>
<li>Niell, C. M., Stryker, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modulation+of+visual+responses+by+behavioral+state+in+mouse+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Modulation of visual responses by behavioral state in mouse visual cortex.</a> Neuron. 65 (4), 472-479 (2010).</li>
<li>Okun, M., Carandini, M., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long+term+recordings+with+immobile+silicon+probes+in+the+mouse+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">Long term recordings with immobile silicon probes in the mouse cortex.</a> bioRxiv. , (2015).</li>
<li>Chung, J., Sharif, F., Jung, D., Kim, S., Royer, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+and+headgear+for+chronic+implant+and+recovery+of+optoelectronic+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Micro-drive and headgear for chronic implant and recovery of optoelectronic probes.</a> Sci Rep. 7 (1), 2773(2017).</li>
<li>Bimbard, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+adaptable%2C+reusable%2C+and+light+implant+for+chronic+Neuropixels+probes%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">An adaptable, reusable, and light implant for chronic Neuropixels probes.</a> bioRxiv. , (2024).</li>
<li>Jones, E. A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chronic+recoverable+Neuropixels+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22protocols.io%22%5BJournal%5D)">Chronic recoverable Neuropixels in mice.</a> protocols.io. , (2023).</li>
<li>Neuronexus Products - dDrive. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.neuronexus.com/products/accessories/microdrives/ddrive/">https://www.neuronexus.com/products/accessories/microdrives/ddrive/</a> (2024).</li>
<li>van Daal, R. J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implantation+of+Neuropixels+probes+for+chronic+recording+of+neuronal+activity+in+freely+behaving+mice+and+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Protoc%22%5BJournal%5D)">Implantation of Neuropixels probes for chronic recording of neuronal activity in freely behaving mice and rats.</a> Nat Protoc. 16 (7), 3322-3347 (2021).</li>
<li>Guo, Z. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Procedures+for+behavioral+experiments+in+head-fixed+mice%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Procedures for behavioral experiments in head-fixed mice.</a> PLoS One. 9 (2), e88678(2014).</li>
<li>Groblewski, P. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+standardized+head-fixation+system+for+performing+large-scale%2C+in+vivo+physiological+recordings+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">A standardized head-fixation system for performing large-scale, in vivo physiological recordings in mice.</a> J Neurosci Methods. 346, 108922(2020).</li>
<li>Vasilev, D., Raposo, I., Totah, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brightness+illusions+evoke+pupil+constriction+preceded+by+a+primary+visual+cortex+response+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Cereb+Cortex%22%5BJournal%5D)">Brightness illusions evoke pupil constriction preceded by a primary visual cortex response in rats.</a> Cereb Cortex. 33 (12), 7952-7959 (2023).</li>
</ol>

TS, AN e MNH sono co-fondatori di 3Dneuro B.V., che produce i microdrive open-source e le corone di Faraday utilizzati in questo protocollo. FB e PT fanno parte del comitato consultivo scientifico di 33Dneuro B.V.. FB e PT non ricevono alcun compenso finanziario per questa posizione.

Questo manoscritto presenta un protocollo per l'impianto rapido, sicuro e standardizzato delle sonde, che consente anche il recupero e il riutilizzo della sonda al termine dell'esperimento. L'approccio si avvale di un sistema modulare di componenti implantari, in particolare un microdrive, compatibile con tutte le comuni sonde in silicone e sistemi di registrazione, una piastra di testa che può essere utilizzata per esperimenti comportamentali fissati sulla testa e una gabbia di Faraday indossabile per proteggere l'impianto. Questa costellazione consente agli utenti di adattare in modo flessibile il proprio impianto a diversi paradigmi sperimentali, come il comportamento a testa fissa rispetto a quello che si muove liberamente o la miniaturizzazione dell'impianto (senza gabbia di Faraday) rispetto a una maggiore robustezza del segnale a lungo termine (con gabbia di Faraday), senza dover sacrificare la standardizzazione dell'impianto nel processo.
Questo approccio rende le registrazioni elettrofisiologiche croniche più standardizzate (attraverso elementi prefabbricati che non richiedono l'assemblaggio a mano), meno costose (attraverso il recupero della sonda), meno dispendiose in termini di tempo (semplificando le fasi chirurgiche) e più facilmente compatibili con il benessere e il comportamento degli animali (grazie alla riduzione delle dimensioni dell'impianto e al fissaggio della testa senza stress). In quanto tale, questo protocollo mira a rendere gli impianti elettrofisiologici nei roditori comportamentali accessibili a una gamma più ampia di ricercatori al di là dei laboratori pionieristici all'avanguardia del settore.
Per raggiungere questo obiettivo, il protocollo qui presentato riduce al minimo il compromesso tra diversi aspetti, spesso ugualmente cruciali, degli impianti a microguida, vale a dire flessibilità, modularità, facilità di impianto, stabilità, costo complessivo, compatibilità con il comportamento e riutilizzabilità della sonda. Attualmente, gli approcci disponibili spesso eccellono in alcuni di questi aspetti, ma a un costo elevato rispetto ad altre funzionalità. Ad esempio, per i casi d'uso che richiedono l'assoluta stabilità dell'impianto per lunghi periodi di tempo, il miglior approccio implantare potrebbe essere quello di cementare direttamente la sonda sul cranio25. Tuttavia, ciò impedisce anche il riutilizzo della sonda, nonché il riposizionamento dei siti di registrazione in caso di scarsa qualità della registrazione, ed è incompatibile con il posizionamento standardizzato dell'impianto. Allo stesso modo, mentre l'unità AMIE fornisce una soluzione leggera e a basso costo per l'impianto recuperabile di sonde, è limitata a singole sonde e limitata nel posizionamento delle coordinate target17. All'estremità opposta dello spettro, alcuni nano-drive disponibili in commercio (vedi Tabella 1 16,17,21,26,27,28,29,30) sono estremamente piccoli, possono essere posizionati liberamente sul cranio e massimizzano il numero di sonde che possono essere impiantate in un singolo animale16. Tuttavia, sono costose rispetto ad altre soluzioni, richiedono che gli sperimentatori siano altamente qualificati per il successo degli interventi di implantologia e vietano il riutilizzo della sonda. Il microdrive sviluppato da Vöröslakos et al.21, una versione leggera del quale fa anche parte di questo protocollo, sacrifica le piccole dimensioni dell'impianto per una migliore facilità d'uso, un prezzo inferiore e la riutilizzabilità della sonda
Tabella 1: Confronto delle strategie più diffuse per l'impianto cronico di sonde nei roditori. Disponibilità: se il microdrive è open source (per i ricercatori da costruire), disponibile in commercio o entrambi. Modularità: i sistemi integrati sono costituiti da uno o più componenti che sono in relazione fissa tra loro, mentre i sistemi modulari consentono il posizionamento libero della sonda/microazionamento rispetto alla protezione (testa di testa/gabbia di Faraday) dopo la produzione dell'impianto (ad esempio, al momento dell'intervento chirurgico). La modularità è stata determinata dalle informazioni pubblicate o dai protocolli di impianto degli impianti elencati. Headfix: Sì: l'impianto ha meccanismi per il fissaggio della testa integrati nel suo design, X: l'impianto lascia lo spazio per aggiungere una piastra di testa extra per il fissaggio senza grossi problemi, No: il design dell'impianto probabilmente crea problemi di spazio o richiede modifiche sostanziali al design per l'uso con il fissaggio della testa. Posizionamento della sonda: Limitato: la posizione della sonda è limitata nella fase di progettazione dell'impianto. Flessibile: la posizione della sonda può essere regolata anche durante l'intervento chirurgico. Numero di sonde: il numero di sonde che potrebbero essere impiantate. Si noti che l'impianto di >2 sonde su un topo rappresenta una sfida significativa indipendentemente dal sistema implantare scelto. Riutilizzabilità delle sonde: sì, se le sonde possono, in teoria, essere riutilizzate. Peso/dimensioni: peso e ingombro dell'impianto. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Table%201.xlsx" target="_blank">Clicca qui per scaricare questa tabella.</a>
Per creare un sistema che concili queste diverse esigenze in modo più fluido, l'impianto DREAM è stato progettato sulla base dell'impianto Vöröslakos21, ma con diverse modifiche fondamentali. Innanzitutto, per ridurre il peso complessivo dell'impianto, il microdrive utilizzato qui è prodotto in alluminio lavorato anziché in acciaio inossidabile stampato in 3D e la corona di Faraday è miniaturizzata, ottenendo una riduzione del peso complessivo di 1,2-1,4 g a seconda della scelta del materiale della piastra di testa (vedere la Tabella 2). In secondo luogo, la piastra di testa che circonda il microdrive è stata progettata per consentire un meccanismo di fissazione della testa integrato che consente un fissaggio rapido e senza stress, fungendo anche da base per la gabbia di Faraday, dando accesso alla maggior parte delle potenziali aree target per le registrazioni neuronali e aggiungendo solo un peso minimo all'impianto. La forma piatta del meccanismo di fissazione e l'assenza di sporgenze garantiscono inoltre una minima compromissione del campo visivo o della locomozione degli animali (vedi Figura 2A-C), un netto miglioramento rispetto ai sistemi precedenti31,32. Anche la corona di Faraday e l'anello fissati sulla piastra sono stati sostanzialmente modificati rispetto ai modelli precedenti. Ora non richiedono alcun adattamento ad hoc (ad esempio, in termini di posizionamento del connettore) o saldature durante l'intervento chirurgico, eliminando le potenziali cause di danni all'impianto e la variazione imprevedibile della qualità dell'impianto. Al contrario, l'impianto DREAM offre più varianti standardizzate dell'anello della corona che consentono di posizionare ciascun connettore in una delle quattro posizioni predefinite, riducendo al minimo la variabilità e lo sforzo durante l'intervento chirurgico. Infine, ottimizzando il sistema implantare per il recupero della sonda, l'impianto DREAM consente agli sperimentatori di ridurre drasticamente i costi e il tempo di preparazione per impianto, poiché il microdrive e la sonda possono essere recuperati, puliti e riutilizzati insieme.
Per una panoramica più esaustiva dei compromessi posti dai diversi sistemi implantari, vedere la Tabella 1. Sebbene l'approccio qui presentato generalmente non fornisca prestazioni massime rispetto a tutte le altre strategie, ad esempio in termini di dimensioni, stabilità o costi, opera nella gamma superiore di tutti questi parametri, rendendolo più facilmente applicabile a un'ampia gamma di esperimenti.
Tre aspetti del protocollo sono particolarmente cruciali per adattarsi a ciascun caso d'uso specifico: la costellazione di terra e riferimento, la tecnica per cementare il microdrive e la convalida dell'impianto tramite registrazione neuronale. In primo luogo, durante l'impianto dei perni di messa a terra e di riferimento, l'obiettivo era identificare il punto di equilibrio tra stabilità meccanica/elettrica e invasività. Mentre, ad esempio, i fili d'argento galleggianti incorporati nell'agar sono meno invasivi delle viti ossee33, sono probabilmente più inclini a staccarsi nel tempo. L'utilizzo di perni, accoppiati ad agar, garantisce un collegamento elettrico stabile pur avendo il vantaggio di essere più facile da controllare durante l'inserimento, evitando traumi tissutali. È improbabile che i perni di messa a terra cementati al cranio si stacchino e, nel caso in cui il filo si separi dal perno, il riattacco è solitamente semplice a causa della maggiore superficie e stabilità del perno impiantato.
Tabella 2: Confronto dei pesi dei componenti tra l'impianto DREAM e l'impianto descritto da Vöröslakos et al.21. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Table%202.xlsx" target="_blank">Clicca qui per scaricare questa tabella.</a>
In secondo luogo, la cementazione del microdrive dovrebbe generalmente avvenire prima dell'inserimento della sonda nel cervello. Ciò impedisce il movimento laterale della sonda all'interno del cervello se il microdrive non è perfettamente fissato nel supporto stereotassico durante l'inserimento. Per controllare il posizionamento della sonda prima di cementare il microdrive in posizione, è possibile abbassare brevemente la punta del gambo della sonda per accertare dove entrerà in contatto con il cervello, poiché l'estrapolazione della posizione di atterraggio può essere difficile dato lo spostamento della parallasse del microscopio. Una volta stabilita la posizione del microdrive, è possibile proteggere la craniotomia con elastomero siliconico prima di cementare il microdrive per garantire che il cemento non entri accidentalmente in contatto con la craniotomia; Tuttavia, non è consigliabile abbassare la sonda attraverso l'elastomero siliconico, poiché i residui di elastomero siliconico possono essere aspirati nel cervello e causare infiammazione e gliosi.
In terzo luogo, a seconda del protocollo sperimentale utilizzato, una registrazione del test subito dopo l'intervento chirurgico può essere utile o meno. In gran parte, l'attività neuronale registrata subito dopo l'inserimento della sonda non sarà direttamente rappresentativa dell'attività registrata cronicamente, a causa di fattori come il gonfiore cerebrale transitorio e il movimento dei tessuti attorno alla sonda, il che significa che è improbabile che sia la profondità di inserimento che le forme d'onda spike si stabilizzino direttamente. Pertanto, le registrazioni immediate possono servire principalmente ad accertare la qualità generale del segnale e l'integrità dell'impianto. Si consiglia di utilizzare la slitta mobile del microdrive nei giorni successivi all'intervento chirurgico, una volta che il cervello si è stabilizzato per mettere a punto la posizione. Questo aiuta anche a evitare di spostare la sonda di oltre 1000 μm al giorno, riducendo al minimo i danni al sito di registrazione e migliorando così la longevità del sito di registrazione.
Infine, gli utenti potrebbero voler adattare il sistema per registrare da più di una posizione di destinazione. Poiché questo sistema è modulare, l'utente ha un ampio margine di manovra su come assemblare e posizionare i componenti in relazione tra loro (vedi sopra e Figura 3 e Figura 4 supplementare). Ciò include modifiche che consentirebbero di montare una navetta estesa orizzontalmente sul microazionamento, consentendo l'impianto di più sonde o di grandi sonde multi-serbatoio, nonché l'impianto di più microazionamenti singoli (vedere la Figura 3 supplementare e la Figura 4 supplementare). Tali modifiche richiedono solo l'uso di un anello della corona adattato, con un numero maggiore di zone di montaggio per connettori/schede di interfaccia/headstage. Tuttavia, i limiti di spazio di questo design sono dettati dal modello animale, in questo caso il topo, il che rende l'impilamento di più sonde su un microdrive più attraente in termini di ingombro rispetto all'impianto di diversi microdrive indipendentemente l'uno dall'altro. I microdrive utilizzati qui possono supportare sonde impilate e, quindi, l'unica vera limitazione è il numero di stadi o connettori che possono adattarsi ai vincoli di spazio e peso definiti dal modello animale. I distanziatori possono essere utilizzati anche per aumentare ulteriormente i percorsi di montaggio e inserimento non verticali.
In conclusione, questo protocollo consente l'impianto di una sonda economico, leggero e notevolmente regolabile, con l'ulteriore vantaggio di un design a microdrive che dà priorità al recupero della sonda. Questo affronta i problemi del costo proibitivo delle sonde monouso, l'elevata barriera delle competenze chirurgiche e implantari, nonché il fatto che le soluzioni commerciali per l'impianto cronico sono spesso difficili da adattare a casi d'uso unici. Questi problemi rappresentano un punto dolente per i laboratori che già utilizzano l'elettrofisiologia acuta e un deterrente per quelli che non intraprendono ancora esperimenti di elettrofisiologia. Questo sistema mira a facilitare la più ampia diffusione della ricerca sull'elettrofisiologia cronica al di là di queste limitazioni.

<a href="https://app.jove.com/t/6665">This corrects</a> the article <a href="https://https://dx.doi.org/10.3791/66867">10.3791/66867</a>

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/66867">The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice</a>. The Authors&#160;section was&#160;updated.

Erratum: The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice

L'elettrofisiologia con sonde in silicone impiantate cronicamente è emersa come una potente tecnica per studiare l'attività neurale e la connettività negli animali comportabili, in particolare nei topi, grazie alla loro trattabilità genetica e sperimentale1. Le sonde laminari in silicio, in particolare, hanno dimostrato di essere uno strumento inestimabile per identificare le relazioni funzionali all'interno delle colonne corticali2 e per mettere in relazione le dinamiche di grandi popolazioni neuronali con il comportamento in un modo che era impossibile in precedenza3.
Due approcci complementari sono gli attuali gold standard per la registrazione dell'attività neurale in vivo: microscopia a due fotoni 4,5 ed elettrofisiologia extracellulare6. La scelta della metodologia di registrazione limita la natura delle letture che possono essere ottenute: la microscopia a due fotoni è particolarmente adatta agli studi longitudinali di neuroni identificabili individualmente in grandi popolazioni nel tempo, ma soffre di alti costi di attrezzatura ed è limitata agli strati superficiali della corteccia nei cervelli intatti. Inoltre, la tipica risoluzione temporale di ~30 Hz limita la sua capacità di catturare le dinamiche neuronali in corso 7,8.
Al contrario, le registrazioni elettrofisiologiche offrono un'elevata risoluzione temporale (fino a 40 kHz) per tracciare l'attività neuronale momento per momento, possono essere applicate ampiamente in tutte le specie e nelle profondità corticali e hanno configurazioni relativamente economiche rispetto alla microscopia a due fotoni. Tuttavia, l'identificazione dei singoli neuroni, così come il tracciamento longitudinale delle popolazioni neuronali, sono difficili da realizzare. Ciò vale in particolare per gli elettrodi a filo, ad esempio i tetrodi, e per l'inserimento acuto di elettrodi. Oltre a non avere la capacità di tracciare i neuroni durante le sessioni di registrazione9, le inserzioni acute ripetute causano un trauma locale10 che monta una risposta immunitaria11, aumentando la possibilità di infezione e gliosi. Ciò riduce in ultima analisi la stabilità dell'attività neuronale registrata e l'aspettativa di vita degli animali da esperimento, limitando l'ambito degli studi longitudinali con registrazioni elettrofisiologiche acute a pochi giorni12.
Le registrazioni croniche di sonde al silicio ad alta densità mirano a combinare alcune delle migliori caratteristiche dell'elettrofisiologia acuta e dell'imaging a due fotoni. Possono tracciare le dinamiche della popolazione neurale tra le sessioni con una capacità solo leggermente ridotta di identificare i singoli neuroni rispetto all'imaging a due fotoni13. Queste registrazioni offrono un'elevata flessibilità nel posizionamento spaziale e una precisa risoluzione temporale dei segnali registrati, nonché una migliore longevità e benessere degli animali da esperimento rispetto alle registrazioni acute14. Inoltre, a differenza delle registrazioni acute, l'elettrofisiologia cronica richiede un solo evento di impianto, riducendo efficacemente il rischio di infezione e danni ai tessuti e minimizzando lo stress sugli animali15. Collettivamente, questi vantaggi rendono l'elettrofisiologia cronica un potente strumento per studiare l'organizzazione e la funzione del sistema nervoso.
Tuttavia, le tecniche di impianto cronico comunemente utilizzate per i topi costringono i ricercatori a fare compromessi significativi tra compatibilità con le registrazioni comportamentali, peso dell'impianto, replicabilità degli impianti, costi finanziari e facilità d'uso complessiva. Molti protocolli implantari non sono progettati per facilitare il riutilizzo delle sonde16, aumentando notevolmente il costo effettivo dei singoli esperimenti e rendendo quindi economicamente difficile per alcuni laboratori l'uso dell'elettrofisiologia cronica. Inoltre, spesso richiedono un ampio lavoro di prototipazione e progettazione interna, per il quale le competenze e le risorse potrebbero non essere presenti.
D'altra parte, i sistemi implantari integrati17 offrono una soluzione più ampiamente accessibile per l'elettrofisiologia cronica nei roditori. Questi sistemi sono progettati per integrare un microdrive che tiene la sonda con il resto dell'impianto per semplificare la manipolazione dell'impianto e le procedure chirurgiche. Tuttavia, una volta impiantati, tali sistemi possono essere pesanti e limitare la capacità dello sperimentatore di adattare in modo flessibile un esperimento a diverse coordinate target. Spesso, il loro peso preclude gli impianti negli animali più piccoli, potenzialmente compromette il movimento dell'animale e induce stress18. Ciò può influenzare in modo sproporzionato la ricerca su coorti di giovani e femmine, poiché è più probabile che le limitazioni di peso influenzino questi gruppi.
Inoltre, non tutti i sistemi integrati consentono la regolazione delle posizioni degli elettrodi dopo l'impianto. Questo è rilevante, poiché la gliosi o la cicatrizzazione dovuta all'inserimento della sonda19, specialmente nelle prime 48 ore dopo l'impianto20, possono ridurre la qualità dell'attività neuronale registrata. Le microregolazioni della profondità di inserimento della sonda possono limitare questi effetti negativi sull'integrità del segnale. Pertanto, i meccanismi di microposizionamento, comunemente chiamati microazionamenti, possono essere utili anche in sonde con un gran numero di elettrodi distribuiti su tutta la loro lunghezza.
Per superare questi compromessi, introduciamo un nuovo sistema implantare di elettrofisiologia cronica per topi che affronta i limiti dei progetti precedenti offrendo una soluzione leggera, economica e modulare. Il sistema implantare DREAM è progettato per pesare meno del 10% (~2,1 g) del peso corporeo tipico di un topo, garantendo il benessere degli animali e un impatto minimo sul comportamento. La convalida del design dell'impianto DREAM mostra un impatto minimo sulle metriche chiave comportamentali come la locomozione, che può essere influenzata in modo significativo nei roditori quando i carichi vengono posizionati sul cranio. Ciò può avvantaggiare i paradigmi sperimentali che utilizzano animali in movimento libero e con la testa fissa, aumentando il benessere degli animali e consentendo esperimenti più etologicamente validi.
Il sistema include un microdrive per la regolazione flessibile della profondità di registrazione fino a 7 mm e può essere adattato a diversi tipi di sonde e dispositivi di registrazione, fornendo ai ricercatori uno strumento economico e versatile per varie applicazioni sperimentali. Il sistema è abitualmente combinato con un microdrive21 in metallo, che offre un recupero costante della sonda rispetto ad altri sistemi (tasso di recupero medio previsto: circa tre riutilizzi affidabili per sonda) e riduce drasticamente il costo dei singoli esperimenti.
Il design è dotato di una gabbia di Faraday protettiva stampata in 3D, che consente una protezione economica ma robusta dal rumore elettrofisiologico, dagli impatti meccanici e dai materiali infettivi, consentendo registrazioni stabili e prive di rumore che soffrono di tassi di infezione minimi. Questa gabbia impiantabile è costituita dalla cosiddetta "corona", progettata per la protezione dagli urti e per fornire una struttura per il rivestimento in rete metallica conduttiva della gabbia di Faraday, e dall'anello della corona, che funge da supporto per un amplificatore impiantabile e/o un connettore della sonda (vedere la Figura 1).
Infine, le piastre di testa incluse nel sistema implantare modulare sono progettate per essere compatibili con un nuovo ed efficiente sistema di fissazione della testa senza aggiungere ulteriore ingombro all'impianto. A differenza di altri sistemi esistenti, non richiede il serraggio di piccole viti vicino all'impianto, accelerando la fissazione dei topi nella configurazione sperimentale e migliorando la relazione sperimentale-animale, nonché l'aderenza comportamentale. Allo stesso tempo, la piastra di testa viene utilizzata come base su cui costruire gli altri moduli del sistema di elettrofisiologia cronica DREAM.
I file di progettazione per l'impianto DREAM sono pubblicati come hardware open source su https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/. Nelle sezioni seguenti, verranno descritte la progettazione e la fabbricazione del sistema implantare DREAM, verrà dimostrata la sua implementazione di successo in un modello murino e verranno discusse le sue potenziali applicazioni e vantaggi rispetto ai sistemi esistenti.

<table><tbody><tr><td>Presa di coda per saldatura da 0,05"</td><td>Mill-Max</td><td>853-93-100-10-001000</td><td></td></tr><tr><td>1,1'-dioctadecile-3,3,3',3' - Perclorato tetrametilindocarbocianino ('DiI'; DiIC18(3))</td><td>ThermoFisher</td><td>D282</td><td>Colorante lipofilo utilizzato per una verifica istologica più semplice della localizzazione della sonda</td></tr><tr><td>Stucco adesivo (Blu-Tack)</td><td>Bostik</td><td>308590110</td><td>Le varianti (ad esempio di Pritt) dovrebbero essere disponibili nel tuo negozio di cancelleria</td></tr><tr><td>Agar</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A1296</td><td>Fai con soluzione salina per la conduttività.</td></tr><tr><td>Amplificatore (Miniamp-64)</td><td>Cambridge Neurotech</td><td></td><td>Amplificatore e digitalizzatore miniatura e impiantabile. Possibile uso di digitalizzatore impiantabile alternativo o connettore Omnetics impiantabile.</td></tr><tr><td>Crema analgesica (EMLA Cream)</td><td>Aspen</td><td>39699/0088</td><td>Crema analgesica usata per il dolore operatorio contenente prilocaina, lidocaina.</td></tr><tr><td>Distanziatore angolato</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>Distanziatore inclinato per montaggio non perpendicolare per la trasmissione Open souce, disponibile anche su https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/</td></tr><tr><td>LED di cura della luce blu</td><td>B.A. International</td><td>818223</td><td>Luce di polimerizzazione del primer. Lunghezza d'onda 420-480 nm</td></tr><tr><td>Cera ossea</td><td>SMI</td><td>Z046</td><td>Cera per proteggere la craniotomia e la sonda dopo l'intervento.</td></tr><tr><td>Buprenorfina</td><td>Elanco Europe LTD</td><td>401513</td><td>Soluzione iniettabile di buprenorfina (0,3 mg/mL)</td></tr><tr><td>Rete di rame</td><td>Dexmet</td><td>3CU6-050FA</td><td>Rete di rame usata per schermare elettricamente e fisicamente la sonda e la craniotomia.</td></tr><tr><td>Colla cianoacrilato (Loctite)</td><td>Loctite</td><td>1363589</td><td>Colla gel di cianoacrilato</td></tr><tr><td>Cemento dentale (SuperBond C& B)</td><td>Sun Medical</td><td>K058E</td><td>Cemento dentale (SuperBond)</td></tr><tr><td>Crema di depilazione (Veet)</td><td>Veet</td><td>310000091434</td><td>Crema depilatoria per rimuovere i peli intorno al sito chirurgico.</td></tr><tr><td>Enrofloxacina (Baytril)</td><td>Elanco Europe LTD</td><td>00879/4117</td><td>Soluzione iniettabile di enrofloxacina (25 mg/mL)</td></tr><tr><td>Corona di Faraday</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>Gabbia protettiva impiantabile stampata in 3D. Open souce, disponibile anche su https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/</td></tr><tr><td>Anello di Faraday</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>Anello protettivo impiantabile stampato in 3D per gabbia di Faraday. Open souce, disponibile anche su https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/</td></tr><tr><td>Spugna emostatica</td><td>SMI</td><td>ZHG101010</td><td>Spugna emostatica a gelatina assorbibile</td></tr><tr><td>Tubi termorestringibili</td><td>Hellermann Tyton</td><td>TA32-9/3 BK</td><td>Tubo termotermorestringente per realizzare pinze con punta morbida</td></tr><tr><td>Iodio</td><td>Braunol</td><td>9322507</td><td>Soluzione acquosa di povidone-iodio.</td></tr><tr><td>Metamizole (Novalgin)</td><td>Sanofi-Aventis Gmbh</td><td>4527098</td><td>Metamizolo iniettabile (500mg/mL)</td></tr><tr><td>Metamizole (Novalgin)</td><td>Sanofi-Aventis Gmbh</td><td>1553758</td><td>Soluzione metamizola</td></tr><tr><td>Microdrive (R2Drive)</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>Micro drive in metallo recuperabile con navetta mobile. Open surse, disponibile anche su https://buzsakilab.github.io/ 3d_print_designs/</td></tr><tr><td>Olio minerale</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M5310-100ML</td><td>Olio usato come solvente per creare il gel protettivo per la craniotomia.</td></tr><tr><td>Salviette anti-smaltiche (Kimtech)</td><td>Kimtech</td><td>7552</td><td>Salviette anti-stacco</td></tr><tr><td>Introduzione</td><td>Bisco</td><td>B-7202P</td><td>Adesivo universale per cranio che impedisce all'umidità di deteriorare il cemento e fornisce una base solida su cui costruire il cemento.</td></tr><tr><td>R2PortaDrive</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>Accessorio stereotassico per montare R2Drive. Open surse, disponibile anche su https://buzsakilab.github.io/ 3d_print_designs/</td></tr><tr><td>Fasciatura autoaderente</td><td>3M</td><td>VB050</td><td>Fasciatura protettiva per impianto post-intervento</td></tr><tr><td>Sonda al silicio (H2)</td><td>Cambridge Neurotech</td><td></td><td>Sonda in silicio lineare cronica impiantabile con 32 canali. Possibile un uso alternativo della sonda.</td></tr><tr><td>Elastomero di silicone (Duragel)</td><td>Cambridge Neurotech</td><td></td><td>Elastomero in silicone</td></tr><tr><td>Intonaco al silicone (Kwikcast)</td><td>WPI</td><td>KWIK-CAST</td><td></td></tr><tr><td>Epossidica conduttiva d'argento</td><td>MG Chemicals</td><td>8331D-14G</td><td>Epossidica d'argento</td></tr><tr><td>Pinza Dumont taglia 5</td><td>FSTools</td><td>11251-10</td><td>Piccole pinze per sollevare il lembo osseo.</td></tr><tr><td>Filo d'acciaio inossidabile, rivestito in Teflon</td><td>Prodotti Scientifici GmBH</td><td>SS-3T</td><td>Filo di terra</td></tr><tr><td>Stereotassa (RWD)</td><td>RWD</td><td>68803</td><td>Stereotassa per interventi chirurgici sui topi.</td></tr><tr><td>Tergazyme</td><td>Alconox</td><td>1304</td><td>Un possibile detergente enzimatico per pulire la sonda</td></tr><tr><td>Resina epossidica a due parti a fissaggio rapido</td><td>Gorilla</td><td>EP3</td><td>Epossidica per il legame permanente delle parti dell'impianto DREAM.</td></tr><tr><td>Manico rotondo delle Forbici a molla Vannas</td><td>FSTools</td><td>15403-08</td><td>Forbici veterinarie a rimbalzo a molla dritta da 0,075 mm.</td></tr><tr><td>Colla di cianoacrilato veterinario (Vetbond)</td><td>3M</td><td>70-0068-5256-3</td><td>Colla di cianoacrilato veterinario</td></tr></tbody></table>

l'impianto dream: un sistema implantare leggero, modulare ed economico per l'elettrofisiologia cronica in topi con testa fissa e a comportamento libero

The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice

Le registrazioni elettrofisiologiche croniche nei roditori hanno migliorato significativamente la nostra comprensione delle dinamiche neuronali e della loro rilevanza comportamentale. Tuttavia, gli attuali metodi per l'impianto cronico delle sonde presentano forti compromessi tra costi, facilità d'uso, dimensioni, adattabilità e stabilità a lungo termine.
Questo protocollo introduce un nuovo sistema di impianto di sonde croniche per topi chiamato DREAM (Dynamic, Recoverable, Economical, Adaptable, and Modular), progettato per superare i compromessi associati alle opzioni attualmente disponibili. Il sistema offre una soluzione leggera, modulare ed economica con elementi hardware standardizzati che possono essere combinati e impiantati in semplici passaggi ed espiantati in modo sicuro per il recupero e il riutilizzo multiplo delle sonde, riducendo significativamente i costi sperimentali.
Il sistema implantare DREAM integra tre moduli hardware: (1) un microdrive in grado di trasportare tutte le sonde in silicio standard, consentendo agli sperimentatori di regolare la profondità di registrazione su una distanza di corsa fino a 7 mm; (2) un design tridimensionale (3D) stampabile e open-source per una gabbia di Faraday indossabile rivestita in rete di rame per la schermatura elettrica, la protezione dagli urti e il posizionamento dei connettori, e (3) un sistema di fissazione della testa miniaturizzato per migliorare il benessere degli animali e la facilità d'uso. Il protocollo chirurgico corrispondente è stato ottimizzato per la velocità (durata totale: 2 ore), la sicurezza della sonda e il benessere degli animali.
Gli impianti hanno avuto un impatto minimo sul repertorio comportamentale degli animali, sono stati facilmente applicabili in contesti in movimento libero e con la testa fissa e hanno fornito forme d'onda spike chiaramente identificabili e risposte neuronali sane per settimane di raccolta dati post-impianto. Le infezioni e le altre complicanze chirurgiche erano estremamente rare.
In quanto tale, il sistema implantare DREAM è una soluzione versatile ed economica per l'elettrofisiologia cronica nei topi, migliorando il benessere degli animali e consentendo esperimenti più etologicamente validi. Il suo design semplifica le procedure sperimentali in base a varie esigenze di ricerca, aumentando l'accessibilità dell'elettrofisiologia cronica nei roditori a un'ampia gamma di laboratori di ricerca.

Questo protocollo presenta un sistema di impianto cronico che consente ai ricercatori di implementare registrazioni di elettrofisiologia cronica leggere, economiche e sicure in topi comportanti (Figura 1). I principali fattori che determinano il successo dell'applicazione di questo approccio includono: copertura completa del cemento del cranio, una craniotomia minimamente invasiva e adeguatamente protetta, fissaggio sicuro del microdrive e del cablaggio al cranio e completa continuità del materiale protettivo di Faraday. Se si tiene conto di questi punti, è possibile ottenere registrazioni di alta qualità in modo coerente. Qui vengono mostrati i risultati rappresentativi relativi ai seguenti aspetti principali del successo della chirurgia:
1) L'impianto interferisce con il comportamento o il benessere degli animali? 2) La qualità del segnale è alta e i segnali possono essere mantenuti per periodi di tempo prolungati? 3) Le registrazioni possono essere combinate facilmente con l'esecuzione delle attività?
Per valutare l'impatto dell'impianto sul comportamento animale, abbiamo analizzato i modelli di locomozione tracciati in cinque animali impiantati. La Figura 2A mostra un esempio di un animale che si muove liberamente all'interno di una gabbia di gioco per 10 minuti prima e 1 settimana dopo l'impianto. Si può vedere che i modelli di movimento sono invariati. Questa osservazione è confermata dalla Figura 2B, C che mostra le distribuzioni delle velocità di movimento e delle direzioni della testa tra gli animali. Sia la velocità di corsa che le direzioni della testa sono rimaste sostanzialmente invariate prima e dopo l'impianto e, semmai, le velocità di corsa sembravano essere leggermente elevate dopo l'intervento chirurgico. Il video supplementare 1 mostra una breve registrazione video di un animale 6 giorni dopo l'intervento di impianto. I comportamenti tipici delle gabbie domestiche come la locomozione, la toelettatura, l'allevamento e il foraggiamento nell'ambiente domestico sono tutti visibili e indicano il successo del recupero dall'intervento chirurgico, così come la salute generale. Il basso impatto comportamentale dell'impianto è molto probabilmente dovuto al suo peso ridotto e all'altezza gestibile.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig02.jpg"> Figura 2: Locomozione prima e dopo l'intervento chirurgico. (A) Esempio di locomozione di un animale prima (pannello sinistro) e dopo l'impianto (pannello destro). Le coordinate x/y sono in centimetri, i punti mostrano la posizione dell'animale in ogni punto temporale per un periodo di 10 minuti. (B) Distribuzione delle velocità di movimento in cm/s per 5 sessioni prima e 3 sessioni dopo l'impianto in 5 animali. (C) Densità del kernel per la probabilità di movimento in diverse direzioni, per le stesse sessioni analizzate in (B). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig02large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Successivamente, viene valutata la qualità del segnale nel Local Field Potential (LFP) e l'attività di picco nei siti di registrazione. Qui, mostriamo dati rappresentativi da registrazioni corticali nella corteccia visiva primaria (V1). Per la convalida, l'attività putativa di una singola unità è stata estratta dai segnali neuronali a banda larga registrati in V1 di un topo sveglio utilizzando Kilosort 3 (vedi Figura 3). La Figura 3A mostra la posizione delle singole unità estratte sul gambo della sonda, la Figura 3B mostra le corrispondenti forme d'onda spike e la Figura 3C mostra le risposte di picco degli stessi neuroni a un protocollo di densità di sorgente di corrente (CSD). In questo paradigma, i lampi a campo largo sono stati presentati con una durata di 300 ms a una frequenza di 1 Hz (cioè 300 ms on, 700 ms off) in 200 prove. Infine, la Figura 3D mostra le risposte delle stesse unità a un protocollo di mappatura del campo ricettivo visivo, costituito da 2000 fotogrammi di quadrati bianchi e neri selezionati casualmente su sfondo grigio, e ciascuno presentato per 16,6 ms. I quadrati coprivano 12 gradi di angolo visivo ciascuno e sono stati selezionati da un campo di 15 x 5 posizioni possibili in modo che il paradigma di mappatura coprisse uno spazio visivo da -90 a +90 gradi di azimut e da -30 a +40 gradi di elevazione in totale. Le risposte della velocità di sparo a ciascun fotogramma di stimolo sono state estratte analizzando la frequenza di sparo massima in una finestra di 16,6 ms, soggetta a un ritardo compreso tra 40 e 140 ms, identificata come ottimale per canale in base all'attività massima in ciascuna finestra. Questo tipo di registrazione può essere utilizzato per guidare la regolazione della profondità di inserimento di ciascun elettrodo e per valutare la qualità del segnale dopo l'intervento chirurgico di impianto.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig03.jpg"> Figura 3: Segnali neuronali registrati. (A) Posizione dedotta delle singole unità ordinate dal pacchetto di smistamento a 3 punte Kilosort lungo i contatti degli elettrodi della sonda. (B) Forme d'onda di picco per le stesse unità mostrate in A in 5 ms di tempo. Linee sottili: forme d'onda di picchi individuali. Linee spesse: forma d'onda del picco medio. (C) Grafico raster dei picchi in risposta a un paradigma di densità di sorgente di corrente (CSD) che presenta lampi widefield di 300 ms seguiti da uno schermo nero di 700 ms. Le risposte vengono mostrate per le stesse unità di misura di A e B. Le linee colorate sovrapposte rappresentano gli istogrammi del tempo peri-stimolo (PSTH) delle stesse risposte. Le velocità di sparo per i PSTH sono state calcolate in bin da 10 ms e quindi normalizzate dalla velocità di sparo massima su tutto il PSTH. Il tempo 0 è centrato attorno allo stimolo del flash a campo largo. (D) Campi recettivi stimati delle stesse unità di misura in A-C, misurati con un paradigma di mappatura del campo ricettivo del rumore sparso. Ogni grafico mostra l'attività media della frequenza di attivazione in una finestra di analisi di 16,6 ms in risposta all'insorgenza (pannello di sinistra) o all'offset (pannello di destra) di stimoli quadrati bianchi e neri. Gli stimoli sono stati presentati per la durata di 16,6 ms, situati in modo casuale su una griglia quadrata di 5 x 15 che copre 180 gradi di angolo visivo in orizzontale e 70 gradi di angolo visivo in verticale. L'attività della velocità di sparo è stata valutata z su tutta la griglia del campo ricettivo (vedi barra dei colori). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig03large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
La qualità della registrazione è rimasta elevata per registrazioni ripetute per settimane o mesi. La Figura 4A mostra le registrazioni longitudinali di LFP da un animale nell'arco di 15 settimane. Le LFP sono state registrate in risposta al paradigma CSD descritto sopra (vedi Figura 3A-C). La Figura 4A mostra le risposte LFP medie 500 ms dopo l'inizio del flash. In questo esempio, abbiamo utilizzato una sonda lineare con 32 canali, con una distanza interelettrodica di 25 μm. Si noti che il giorno 18, la profondità della sonda è stata regolata, spostando la sonda verso il basso di 600 μm. Sia prima che dopo questa regolazione, i segnali LFP sono rimasti stabili durante i giorni di registrazione.
Coerentemente con ciò, le forme d'onda spike di singole unità putative erano distinguibili in molte registrazioni. La Figura 4B mostra esempi rappresentativi di forme d'onda di picco da tre sessioni di registrazione in un mese di registrazioni, dimostrando che l'attività di una singola unità può essere identificata con successo nel tempo. La Figura 4C mostra il numero complessivo di singole unità putative estratte da registrazioni croniche in sei animali, in una finestra fino a 100 giorni. Le singole unità sono state definite secondo i criteri predefiniti di kilosort 3.0 (vedi Tabella supplementare 1). Come si può vedere, il numero di singole unità chiaramente definite ammontava tipicamente a ~40 nella prima settimana dopo l'impianto, per poi diminuire gradualmente, spostandosi verso un asintoto apparentemente stabile di ~20 unità. Dato che queste registrazioni sono state condotte utilizzando sonde lineari a 32 canali, ciò equivale a una resa prevista di circa 1,25 singole unità per elettrodo subito dopo l'impianto, che scende a circa 0,65 singole unità per elettrodo nelle registrazioni a lungo termine. Le connessioni ripetute all'amplificatore/connettore dell'impianto nel corso delle sessioni non sembrano influire sulla qualità della registrazione o sulla stabilità dell'impianto, poiché la corona di Faraday che sostiene l'amplificatore/connettore può resistere a forze ripetute di oltre 10 Newton, un ordine di grandezza superiore anche alle forze di accoppiamento massime richieste dai connettori standard (vedere il video supplementare 2).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig04.jpg"> Figura 4: Stabilità delle registrazioni neuronali nel tempo. (A) Attività media della LFP in risposta a uno stimolo CSD flash a campo largo, mostrata su tutti i 32 canali di una sonda impiantata cronicamente da 3 a 110 giorni dopo l'impianto. La linea verticale rossa indica che la sonda è stata abbassata in una nuova posizione a causa della registrazione dei canali 0-8 dall'esterno del cervello entro il giorno 18 dopo l'intervento chirurgico. (B) Forme d'onda spike di tre unità di esempio dello stesso impianto cronico registrate ripetutamente nell'arco di quattro settimane. Linee sottili: forme d'onda di picchi individuali. Linea sovrapposta spessa: forma d'onda media del picco. (C) Il numero di singole unità putative rilevate da Kilosort 3 nei giorni di registrazione per 6 animali (vedi legenda nel riquadro). Il quadrato rosso indica i giorni in cui la sonda è stata spostata. La linea tratteggiata indica il numero di elettrodi per impianto utilizzati in queste registrazioni (32). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig04large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Infine, fornendo un sistema modulare che include un microazionamento, una gabbia di Faraday indossabile e una piastra per la testa che funge anche da base per l'impianto e un dispositivo per il fissaggio della testa, questo protocollo consente l'integrazione dell'elettrofisiologia cronica con il comportamento fisso della testa. Qui vengono mostrati i dati di esempio dei topi che attraversano un ambiente virtuale su un tapis roulant sferico. La Figura 5A mostra l'attività di picco correlata alla corsa di 20 unità in una prova di esempio. La Figura 5B mostra le diverse ma robuste relazioni tra la velocità di corsa e l'attività di picco delle singole unità con spike sorted, nonché una media della popolazione per lo stesso effetto nella Figura 5C, confermando l'effetto ben consolidato dell'attività locomotoria sull'attività neuronale nel roditore V124.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig05.jpg"> Figura 5: Risposte neuronali durante il comportamento a testa fissa. (A) Grafico raster delle risposte di singole unità in una prova di esempio, con sovrapposizione della velocità di corsa (linea viola) e delle frequenze medie di sparo in tutte le singole unità (linea azzurra). (B) Attività di una singola unità durante diverse categorie di velocità di marcia, mostrata per sei unità di esempio. (e) Attività media di picco in tutte le singole unità in una sessione di esempio, tracciata attraverso i cinque quinitili della distribuzione della velocità di corsa. Le velocità di corsa in questa sessione variavano da 0 a 0,88 metri/secondo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig05large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Tabella supplementare 1: Tabella che mostra i parametri predefiniti utilizzati da Kilosort 3 per identificare le singole unità nelle registrazioni mostrate in Figura 3, Figura 4 e Figura 5. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Table%201.zip" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>
Video supplementare 1: Video che mostra l'attività locomotoria degli animali dopo l'impianto. Il video girato dopo 5 giorni di recupero è completo, mostrando il normale comportamento locomotore, nonché l'adattamento alle dimensioni e al peso dell'impianto. L'animale può essere visto normalmente esplorare una gabbia da gioco contenente arricchimento ambientale. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20video%201.zip" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>
Video supplementare 2: Video che mostra l'applicazione della forza sulla corona di Faraday assemblata. Le forze sopportate dalla corona di Faraday sono circa un ordine di grandezza più grandi della forza di connessione necessaria per i connettori standard come i nanoconnettori polarizzati a 4 pin. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Video%202.zip" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>
Figura supplementare 1: Figura che mostra le immagini del supporto dell'unità. I file di progettazione stampabili possono essere trovati nel corrispondente repository Github (https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%201.zip" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>
Figura supplementare 2: Modello per rete di rame. Stampa il modello con la scala originale e usa lo stencil per ritagliare la rete di rame (passaggio 2.12). Utilizzare la barra della scala per verificare e, se necessario, regolare la scala della stampa. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%202.zip" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>
Figura 3 supplementare: Serie di foto che mostrano le fasi di assemblaggio dell'impianto durante l'intervento chirurgico. In questo caso sono installati due microdrive e due amplificatori. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%203.zip" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>
Figura 4 supplementare: Disegno del cranio di topo con esempio di posizionamento di unità, craniotomie (in verde) e pin GND/REF (in rosso). La posizione del pin è suggerita a causa del posizionamento nel cervelletto, che è improbabile che interferisca con le registrazioni corticali. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%204.zip" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>

Qui presentiamo un sistema di impianto di sonde leggero ed economico per l'elettrofisiologia cronica nei roditori, ottimizzato per la facilità d'uso, il recupero della sonda, la versatilità sperimentale e la compatibilità con il comportamento.

L'impianto DREAM: un sistema implantare leggero, modulare ed economico per l'elettrofisiologia cronica in topi con testa fissa e a comportamento libero

Chronic electrophysiological recordings in rodents have significantly improved our understanding of neuronal dynamics and their behavioral relevance. ...

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Comprendere i substrati neurali del comportamento richiede la registrazione di un ensemble di circuiti cerebrali. A causa della sua trattabilità genetica, il topo offre un modello per la dissezione del circuito e il mimetismo della malattia. Qui, viene descritto un metodo di progettazione e fabbricazione di sonde miniaturizzate adatto per mirare alla struttura cerebrale profonda del topo.

Progettazione e fabbricazione di Ultralight Peso, regolabili sonde multi-elettrodo per elettrofisiologiche Registrazioni nei topi

Qui, descriviamo un progetto di micro-drive, una procedura di impianto chirurgico e una strategia di recupero post-operatorio che consentono registrazioni croniche sul campo e singole unità da più regioni del cervello contemporaneamente in topi giovani e adolescenti attraverso una finestra di sviluppo critica dal giorno postnatale 20 (p20) al giorno postnatale 60 (p60) e oltre.

Un impianto di azionamento leggero per registrazioni croniche di tetrodi in topi giovani

Qui, presentiamo un impianto unico e stampabile in 3D per ratti, chiamato TD Drive, in grado di registrare elettrodi a filo bilaterali simmetrici, attualmente in un massimo di dieci aree cerebrali distribuite contemporaneamente.

TD Drive: un impianto parametrico open-source per registrazioni elettrofisiologiche multi-area in ratti comportamentali e addormentati

Questo protocollo è stato sviluppato per creare un sistema affidabile e facilmente accessibile per la registrazione dell'EEG dei roditori in movimento libero.

Un protocollo economico e minimamente invasivo per la registrazione dell'elettroencefalografia cronica multisito in topi che si muovono liberamente

Vi presentiamo un metodo a basso costo di progettare e costruire una luce headstage pre-amplificatore sistema con registrazione simultanea neurali e la capacità di stimolazione. Questo dispositivo può essere impermeabilizzati utilizzare in animali nuoto.

Progettazione e Costruzione di un Headstage conveniente per simultanea Stimolazione Neurale e registrazione nel Labirinto d&#39;acqua

Il controllo neurale e processi cognitivi possono essere studiati attraverso i movimenti oculari. Il software VisualEyes consente all'operatore di programmare stimoli su due schermi di computer in modo indipendente utilizzando un linguaggio semplice, scripting personalizzato. Il sistema è in grado di stimolare i movimenti oculari tandem (saccadi e di esercizio regolare) o movimenti oculari opposti (di convergenza) o qualsiasi combinazione.

VisualEyes: un sistema software modulare per la Sperimentazione oculomotoria

Descriviamo la progettazione e l'assemblaggio di cuffie miniaturizzati adatti per la sostituzione dei feedback uditivo naturale di un uccello canoro con un segnale acustico manipolato. In linea hardware di elaborazione del suono viene usato per manipolare l'uscita canzone, introdurre in tempo reale gli errori di feedback uditivo tramite le cuffie, e guidare l'apprendimento vocale motore.

Un leggero, Cuffie-based per la gestione di sistema feedback uditivo in Songbirds

Descriviamo l'uso di optogenetica e registrazioni elettrofisiologiche per manipolazioni selettive delle oscillazioni di teta hippocampal (5-10 Hz) in topi si comporta. L'efficacia di trascinamento ritmo è controllata mediante potenziali di campo locale. Una combinazione di opto - e farmacogenetica inibizione indirizzi la lettura efferente di sincronizzazione hippocampal.

Optogenetica trascinamenti di teta Hippocampal oscillazioni nel comportarsi topi

Modelli animali di impianti cocleari possono far progredire le conoscenze delle basi tecnologiche di trattare la perdita permanente dell'udito neuro-sensoriale con stimolazione elettrica. Questo studio presenta un protocollo chirurgico per assordante acuta e l'impianto cocleare di un array di elettrodi in topi come pure la valutazione funzionale con risposta uditiva del tronco cerebrale.

Chirurgia di impianto cocleare e registrazioni di risposta elettricamente evocate uditive del tronco cerebrale in topi C57BL/6

Il protocollo presentato produce un persistente conflitto sensoriale per esperimenti volti a studiare l'apprendimento a lungo termine. Da indossare permanentemente un dispositivo fisso sulle loro teste, topi sono continuamente esposti a una mancata corrispondenza sensoriale tra gli input visivi e vestibolari mentre si muove liberamente in casa gabbie.

A lungo termine conflitto sensoriale a comportarsi liberamente topi

Scopri un sistema implantare leggero e modulare per elettrofisiologia cronica in topi e macachi durante compiti di realtà virtuale. Questo metodo consente registrazioni neuronali di alta qualità durante comportamenti naturalistici.

Limpianto DREAM: un sistema implantare leggero, modulare ed economico per lelettrofisiologia cronica in topi con testa fissa e a comportamento libero (Video) | JoVE Journal

L'impianto DREAM: un sistema implantare leggero, modulare ed economico per l'elettrofisiologia cronica in topi con testa fissa e a comportamento libero

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