概要

TD Drive:行動および睡眠ラットにおけるマルチエリア電気生理学的記録のためのパラメトリックなオープンソースインプラント

Published: April 26, 2024
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概要

ここでは、現在最大10の分布した脳領域に同時に対称的な両側ワイヤー電極記録が可能なTD Driveという、ラット用のユニークな3Dプリント可能なインプラントを紹介します。

Abstract

複数の脳領域間の複雑な相互作用は、脳に起因するほとんどの機能の根底にあります。学習のプロセスと、記憶の形成と統合は、脳全体の機能的接続性に大きく依存する2つの例です。さらに、半球の類似性や相違点を調査することは、これらのマルチエリア相互作用と密接に関連しています。したがって、これらの複雑なプロセスをさらに解明しようとする電気生理学的研究は、複数の場所で同時に、そしてしばしば二国間で脳活動を記録することに依存しています。ここで紹介するのは、TD Driveと名付けられたラット用の3Dプリント可能なインプラントで、対称的な両側のワイヤー電極記録が可能で、現在、最大10の分布した脳領域に同時に配置されています。オープンソースの設計は、パラメトリック設計の原則を使用して作成されており、見込みユーザーは、記録電極位置の前後座標や中外側座標などの高レベルのパラメータを調整するだけで、ドライブ設計をニーズに合わせて簡単に適応させることができます。インプラントの設計は、さまざまなタスクを実行したn = 20匹のLister Hoodedラットで検証されました。このインプラントは、テザー睡眠記録とオープンフィールド記録(オブジェクト探索)だけでなく、2つの異なる商用録音システムとヘッドステージを使用した大きな迷路での無線録音にも対応していました。したがって、ここでは、新しい電気生理学的インプラントの適応可能な設計と組み立てを示し、迅速な準備と埋め込みを容易にします。

Introduction

覚醒と睡眠の間の脳の相互作用は多領域性であるため、進行中の生理学的プロセスを徹底的に研究することは困難です。機能的MRI(fMRI)や機能的超音波(fUS)などのアプローチでは、脳全体から脳活動をサンプリングすることができます1,2、神経血管結合を利用して血行動態活動から脳活動を推測するため、時間分解能が制限されます2。また、fMRIでは、研究対象をMRIスキャナーにセットする必要があり、自由に動く動物での実験は禁止されています。単一光子または多光子イメージングによるカルシウムダイナミクスの光学イメージングにより、数百のニューロンの細胞種特異的な同時記録が可能になります3。しかし、Miniscope3のようなヘッドマウント顕微鏡は、自由に動く行動を可能にしますが、通常は無傷の脳4の表面皮質領域をイメージングすることに限定されています。皮質上の視野の直径は1mm程度ですが、これらのヘッドマウント顕微鏡のスペース要件により、特に隣接する領域を対象とすることが難しくなる可能性があります。したがって、覚醒時と睡眠時のマルチエリアの脳ダイナミクスを正確に捉えるためには、関心のある脳領域に電極を埋め込んで記録する細胞外電気生理学が、その高い時間分解能と空間精度5から選択可能な方法の1つである。さらに、ヒト脳波から得られた分析と互換性のある動物の睡眠ダイナミクスの特性評価を可能にし、この方法の並進価値を高めます6

従来、細胞外電極を用いて脳活動を記録する研究では、四極管7などの個々のワイヤー電極または電極束が用いられてきた。Neuropixelsプローブ8 などの最先端のプローブは、動物を損なうことなくその軸に沿ってプローブを移植できる軸上に整列していることを考えると、複数の領域を同時に標的にすることができます。しかし、空間的に離れた複数のエリアを正確に同時録音することは、既存の方法が高価であったり、時間がかかったりするなど、依然として課題となっています。

近年、光造形法などの積層造形法が広く利用されるようになりました。これにより、研究者は、例えば、複数の脳領域の反復可能なターゲティングを簡素化するなど、実験要件9に適応可能な新しい電極インプラントを開発することができました。多くの場合、これらのインプラント設計はオープンソースのハードウェアとして学術コミュニティと共有され、他の研究者が自分の目的に適合させることができます。特定のインプラントの適応性の程度は、インプラントの設計方法と共有方法の両方の結果として異なります。パラメトリックモデリング10 は、コンピュータ支援設計の一般的なアプローチであり、設計のさまざまなコンポーネントが相互に依存するパラメータと定義された設計履歴によってリンクされます。インプラントの設計にパラメトリックなアプローチを実装すると、個々のパラメータを変更すると、設計の複雑な再モデリングを必要とせずに完全な設計が自動的に更新されるため、インプラントの再利用性と適応性が向上します10。その結果、デザイン自体が、パラメトリックな関係とデザイン履歴を保持する編集可能な形式で共有される必要があります。STL や STEP など、ジオメトリ プリミティブのみを表すファイル形式では、パブリッシュされたモデルの後続のパラメトリック修正は実行不可能になります。

四極管ハイパードライブ11,12,13は数十の四極管からの録音を可能にしますが、その組み立てと埋め込みには時間がかかり、その品質は個々の研究者のスキルと経験に大きく依存します。さらに、通常、記録電極を目標位置に向けるガイドチューブを1つまたは2つの大きな束にまとめるため、効率的にターゲットを絞ることができる領域の数と広がりが制限されます。

他のインプラント14,15は、完全な頭蓋骨を露出させ、記録電極を運ぶ複数の個別のマイクロドライブの自由な配置を可能にする。手術時間中に独立したマイクロドライブ16を配置すると、柔軟性が最大化されるが、手術時間が長くなり、個々のマイクロドライブのスペース要件のために複数の隣接領域を標的とすることが困難になる可能性がある。また、インプラントはオープンソースですが、STLファイルとしてのみ公開されているため、修正が困難です。

より固有のパラメトリック哲学を持つドライブの例は、RatHat17です。頭蓋骨の背側全体を覆う外科用ステンシルを提供することで、手術中に定位フレームを使用せずに、複数の脳ターゲットを正確にターゲティングすることができます。カニューレ、オプトロード、または四極筋用の複数のインプラントバリエーションが利用可能です。ただし、ドライブは学術目的で無料で使用できますが、オープンソースでは公開されていないため、研究者がインプラントを評価して使用するのはハードルが高くなります。

本稿では、ラットの細胞外電極記録用の新しい3Dプリント可能なインプラントであるTD Drive( 図1参照)を紹介します。TD Driveは、既存のソリューションの欠点を克服することを目的としています:それは、独立したワイヤー電極で、両方の半球にミラーリングされた複数の脳領域を同時にターゲットにすることができます。シンプルなデザインのため、経験の浅い研究者でも比較的低コストで数時間で組み立てることができます。TD Driveはオープンソースで公開されており、研究者が特定のニーズに合わせて調整できるように、簡単に変更できるファイル形式で公開されています。TD Driveの設計プロセスの初期段階からパラメトリック3Dモデリングアプローチを取り入れることで、変更が必要なパラメータを抽象化することができます:ターゲットの位置を変更するために、研究者はドライブ自体を再設計することなく、背腹座標と前後座標を表すパラメータを簡単に編集することができます。TDドライブを変更および製造するためのファイルは、 https://github.com/3Dneuro/TD_Drive にあります。

Figure 1
図1:TDドライブの概要(A)保護キャップ付きのTDドライブのレンダリング。(B)内部パーツが示されたレンダリング。TD Driveは、(a)固定および可動電極線用の複数のパラメトリックに調整可能な記録位置、(b)一般的なテザーおよびワイヤレスデータ収集システムと互換性のある高密度Omneticsコネクタを備えたEIB、および(c)Intan/Open Ephysシステムでの記録に最適化された直感的なチャネルマッピング(補足図1を参照)および(d)テザー録音中およびヘッドステージが接続されていないときにインプラントを保護するためのキャップ。(C)TDドライブの下部にあるガイドステンシルは、ガイドカニューレの配置を容易にし、手術中のインプラント位置の冗長な検証として機能します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

インプラントの設計は、n = 4で試験的に行われ、n = 8で検証され、異なるタスクを実行したn = 8のLister Hoodedラットで確認されました。最初の4匹は、ドライブの開発とパラメータの調整に使用されました。その後、8匹の動物でフルパイロットを実行しました(結果を参照)。8匹の動物の第2コホートを実行し、インプラント生存分析に含めました。このインプラントは、テザー睡眠記録とオープンフィールド記録(オブジェクト探索)だけでなく、2つの異なる商用記録システムとヘッドステージを使用した大きな迷路(HexMaze 9 m x 5 m)での無線記録にも対応していました。8人の2つのコホートは、長時間の睡眠記録用にテザー接続され、大規模な迷路探索記録用にワイヤレス化された2つの異なる取得システムで記録されました。この単純なワイヤードライブにより、経験の浅い研究者による大規模なコホートでの長期にわたる実験が可能になり、睡眠段階の分析や複数の脳領域での振動分析が可能になると結論付けることができます。これは、これまでのほとんどの電気生理学インプラントとは対照的であり、困難と時間の集中性のために、より小さな動物のコホートを可能にし、通常は非常に経験豊富な実験者を必要とします。ただし、このドライブでは、個々のニューロンの活動を記録することはできません。したがって、使用は局所電界電位(LFP)および総和活動の調査に限定されます。

Protocol

本研究は、オランダ中央委員会(CCD)によって承認され、動物実験法(プロトコルコード:2020-0020-006および2020-0020-010)に従って実施されました。到着時に9〜12週のオスのLister Hoodedラットを使用しました。プロトコールで使用される試薬と機器は、 材料表に記載されています。ドライブ構築プロセスの手順については、 補足図 1 および 補足?…

Representative Results

プロトコルに記載されている指示を使用して、TD Driveは複数の実験者によって簡単に構築できました。ドライブ開発(n = 4)の後、8匹の動物でフルパイロットが実行されました。さらに8匹の動物を移植し、実験データの収集を行いました。これらの動物についてはデータ解析が完了していないため、生存解析には含めていますが、他の解析(ターゲティングや組織型など…

Discussion

本稿では、自由に動くラットの左右対称マルチエリアワイヤー電極記録用の適応性インプラントを紹介します。

あらかじめ定義されたパラメータを変更することでインプラントを簡単に調整できることが、TD Driveを開発した動機の1つでした。パラメータの変更に対する柔軟性を最大限に高めることを目指す一方で、パラメータ間の関係に内在す?…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者は、ドライブを開発するためのインスピレーションを与えてくれたアンジェラ・ゴメス・フォンセカと、動物を使ったパイロット実験を行ったすべての学生、ミラン・ボガース、フロア・ファン・ラーベンスウォウド、エヴァ・セヴェライネンに感謝します。この研究は、オランダ研究評議会(NWO;クロスオーバープログラム17619「インテンス」)。

Materials

0.5 mm drill bit  McMaster 2951A38
1.27 mm pitch interconnected SIP/DIP socket (Mill-Max) Mouser Electronic 575-003101 For essembling and connection of EEG & GND screws
5 minute epoxy  Bison Commercially available regular off-the-shelf epoxy
cyanoacrylate glue Loctite Super Glue-3 
EEG wire Science Products GmbH 7SS-2T
Electrode wire Science Products GmbH NC7620F
Ethanol LC For standard pre-operative sterilization procedure of drive
Fine forceps (5) FST 91150-20 For wire bundle preperation and handling
Form 3B Formlabs 3D printer used to 3D print the self-printed parts of the TD drive
Gold pins (small) Neuralynx, Inc. 9885 Attachment of electorde wires to EIB board
Ground wire Science Products GmbH SS-3T/A
High-density connector  LabMaker GmbH/Omnetics A79026-001
Lister Hodded rats Charles River Laboratories Crl:LIS we used male rats, 9-12 weeks of age at arrival
M1 brass insert AliExpress Commercially available https://aliexpress.com/item/33047616164.html
M1 tap McMaster 2504A33
M1x16 screw Bossard 1096613
M1x3 stainless steel screws  Screws and More 84213_14985
M2.5×5 polyimide screws Screws and more 7985PA25S_50
mineral oil McMaster 1244K14
Nail polish Etos Commercially available For color coding EEG and GND wires
painter's tape Gamma Commercially available For wire bundle preperation
Pin vise McMaster 8455A16
plotting paper Canson Commercially available For wire bundle preperation
polyimide tubes Amazon / Small Parts TWPT-0159-30-50 AWG, 0.0159" ID, 0.0219" OD, 0.0030" Wall, 30" Length
RHD 32-channel headstage with accelerometer Intan Technologies, LLC C3324 For tethered recordings in the sleepbox
RHD 3-ft (0.9 m) standard SPI cables Intan Technologies, LLC C3203 From commutator to headstage
RHD 6-ft (1.8 m) standard SPI cables Intan Technologies, LLC C3206 From OpenEphys box to commutator
Slip Ring with Flange Adafruit 1196 Commutator: 22 mm diameter, 12 wires
Solder flux  Griffon S-39 50 ml Commercially available For soldering EEG & GND screws
soldering paste Amazon B08CBZ5HC5
stainless steel M2 nut  McMaster 93935A305
Tethered recording setup  OpenEphys Acquasition Board
Wireless recording logger SpikeGadgets miniLogger 32 For wireless recordings in the task
Wireless recording setup SpikeGadgets Main Control Unit (MCU) incl. breakout board and RF transceiver For wireless recordings in the task

参考文献

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記事を引用
Schröder, T., van der Meij, J., van Heumen, P., Samanta, A., Genzel, L. The TD Drive: A Parametric, Open-Source Implant for Multi-Area Electrophysiological Recordings in Behaving and Sleeping Rats. J. Vis. Exp. (206), e66457, doi:10.3791/66457 (2024).

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