方法論記事

ワイヤレス、 In Vivo記録そして自由行動下ラットにおける神経活動の刺激のための双方向インタ フェース

DOI：

10.3791/56299

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2017年11月7日

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1Behavioral Neuroscience, Experimental and Biological Psychology, Philipps-Universität Marburg, 2Behavioral Neurosciences Institute (INeC), 3Thomas RECORDING GmbH, 4Department of Neurophysics, Philipps-Universität Marburg

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ワイヤレス、マルチ チャンネル記録と自由行動下ラットにおける刺激の双方向システムを導入します。システムは軽量でコンパクトなこのように animal´s の行動レパートリーに最小限の影響を持ちます。さらに、この双方向システムは、脳の活性化パターンと動作の因果関係を評価する洗練されたツールを提供します。

要約

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

体内電気生理学はミリ秒からマイクロ メートル スケールの動作と脳の活動の関係を調査するための強力な手法です。ただし、現在の方法はつなぎ縄でつながれたケーブル録音にほとんど依存またはのみ、記録または同じ時間や同じターゲットではなく神経活動の刺激のいずれか一方向システムを使用します。ここでは、新しいワイヤレス マルチ チャンネルの同時の録音そして自由行動下ラットにおける神経活動の刺激のための双方向デバイスが説明です。両方の記録されたアクティビティを送信との対象にすることができます単一のポータブル ヘッド ステージを通じて、システム動作脳刺激テレメトリ ベースのマルチ チャンネル ソフトウェアを使用してリアルタイム。ヘッド ステージはプリアンプと充電式電池は、重要な安定した長期的な録音や最大 1 h. のための刺激を許可する装備、ヘッド ステージはコンパクト 12 g (バッテリーを含む) の重量を量る、従って最小限の影響で、animal´s は、行動のレパートリーでは、メソッドを広範な行動のタスクに適用すること。また、メソッドは、ある神経活動と行動に及ぼす脳刺激が同時測定可能、特定の脳活性パターンと動作の因果関係を評価するためのツールを提供する主要な利点を持っています。この機能は、正確な評価、監視、および長期的な行動実験中刺激パラメーターの調整をできるように、脳深部刺激療法の分野の特に貴重なメソッドをなります。モデル構造として下の丘を使用してシステムの有効性が検証されました。

概要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

神経科学における基本的な質問は定義された神経回路でどのように電気的活動の動作の特定のフォームを生成します。体内電気生理学は記録または動物は行動の特定のタスクを実行している間に、脳の電気的活動を刺激するためのツールを提供する、この問題に対処するための強力な手法です。ただし、現在のシステムが頻繁につなぎ縄でつながれたケーブル録音1、2、可能性があります移動を制限して、animal´s の行動レパートリーの完全な表現を防止する使用します。ほとんどの単方向システムの使用また、3,4,5または刺激6、7の神経活動を記録、ない同じ時間、同じターゲットでそれを作るのいずれかを許可します。特定の脳活性パターンと動作の因果関係を解きほぐすことは難しい。いくつか無線のみ体内の準備のための双方向システムが現在利用可能です。しかし、彼らは通常重い (40-50 g) から成っている 2 つ独立したポータブル ユニット、すなわちヘッド ステージとバッテリ ベースの電力供給8,9,10、以下のレンダリングに接続されているバックパックと柔軟なセルフ グルーミングの動作中に、例えばケーブル断線の危険性を高める。前述の無線システムのどれもは、実験条件の再現性の高い完全 ethologically 有効な動作の中に神経の活動の完全な統合の概念を取得する埋込型電極ユニットを提供しています。

ここでは、新しいワイヤレス、生体内での録音そして自由行動下ラットにおける神経活動の刺激のための双方向デバイスが登場です。単一リムーバブル ヘッド段階で最大 4 つの独立した記録するチャネルを使用してマルチ チャネルの活動を送信できます、ターゲットすることができますリアルタイムでの脳の電気的刺激のためにトーマス ・ ワイヤレス システム (TWS) が運営しています。また、トーキョーワンダー サイトと互換性のある慢性埋込型電極ユニットは神経刺激と記録の両方できるよう開発されました。また録音および刺激のトーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ユーザー インターフェイスが表示されます。本研究では、デバイス全体の生体内および検証の実装について説明します。

トーキョーワンダー サイト システムを検証するためにあからさまな行動応答することができますその電気刺激によって誘発されるので、下丘はターゲットの神経構造として選ばれました。下丘の電気刺激が覚醒、横向き姿勢、背中のアーチ、凍結 (飛行) 避難行動などのラットの無条件の恐怖のような行動応答を引き出すことを広く知られています。この応答パターン模倣知覚された有害事象、攻撃または生存11,12,13への脅威などの環境課題によって誘発恐怖に反応しています。このような明確かつ明確な動作を引き出すことがトーキョーワンダー サイトに本当の挑戦を提供することとしました。

プロトコル

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

すべてのプロトコルおよび実験された現在のヨーロッパの指針に従って (2010/63/EU) と地方当局の承認を (Regierungspräsidium ギーセン、氏 20/35 Nr.25/2015).

1 です動物

  1. 家の男性大人 Wistar ラット (200-250 g) 順化するために手術の前に、少なくとも 1 週間の標準的な実験室の条件の下で 3-4 つのグループにします。
    2. 。
  2. 手術後 2 日間ペアの家ネズミ。高いアクリル蓋 1 つケージをカバーします。破損したおよび/または上不安定な時間なるリスクも増大して金属グリッド製インプラントが動けなくことができますので従来の蓋を避ける
    3. 。

2。定位脳手術

  1. 手術を始める前に整理し、次の装置および材料の準備: 滅菌はさみ、鈍端鉗子、手術用のへらから成る
    1. 取得無菌手術装置バリカン、歯科用ドリル、綿の芽
    2. 薬物やイソフルラン、キシロカイン、トラマドール塩酸塩、dexpantenol 眼軟膏、3% 過酸化水素、ポビドン ヨード、70% エタノールなど化学物質を取得します。
      3. 。
    3. ステンレス鋼製ネジ、アクリル樹脂、紫外線接着剤キャップ プロテクターなど固定材を取得します
      4. 。
    4. は、(i) 記録の単一電極から成る、電極ユニットを入手 (石英ガラス絶縁プラチナ タングステン電極、円錐形の先端形状、外径: 80 μ m があり、円錐形の先端、1 kHz: 500 k ω のインピー ダンス) または熱 (石英ガラスプラチナ/タングステン 4 コア電極、外径を絶縁: 100 μ m があり、円錐形の先端、インピー ダンスで 1 kHz: 500-800 k ω);(ii) 刺激電極 (プラチナ/イリジウム線 (プラチナ 90%、イリジウム 10%)、コア径 125µm、外径 150 μ m、インピー ダンス < 10 k ω) 白金線電極 (軸径、100 接触板、(iii) に接続されています。μ m; 図 1 a).
    5. 取得電極ホルダー電極ユニットに水溶性の接着剤で接着し、機能の少なくとも 2 時間を事前にテスト ( 図 1 b).
    6. 差動プリアンプから成る従来の係留システムを取得、主なアンプと、バンドパス フィルター録音アンプ
      7. 。
    7. 手袋、パッド、注射器と生理食塩水を加熱などの追加素材を入手します
      8. 。
    8. ホーム ケージを取得 (L h: 42 cm x W x 26 cm × 38 cm x).
  2. プロシージャ
    注: イソフルラン麻酔下で従来の定位脳手術中に電極の注入を実行します。
    1. 実験者が手袋、サージカル マスク、白衣を着ていることを確認します
      2. 。
    2. 誘導の部屋に動物を配置する麻酔を開始 (イソフルラン 4-5%、酸素の流れ 1 L/分、期間 ~ 5 分) です
      3. 。
    3. 鉗子で反射 (尾と足反射) の損失のための深い麻酔を確認するテストします
      4. 。
    4. 定位脳手術フレームの上顎切歯の棒に固定麻酔マスクに動物の頭を置き、麻酔を調整 (イソフルラン 2-3%、酸素流量 0.7 0.8 L/min).
    5. 修正動物を水平方向に配置、' イヤバーと上顎切歯バーを用いた定位放射線装置で頭
    6. 手術用バリカンやはさみを使用して手術野を剃るし、ポビドン ヨードで消毒します
      7. 。
    7. 加熱パッド低体温を防止し、乾燥を防ぐために dexpantenol 眼軟膏で眼の治療に動物を配置します
      8. 。
    8. キシロカインを注入 (0.3 0.4 mL、皮下、サウスカロライナ) 手術野の中心部にします
      9. 。
    9. 再び反射の損失をテストします
      10. 。
    10. は、頭蓋骨を公開する手術のフィールドの真ん中にメスで小切開 (1.5 cm) を作る。優しく皮膚を分離し、鉗子、はさみ、ヘラを使用して残存組織を削除します
      11. 。
    11. 慎重に過酸化水素コーティングの綿棒を使用して頭蓋骨をきれいします
      12. 。
    12. 4-5 小さな穴 (4.7 mm) ステンレス鋼製ネジの固定のため頭蓋骨をドリルします
      13. 。
    13. 電極ユニット/電極ホルダーをプリアンプに接続し、定位マイクロマニピュレーターを付ける ( 図 1B と 1 C).
    14. は、使用される動物によると脳アトラスから座標を使用してターゲット領域の上の頭蓋骨の穴 (約 7 mm) を開けます。本研究では、参考資料として提供する前に次の座標を使用して下の丘を目指した電極先端の位置: 前方/後方、− 8.8 mm;内側/外側、1.5 mm;背/腹、3.5 mm 14
      15. 。
    15. 綿棒に血を吸収です
      16. 。
    16. 電極先端標的部位に到達するまで垂直方向に電極ユニットを紹介します
      17. 。
    17. ステンレス鋼製ネジに沿って、皮膚の下のアース ケーブルを配置します
      18. 。
    18. モニター活動のスパイクし慎重にターゲット構造のアクティブなニューロンのゾーンに到達するまでマイクロマニピュレーターに電極位置を調整し、スパイクの並べ替えに適した信号対雑音比と神経活動を検出します
      19. 。
    19. 紫外線接着剤で頭蓋骨に電極ユニットを固定し、接触板、アクリル樹脂がネジをカバーします
      20. 。
    20. 生理食塩水 1 mL (i. p.) とトラマドール (25 mg/kg、サウスカロライナ) 脱水症状を防ぐ、術後鎮痛をそれぞれを確認し注入します
      21. 。
    21. ブラシを使用して電極ホルダーから電極ユニットは、水に浸した切断します
      22. 。
    22. ストップ麻酔は、定位脳手術フレームからラットを慎重に取り外します。電極からプリアンプを切断ユニット
    23. 注入電極ユニットのキャップ保護を接続し、実験の手順の中にのみ切断します
      24. 。
    24. 手術後 2 日目からホーム ケージでペアで動物を維持します
      25. 。 手術後 7 日間の期間の
    25. モニター動物の可能な創傷感染、体重、健康状態、日常生活や一般的な動作です。この回復期間後 体内 電気生理学および行動実験を実行します
      。 注: 手術は 60-90 分間続きます。手術中尾フリック反射を継続的に監視する必要がありますが、麻酔は、必要に応じて調整します
      26. 。

3。生体内で電気生理学

  1. 機器と手順
    注: 電気生理学的記録と刺激はトーキョーワンダー サイトを使用して実行されます。
    1. 取得プリアンプ内蔵型と接続されているバッテリ ヘッド ステージ (4 つの録音チャンネル; アナログ入力範囲を記録: 0-12 mV pk pk; 刺激出力: ±625 μ A;L x 幅 22 mm × 12 mm × h: 24 ×体重: 6 g バッテリー、12 グラムで、バッテリ; なしバッテリ時間 1 h まで)。このヘッド ステージは小型多極コネクタ ( 図 2) を介して注入電極ユニットに直接接続するのに適しています
      2. 。
    2. 取得 (リチウム イオン蓄積装置、3.7 4.2 V DC、27 mm × 20 mm × 6 mm、1 h 操作時間 230 mAh) バッテリー ヘッド ステージ ( 図 2) の上にマウントされています。必要に応じて能力 450 の交換用充電式バッテリーを使用して約 2.5 h 操作時間の mA。くると確認する緑色の光頭の段階でバッテリーがそれに接続されている
    3. トランシーバー (機) 標準の USB ポート経由でパソコンに接続でき、( 図 2 e) 5 m までの無線操作を取得します
      4. 。
    4. 取得電気刺激の神経活動の記録 TWS ソフトウェアとパーソナル コンピューター ( 図 3 と 図 4 ).
    5. テザーのプリアンプと手術中に使用するデータ集録システムを取得 (参照項目 2.1.5) 録音、および刺激の刺激発生器は、トーキョーワンダー サイトでの efficaciousness を比較するために目がさめているラットの手術後 1 週間
      。 注: 電気刺激が提供され、両方のシステムを使用して同じ注入電極ユニットから単一ニューロンの細胞活動が記録されます。刺激パラメーター (電流、パルス、周波数) は、脳の領域をターゲットによるとそれぞれの動物に調整必要があります。現在の研究では、150-250 μ A 2500 Hz 電流は下丘を刺激するために使用されたします
      6. 。
  2. 試金の行動
    注: トランシーバーと動物の頭の段階の間導入される金属の壁はない、TWS は広範な行動のタスクに適用されます。模範的な行動テストとしてそれは測定行動の一般的な活動と高架プラス迷路、齧歯動物 15 の不安様行動を評価するため標準的なテストのためのオープン フィールドで使用されました。ビデオカメラはオープン フィールド上中央に配置され、高架式十字迷路行動の記録。
    1. , 行動実験前に連続 3 日間 (各日 5 分) 各動物を扱います。各処理期間前に以前注入電極ユニットにバッテリーとヘッドのステージを接続します。録音または処理中の刺激を実行しないでください
      2. 。
    2. オープン フィールド
      1. オープン フィールドの中心にラットを配置 (40 cm × 40 cm × 40 cm; ~ 30 ルクスの光赤)、神経細胞記録の下で、少なくとも 5 分の装置を探索すること
        2. 。
      2. は、エスケープの閾値 - ランニングまたはジャンプを作り出す現在の最低の強度を決定します。本研究では高周波 2500 Hz 刺激を提供 (パルス幅: 100 μ s; パルス間隔: 100 μ s) ラット示したまで、手順 20 50 μ A の電流の強さの増 1 分間隔で下丘に逃避行
        3. 。
      3. ラットをホーム檻に戻り、オープン フィールド (0.1% 酢酸溶液) をきれいに、それを乾燥
        注: 上記の手順で説明した従来の係留システムと TWS の刺激効果を比較するために行った両方のシステムを使用しています
        4. 。
    3. 高架式十字迷路
      注: これらの実験で使用されるプラス迷路だったグレーのアクリル製し、から成っていた 2 つの開いた腕 (50 cm × 10 cm くらい) 2 つの閉じた腕と (50 cm 長さ 10 cm、幅 40 cm 高い壁 x) 中央 pla からtform の上昇床 16 上 50 cm。
      1. 腕が開いて向きプラス迷路の中心にラットを置き 5 分間に継続的な記録の下で装置を自由に探索すること
      2. に、エントリの数を記録し、5 分にわたって時間オープンとクローズの腕の中です
        3. 。
      3. その家のケージ、クリーン (0.1% 酢酸溶液) ラットを返し各試験前に迷路を乾燥
    4. 血流と組織学
      1. キシラジン/ケタミンを用いたラットの麻酔 (150 mg/kg と 100 mg/kg、それぞれ i. p.).
      2. 刺激ケーブルに注入電極ユニットを接続して電気刺激を適用 (現在強度 50 μ A、パルス幅: 100 μ s; パルス間隔: 100 μ s) 90 の中に電極先端近傍の小病変を生成するために s
        3. 。
      3. 刺激ケーブルを外し、左心室を通して動物を灌流と 0.1 M リン酸ナトリウム緩衝、pH 7.3 で 4% パラホルムアルデヒドの 200 mL に続いて生理食塩水 (詳細な説明は、リファレンスを参照してください 17。).
      4. 脳を取り外して 4 で新鮮な固定液で 4 時間にそれを浸す ° C
      5. メイン クリオスタットチャンバーの温度が-20 に確認 ° C
      6. ドライアイスに頭脳を凍結し、50 μ m シリアル コロナ セクション クライオスタットを使用にそれらをカットします
        7. 。
      7. Paxinos とワトソン 14 でアトラスによると電極先端の位置を特定するために cresylviolet のセクションを染色します
        8. 。

結果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

TWS テクニカル データ

無線システムでは、4 の独立した録音チャンネル、1 刺激チャンネルを提供しています。細胞活動が記録シングルコア電極によって拾われ、無線システムの高インピー ダンス信号入力に渡されます。記録された信号は AC 結合、差動入力プリアンプとバンドパス フィルター (固定信号帯域幅、500 Hz... 中古増幅 (x200)5 kHz) ため、本研究での主な関心はレコード単位の活動とないローカル フィールド電位、マルチ ユニット活動のみを記録します。統合されたプログラム可能なゲインの主なアンプは、4 チャンネルの録音 (x1、x2、x4、x8、x16、x32、x64) ソフトウェア可変利得を提供しています。X200, x400, x800, x1600, 3200, x の全体的なゲイン値を提供される無線システムの完全な信号チェーン x6400 と x12800。増幅、フィルタ リング後、アナログ信号はアナログ デジタル変換器によってデジタル化され、高周波キャリア変調、2.4 2.5 GHz ISM バンドを使用した無線機で送信。同じトランシーバーの種類は、伝送路の反対側に使用されました。この 2 番目のトランシーバーは、USB ポート経由でパソコンに接続されていた。伝送路は、信号増幅と動物にコンピューターから刺激の制御パラメーター コンピューターと逆の動物から細胞外記録された信号を送信する双方向データ伝送に使われました。

トーキョーワンダー サイトを使用して、マルチ ユニットの脳活動を記録し、下丘ラットはオープン フィールドで自由に移動しながら刺激することによって動物の動作を変更することは不可能だった。トランシーバー動物から 5 m までを置かれ、USB 経由でコンピューターに接続されていたポート (図 2を参照)。記録される信号の品質の比較、テザーとし無線システム、図 5に示します。トーキョーワンダー サイトは、有線録音システムとして同様の信号品質マルチ ユニットの活動を記録します。マイクロ刺激はトーキョーワンダー サイト ソフトウェアのパラメーターは刺激信号すなわち、リアルタイムで刺激パラメーターを更新する true 無線刺激はいくつかの頭の段階に接続された刺激電極に渡されます刺激ボタンを押すまでのミリ秒。したがって、ケージから出して、動物を取ることがなく刺激パラメーターを変更することが可能だった。この機能には、刺激の実験のための時間を最小限に抑えることができます 1 つ利点があります。

トーキョーワンダー サイトのソフトウェアは、1 つのグラフィカル ユーザー インターフェイス (図 3および図 4) を介して無線システム (録音や刺激など) のすべての機能の制御を許可するように特別設計されました。マイクロ-刺激、刺激信号を用いてトーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ユーザー インターフェイスを使用して開発されました。TWS の刺激は、電荷バランスの取れた定電流刺激モードで使用されました。刺激パターンは、ヘッド ステージの無線ユニットに統合された定電流刺激装置に無線で送られました。現在の刺激 (例えば本研究では下丘) 関心とトーキョーワンダー サイトの地面または参照電極として役立った大きい遠いカウンター電極のターゲットの配置作業電極間適用されました。刺激電極インピー ダンスおよび電圧定電流刺激装置のコンプライアンス、によって、本実験で必要になったくらいに低い電流のしきい値が ±625 μ A の最大刺激電流範囲を使用することが可能です。ここでは、バランスの取れた定電流刺激が 300 μ A までのピーク電流を併用した相性無料。相性刺激の場合最初のパルスが生理学的な効果を引き出すために使用される、2 番目のパルスは通常刺激パルス18の間に発生する電気化学的プロセスを反転させます。TWS ヘッド ステージ供給トーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ・ ユーザー インターフェイスを介して設定リアルタイム刺激パターン (図 4を参照)。

TWS ソフトウェアは 3 つの主なセクションに分かれています: (i) 刺激信号パラメーターと (iii) replayer ウィンドウを再生するためのすべての設定オプションで記録と刺激、(ii) 刺激発生器ウィンドウ コントロールでメイン ウィンドウ、記録されたデータ ファイル。メイン ウィンドウでは、最大 4 チャンネルの録音の記録された信号を表示、すべてのチャンネルのゲインを設定し、表示されている信号の記録を開始/停止することができます。信号データは、コンピューターのハード ディスク上のファイルに格納されます。ファイルのパスは、設定メニューで設定されます。録音パラメーター以外にもメイン ウィンドウは開始および刺激のプロセスを停止することができます。動物の脳に刺激電極を通過する現在の絶え間ない刺激がメイン ウィンドウの画面上でリアルタイムに表示されます。刺激信号のパラメーターは刺激パラメーター設定ウィンドウで調整済みです。モノラルまたは二相性の刺激パルス列を定義し、すべての一般的に使用される刺激のようにたとえばパルス幅、パルス振幅、パルス ・ パラメーターを設定するのには (詳細については図 4を参照) のパルス等の時間することが可能です。事前に選択されたパラメーター値に起因刺激パルス機能が刺激発生器ウィンドウのグラフィック表示で表示されます。

トーキョーワンダー サイトのソフトウェアは、ユーザビリティの側面に従って設計されました。ソフトウェアの使いやすさは、無線刺激/記録実験と安全で快適な作業環境の円滑な進行を保証する重要な要因です。また、実験の再現性を改善するために役立ちます。

単一ユニットの録音データと電気刺激

細胞外のマルチ ユニットの活動はトーキョーワンダー サイトと従来のつながれた記録システムを使用して同じ注入電極から下丘で連続して記録されました。動物はオープン フィールドで自由に動いていた中、両方のシステムを使用して記録された代表的な raw データを図 5に示します。信号の直接の比較では、同じようなスパイク波形と騒音レベル (図 5 aと5 b) を示唆しています。スパイク フォームのデモは A に描かれている 'と B'。

以来、ラットでは、手術後とそれに続く日の間に TWS ヘッド ステージを削除しようとはしなかった、彼らの動きを著しく妨害しなかったし、不快感が発生するいないとしました。したがって、トーキョーワンダー サイトでは、ラットのテザーの録音に共通の問題だった除去など回避とコネクタおよびケーブルの咀嚼。確かに、ラット TWS ヘッド ステージはオープン フィールドを探索できたと迷路 (s プラスee 映画 1) 出展通常交差、飼育と行動をグルーミングします。

また、トーキョーワンダー サイトまたは従来のテザー システムで使用される刺激パラメーターが同じ行動結果を誘発、ここで逃避行。100 μ A から始まって、刺激電流振幅はステップバイ ステップで増加した - 最小電流の強さはランニングまたはジャンプを生産 - エスケープしきい値に達したし、避難行動が誘発されました。4 ラットの個々 のエスケープのしきい値は、両方のシステム (図 5) を使用する場合に似ていた。

figure-results-1
図 1:TWS 電極ユニット(・ テトロード単一電極/記録 1)、(2) 刺激電極、電極 (3) 光ファイバー接続ボード、(4) 柔軟な接続ケーブル、(5) 接地線、(6) コネクタ基板、トーキョーワンダー サイト システム (A) の (7) オスかメス コネクタプリアンプ (8) と (9); ホルダーに接続されている TWS 電極ユニット(B) 固定フレーム (C) に接続する準備ができています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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図 2: TWS ヘッド ステージの平面図は、アキュムレータ電源なしモジュール (A) を搭載しました。合計寸法: 高さ 12.5 m、奥行 24 mm (19.3 mm + 4.7 mm) 幅 22.1 mm、重量: 5.96 g. 下部表示 (B) 電極ユニット コネクタアキュムレータの電源、高さ 9 mm、奥行き 26 mm、幅 20 mm、重量 6 g (C);このテストに使用する TWS コンポーネントの概要: (1) 頭 (2) トランシーバー ユニットに接続して、コンピューターの USB ポート、TWS (3) ソフトウェア (D); animal´s プリントオンスカルミディアム マウント アキュムレータとのユニットのステージ自由に移動し、TWS ヘッド ステージを示すラットの写真は電極ユニット以前注入 (E) および模範的な記録された信号 (F) を示す TWS ソフトウェアに接続されています。TWS ヘッド ステージは、トーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ・ ユーザー インターフェイスを介して設定リアルタイム刺激パターンを提供します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

figure-results-3
図 3: トーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ユーザー インターフェイス、画面を記録します。下丘で注入した一つのバイポーラ記録電極と TWS の録画性能は、画面に描かれています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

figure-results-4
図 4: トーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ユーザー インターフェイスです。刺激画面 (A) と (B) 刺激パラメーター仕様。パルス幅 (PxW)、パルス振幅 (PxA) などの刺激信号パラメーター (C) インター パルス遅延 (IPD)、パルス (TBP) 電車 (PPT) や電車 (TBT) 間の時間当たりのパルス間の時間は TWS ソフトウェア グラフィカル ユーザー インターフェイスを介して調整可能です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

figure-results-5
図 5:マルチ ユニットの信号の品質比較は、TWS (A) と (B) 有線録音セットアップ細胞外記録されます。両方の録音は、下丘で注入した同じ TWS 電極ユニット (インピー ダンス 0.5MOhm) から得られました。軸の 2 つの記録電極接点間の距離は約 400 μ m だった。有線システムとトーキョーワンダー サイトの記録帯域が同一 (500 Hz.5 kHz)、(有線システム) 40 kHz と 32 kHz (TWS) サンプリングされた信号。両方のシステムでは、同様の信号品質マルチ ユニット活動を記録しました。発火率トーキョーワンダー サイトと有線の録音の間に明確な違いはありません。A の両方の録音からニューロンの活動電位波形が表示されます 'と B'。同様の刺激パラメーターが 4 ラット テザー システム (TS) を使用してエスケープしきい値に到達するために必要なまたは TWS (C)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

figure-results-6
映画 1:プラス迷路テスト中に通常の探索行動を示す模範的なラットトーキョーワンダー サイトでは、まだそれは小さなテスト装置をもつれさせて得ること、それは最小限しかタスク自体に干渉するので、十分に軽いワイヤーなしオープンとクローズの腕を入力する動物をことができます。してくださいここをクリックしてこのビデオを表示します。(右クリックしてダウンロード)

ディスカッション

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ここでは、広くアクセス可能な記録と刺激の無線システムの動物を自由に移動で電気生理学的行動学的研究が発表されました。トーキョーワンダー サイトは、モデル構造として下の丘を使用して行動の実験で検証されています。TWS アプローチには、既存の機能をいくつかの利点があります。まず、システムを使用して、1 つのポータブル TWS 頭-ステージ プリアンプとワイヤレス操作距離 5 メートル第二に同じバッテリーで 1 時間まで安定した長期的な録音ができ、充電式バッテリー搭載、TWS ヘッド ステージは軽量・ コンパクト、バッテリを含め 12 グラムの重量を量る、ヘッドのステージを取り外して配線を噛むからネズミを防ぐために開発されました。それはよく animal´s 行動のレパートリーに影響を及ぼすので動物が容認され、トーキョーワンダー サイトなしヘッド ステージが認め、広範な行動のタスクに適用できるシステムを作るします。第三に、システムは、リアルタイムで送信します。第四に、同時双方向記録、神経活動の刺激を通じてシステムは特定の脳活性パターンと動作、欠点を克服するための因果関係を評価するための高度なツールを提供します逆回転防止システム。この機能は、通常正確な評価、監視、および長期的な行動実験中刺激パラメーターの調整を必要とする脳深部刺激療法の分野の特に貴重なメソッドをなります。最後に、統合の記録、刺激と従来の定位手術中に簡単に埋め込むことができる参照電極と慢性埋込型電極ユニットが開発されました。このような観点からトーキョーワンダー サイトは刺激および記録の実験の再現性を高める統合された無線システムです。トーキョーワンダー サイトの録音の質は市販の有線計測システムで得られた記録品質のようなことが示された (図 5参照)。

ラット下丘の電気刺激を引き出す明確な避難行動に環境課題11,12の誘発を恐れる反応を模倣したランニングまたはジャンプ、によって特徴付けられることを広く知られています。 13。この現象は下丘トーキョーワンダー サイトまたは伝統的なテザー システムを使用して刺激することによって本研究に誘導されました。TWS の刺激の有効性をテストするためにエスケープしきい値-最小電流の強さはランニングまたはジャンプを生産-は、両方のシステムを用いて比較した.TWS ヘッド ステージでラットが迅速に実行できる、典型的な避難行動表示動きの自由すなわちジャンプ、オープン フィールドの外に登山します。重要なは、エスケープのしきい値は、従来システムと比較して似ていた。一緒に、むしろ挑戦的なパラダイムは、それは手間のかからない方法で習得する TWS の弾力性をテストするため使用されました。

トーキョーワンダー サイトは、注入電極ユニットは慢性的な使用を可能にするので慢性電気刺激実験に適しています。トーキョーワンダー サイトでは、頻度と行動応答を引き出すために有効である現在の刺激の量を正確に検出する方法で非常に正確に刺激の現在のパラメーターを調整することができます。また、同じ動物は 3 日後に同じ電流のしきい値と刺激された、同じ目的の行動が誘発されました。これは通常同じ行動応答を引き出すために繰り返される刺激と増加刺激電流振幅が必要です、現在の刺激による刺激電極周囲の組織が破損していないことを示唆しています。

さらに、実験者は、グラフィカル ユーザー インターフェイスでそれらを変更したときに TWS マイクロ刺激が刺激パラメーターのリアルタイムを更新するため、実験の時間を大幅に削減することが可能です。19他の電気刺激は、刺激パラメーター更新を再プログラムする前臨床研究の必要性に使用されます。その場合は、デバイスをプログラミングして、プログラミング ユニットにケーブルを介して動物をテザリング。トーキョーワンダー サイトを使用する場合、これは必須ではありません。

最後に、バッテリーは、バッテリーの交換も簡単に 2 ピン マグネット コネクタを介してヘッド ステージへの電気的接続、TWS ヘッド ステージの上に固定されます。利点は、実験中にある動物にはるかに快適である注入電極ユニットからトーキョーワンダー サイト ヘッド ステージを切断せず、バッテリーを変更することが可能です。本研究中にバッテリの動作時間は 1 h だけを使用しました。実験 1 h よりも時間がかかっている場合に、利用可能な充電済みのバッテリーを持っていることをお勧めします。トーキョーワンダー サイトは、(i) 230 mA 1 h 操作時間または約 2.5 h 操作時間 (ii) 450 mA の容量で交換用充電式バッテリーに接続できます。電池の両方のタイプは、15 分で完全に充電できます。

要約すると、神経を刺激するように設計し、自由に小動物の行動から記録はトーキョーワンダー サイトの運営について検討しました。埋込型電極ユニット、ヘッド ステージ、受信機、ソフトウェアの完全に統合されたセットは、同様に提示されます。無線の録音と刺激の質は、テザーの記録より、快適な光と動物に安全であることの優位性を持つシステムであることに似ています。したがって、他のアプローチは困難または不可能だろうトーキョーワンダー サイトを使用して、それは動物の移動を制限せず、刺激や状況下で神経細胞記録を制御する柔軟な方法を提供するので、テザー システムを交換できます。したがって、TWS は、定義された神経回路でどのように電気的活動を調査するための重要なツールが行動、神経科学における基本的な問題のある特定の形態を生成することができます。

開示事項

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共著者 Uwe トーマスとトーマス ・ サシャ「トーマス記録 GmbH」本研究で使用される、このペーパーで説明した一般的な研究トピックに関連する製品を開発しているの所有者であります。また、共同著者 Dirk Hoehl は、「トーマス ・記録 GmbH」から収入を受け取ります。財政的には、このような状況、会社がこの研究に関連している自社の製品のマーケティングで成功した場合。本研究で使用される「トーマス ・記録する」機器は、行動神経科学、実験的および生物学的心理学 - 任意の料金なしマールブルク大学マールブルク部に捧げられました。

謝辞

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この作品は、ドイツ産業研究連合会から助成金研究によって支えられた (AiF; 許可番号: KF2780403JL3)。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Thomas Wireless System (TWS) version 2.0Thomas RECORDING GmbHAN001165Thomas Wireless System (TWS) version 2.0 は、ラップトップコンピュータ、プリインストールされたMicrosoft Windowsオペレーティングシステム、TWS制御ソフトウェアを搭載したポータブルマルチチャンネルテレメトリシステムです。TWSには以下が含まれます:低ノイズ4チャンネルpre–固定帯域幅、シングルチャネル定数のプログラム可能なメインアンプ。二相性電流パルスのアプリケーション用の電流刺激装置、ソフトウェアプログラマブルマイクロ刺激装置、埋め込み型コネクタシステム、および動物に取り付けるための基本的なヘッドステージユニット。このシステムには、ラップトップまたはデスクトップパーソナルコンピュータ用のUSBポート接続を備えたトランシーバー、MicrosoftオペレーティングシステムWindowsで動作する制御ソフトウェアが付属しています。TWSシステムは、自由に行動する小動物(ラット、モルモットなど)の細胞外神経刺激および記録に使用できます。このシステムは、より大きな動物(霊長類など)にも使用できるように適合させることができます。
Thomas Wireless System(TWS)用ソフトウェアThomasRECORDING GmbHは、AN001165に含まれていますThomasワイヤレスシステム用のソフトウェアは、Microsoft Windowsオペレーティングシステムで実行され、Thomas Wireless System(TWS)のグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)を提供します。TWS GUIは、TWS機能の完全な制御を提供します:4チャンネル録音と1チャンネル刺激。
記録(4チャンネル)および刺激(シングルチャンネル)用の埋め込み型四極管RECORDING GmbHAN001132トーマスワイヤレスシステムズ(TWS).
で使用するための記録(4チャンネル)および刺激(シングルチャンネル)用の埋め込み型四極管 四極管 仕様: 四極管繊維 材質:石英ガラス断熱プラチナタングステン繊維、四極管繊維外径:100µm、先端形状D、インピーダンス0.5-0.8MOHm;基準電極:先端形状:D;インピーダンス:300-500kOhm;材質:石英ガラス絶縁プラチナ/タングステン;刺激電極仕様:繊維材質:プラチナ/イリジウム、直径:125&マイクロ;m、ラッカー絶縁、先端形状:D、インピーダンス:<10kOhm、電極の寸法はエンドユーザーによって指定することができます
記録(シングルチャンネル)および刺激(シングルチャンネル)用の埋め込み型マイクロ電極(シングルチャンネル)ThomasRECORDING GmbHAN001118トーマスワイヤレスシステムズ(TWS)で使用するための記録(シングルチャネル)および刺激(シングルチャネル)用の埋め込み型マイクロ電極
記録電極仕様: 電極繊維材料:石英ガラス絶縁プラチナタングステン繊維、 電極繊維外径:80µm/250µm(指定してください)、先端形状D、インピーダンス0.5-0.8MOHm;基準電極:先端形状:D;インピーダンス。300-500kΩ;材質:石英ガラス絶縁プラチナ/タングステン;刺激電極仕様:繊維材質:プラチナ/イリジウム、直径:125&マイクロ;m、ラッカー絶縁、先端形状:D、インピーダンス:<電極注入用10kΩ
ホルダーThomas RECORDING GmbHAN000838標準電極ホルダー用の微小電極注入用特殊曲げ金属棒です。ロッドは、埋め込み型電極を保持するために使用されます。埋め込み型電極は、特殊なThomas RECORDING水溶性接着剤(AN001080)でロッドに固定されています。(電極ホルダーは付属しません)
トーマス・ワイヤレス・システム用交換用アキュムレータ電源(3.7V/230mAh)Thomas RECORDING GmbHAN001208トーマス・ワイヤレス・システム用の交換用充電式バッテリー(アキュムレータ)で、容量は約1時間で230mAです。(サイズ:27mm×20mm×6mm、重量約6g)
トーマス・ワイヤレス・システム用交換用アキュムレータ電源(3.7V/450mAh)トーマス・レコーディングGmbHAN001209トーマス・ワイヤレス・システム用の交換用充電式バッテリー(アキュムレータ)で、容量は450mAで1時間以上の動作が可能です。(サイズ:48mm x 30mm x 4mm、重量約11g)
トーマス・ワイヤレス・システム(TWS)用アキュムレータ充電器トーマス・レコーディングGmbHトーマス・ワイヤレス・システム(TWS)用アキュムレータ充電器 トーマス・ワイヤレス・システム(TWS)AN001207充電式アキュムレータ(AN001209およびAN001209)用主電源充電器
トーマス・レコーディングGmbHAN001080トーマス・レコーディングの水溶性電極接着剤は、神経科学研究において埋め込み型微小電極と併用するために特別に選ばれた製品です。そのユニークな特性により、電極と取り付け装置の間の強固な接続が保証されますが、温水で簡単に取り外すことができます。Thomas RECORDINGの水溶性電極接着剤は、箱から出してすぐに使用でき、時間のかかる準備は必要ありません。Thomas RECORDINGの水溶性電極接着剤は、人間、動物、環境に害を及ぼすことはありません。数量:10グラムの
ミニチュア差動プリアンプThomas RECORDING GmbHAN000329ミニチュア差動プリアンプ、モデルMDPA-2は、興奮性組織からの低ノイズ録音用に設計された2チャンネルの差動入力プリアンプです。これは、Thomas Wireless System(TWS)を使用して自由に動く動物アプリケーション用の埋め込み型微小電極の埋め込みと組み合わせた細胞外記録を目的としています。2チャンネルミニチュア差動プリアンプ(MDPA-2)は、最初の10倍増幅ステージを提供するために、埋め込み型微小電極に接続されています。理想的には、Thomas RECORDINGの石英ガラス絶縁プラチナ/タングステン電極を使用して、高い信号振幅と低いノイズレベルで最適な録音結果が得られます。MDPA-2には、追加のコモングランドおよび参照電極入力があります。
接続ケーブルThomas RECORDING GmbHAN000330Thomas Miniature差動プリアンプ(MDPA-2)をメインアンプとアキュムレータ電源に接続するための接続ケーブルです。
ミニチュアプリアンプ用充電式電源Thomas RECORDING GmbHAN000328ミニチュア差動プリアンプ(MDPA-2)用充電式アキュムレータ電源です。
アキュムレータ充電器(米国)Thomas RECORDING GmbHAN000167電源AN000328用アキュムレータ充電器(米国主電源コンセントコネクタ)
アキュムレータ充電器(EU)Thomas RECORDING GmbHAN000168 電源AN000328用アキュムレータ充電器(EU主電源コンセントコネクタ)
差動プリアンプ/メインアンプ/バンドパスフィルタThomas RECORDING GmbHAN000677TREC ACメインアンプ(LabAmp-03)は、神経生理学的アプリケーション(微小電極による細胞外記録など)向けのシングルチャネル差動メインアンプです。この装置は、ミニチュア差動プリアンプ、モデルMDPA-2で動作するように設計されています。LabAmp-03のシングルチャンネルには、高ゲイン、低ノイズの差動アンプステージと、それに続く低周波および高周波フィルタが含まれています。アンプには2つの異なるフィルターアンプがあり、シングルユニットアクティビティ(SUA)フィルター–アンプとローカル電界電位(LFP)フィルタアンプは、どちらも信号経路で並列に接続されています。録音モードでは、最初のステージに2つのレベルの信号ゲイン(x10、x100)、最終アンプステージに4つの追加レベル(x5、x10、x25、x50)を提供します。各アンプは、シングルユニットアクティビティ(SUA)500Hz&hellipのバンドパス特性が異なります。20kHzおよびローカル電界電位(LFP)0,1Hz…140Hz。オーディオモニタとウィンドウディシミネーターがデバイスに統合されています。LabAmp-03には、スピーカー付きのオーディオモニターが内蔵されています。このユニットは、電気生理学的信号のオーディオ再生を提供します。このユニットは、オーディオアンプをコンパクトで頑丈なパッケージに組み合わせています。これは、神経発火と筋肉の収縮を監視するのに特に適しています。オーディオモニタ入力は、SUA-Filterアンプ出力に内部接続されています。LabAmp-03は、100-240V AC/50-60Hzの主電源動作電圧範囲の外部電源が付属しています。
USBオシロスコープThomas RECORDING GmbHAN001096USB PC Oszilloskop、2 Kanal.この2チャンネルPCオシロスコープは、ラップトップでのモバイル使用や、制御キャビネット、産業機器、および小型で軽量で強力なオシロスコープが必要な他の多くのアプリケーションに恒久的に設置するのに最適です。このオシロスコープは、メインアンプの信号出力に接続されており、トーマスワイヤレスシステム(TWS)の埋め込み型微小電極の説明中に記録された細胞外活動を表示するためのものです。ユーザーは、付属のPCソフトウェアを使用して、PC上のいくつかのデータインターフェースを介して直接測定データを取得できます。
刺激発生器マルチチャンネルシステムSTG3008-FA電流用刺激発生器(STG)と電圧駆動刺激は、電流駆動刺激、電圧駆動刺激、制御、タイミングの3つの機能を果たします。STGは、2、4、または8つの独立した出力チャンネルで利用できます。STGは、各出力チャンネルにアイソレーションユニットを内蔵しているため、任意の波形を提供できます。
電極用キャッププロテクターThomas RECORDING GmbHAN001193トーマスワイヤレスシステム用埋め込み型電極ユニット用保護キャップ
手術器具はさみ、鈍端鉗子、へら、外科用バリカン、歯科用ドリル、綿棒
薬剤・化学薬品イソフルラン、キシロカイン、塩酸トラマドール(Tramadol-CT、AbZ-Pharma GmbH、ウルム、ドイツ)、デクスパンテノール眼軟膏(Bepanthen、Bayer AG、レバークーゼン、ドイツ)、3%過酸化水素、ポビドン-ヨウ素(Betaisodona、Mundipharma GmbH、リンブルフ、ドイツ)および70%エタノール;
ステンレス製ネジ(BN650 M1.2x5、4.7 mm)、アクリル樹脂(Paladur、Heraeus Holding GmbH、ハーナウ、ドイツ)、紫外線接着剤(Cyberbond U3300、Cyberbond Europe GmbH、ドイツ)、キャッププロテクター(Thomas Recording GmbH、Giessen、ドイツ)固定材料
追加材料手袋、加熱パッド、注射器、生理食塩水。
小動物定位固定装置(SASI)Thomas RECORDING GmbHAN000287モデルは、研究で使用する動物(ラット、モルモット、サルなど)に応じて選択する必要があります
ビデオカメラEverFocusEverFocus、モデル:EQ150
オープンフィールド透明または灰色のアクリル製、丸い形状 40x40x40cm
高架プラス迷路灰色のアクリル製で、2本の開いた腕(長さ50 cm×幅10 cm)と2つの閉じた腕(長さ50 cm×幅10 cm、高さ40 cmの壁)で構成され、床から50 cmの高さの中央プラットフォームから伸びていました。
Thomas 1箱 などの。

参考文献

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