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
2017年11月7日
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。
この研究の全体的な目標は、自由に行動するラットでマルチチャネル神経記録と刺激を実行するためのテレメトリー双方向デバイスを開発することでした。この新しいデバイスは、脳の活性化パターンと行動の因果関係など、行動神経科学分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。テレメトリーシステムを検証するために、電気刺激によって明白な行動反応が引き起こされる可能性があるため、下丘を標的神経構造として選択します。
下丘の電気刺激が、ラットの覚醒、凍結、逃避行動などの条件付けられた恐怖のような行動反応を引き起こすことは広く知られています。私たちは、このような明確で明確な動作を引き出すことができることが、私たちのテレメトリーシステムに真の課題をもたらすと想定していました。統合されたテレメトリーシステムは、ヘッドステージ、バッテリー、レシーバー、および定位固定手術中に埋め込まれる微小電極ユニットで構成されています。
こちらは当社が開発した完全統合型の無線システムで、単極、四極管、刺激電極、電極ファイバー接続ボード、フレキシブル接続ケーブル、アース線、コネクタボード、TWS用オスまたはメスコネクタ、プリアンプに接続されたTWS微小電極ユニット、定位固定装置フレームに取り付けるためのホルダーで構成されています。この手順を開始するには、イヤーバーと上切歯バーを使用して、動物の頭部を定位装置に固定し、水平に整列させます。次に、手術用バリカンまたはハサミを使用して手術野を剃り、ポビドンヨードで頭皮を滅菌します。
低体温症を防ぐために動物の下に温熱パッドを置き、デクスパンテノールで目を治療して乾燥を防ぎます。次に、手術部位の中央にキシロカインを注入します。その後、メスで小さな切開を行い、頭蓋骨を露出させます。
皮膚をやさしく分離し、残留組織を取り除きます。次に、過酸化水素でコーティングされた綿棒を使用して頭蓋骨を慎重に清掃します。続いて、ステンレス製のネジを固定するために、頭蓋骨に4つの小さな穴を開けます。
その後、電極ユニットを固定するためのターゲット領域の上の頭蓋骨に約7ミリメートルの穴を開けます。微小電極ユニットと電極ホルダーを、定位マイクロマニピュレーターに取り付けられているプリアンプに接続します。綿棒で血液を吸収します。
次に、先端が目的の領域に到達するまで、微小電極ユニットを垂直に導入します。アースケーブルをステンレス鋼のネジに沿って、スキンの下に配置します。その後、マイクロマニピュレータで電極を慎重に調整し、ターゲット構造内の活性ニューロンのゾーンに到達します。
その間、スパイクの活動を監視し、スパイクの選別に適した信号対雑音比で神経活動を検出します。次に、微小電極ユニットを紫外線接着剤で頭蓋骨に固定します。ネジとアースケーブルをアクリル樹脂で覆います。
その後、微小電極ユニットを電極ホルダーから外します。コンタクトプレートと細いケーブルをアクリル樹脂で覆います。ブラッドを定位フレームから慎重に取り外し、プリアンプを微小電極ユニットから外します。
次に、埋め込まれた微小電極ユニットのキャップ保護を接続し、実験手順中にのみ切断します。動物福祉を監視し、実験が終了するまで毎日スコアシートに記入します。手術後少なくとも1日間は、ラットを個別に自宅のケージに入れて回復させ、その後、ラットをペアで飼育します。
シングルケージは、高いアクリル製の蓋で覆う必要があります。従来の金属製の蓋は、インプラントが時間の経過とともに動かなくなったり、損傷したり不安定になったりするため、避けてください。TWSソフトウェアを開き、トランシーバーをコンピューターのUSBポートに接続します。
トランシーバーは、動物の5メートル以内に配置できます。トランシーバーと動物の頭部ステージの間に金属の障壁が導入されなくなると、TWSは幅広い行動タスクに適用できます。バッテリーをヘッドステージの上部に接続します。
バッテリーがヘッドステージに接続されている間、ヘッドステージで緑色のライトが点灯していることを確認してください。次に、ヘッドステージを埋め込まれた微小電極に直接接続します。模範的な行動テストとして、一般的な行動活動の測定にはオープンフィールドを使用し、ラットの不安のような行動を評価するための標準的なテストである高架プラス迷路を使用します。
オープンフィールドアッセイでは、ラットをオープンフィールドの中央に置きます。ラットが少なくとも5分間装置を探索するのを待ちます。接続ボタンを押して、ホストコンピューターをテレメトリーシステムに接続します。
ステータスがオフラインからオンラインに変わります。刺激パラメータ設定メニューを選択します。刺激実験に応じて刺激発生器のパラメータを選択します。
たとえば、パルス振幅 1、パルス振幅 2、パルス周波数、列車周波数などです。すべてのスティミュレーションパラメータが必要な値に設定されている場合は、マウスをスティミュラススタートに移動し、スティミュラススタートボタンを押します。マウスポインタを「グラフ開始表示」ボタンに移動します。
マウス・ポインターを「Graph View」メニューに移動して、スティミュレーション信号を表示するグラフを選択します。高架プラス迷路アッセイの場合、これらの実験で使用されたプラス迷路は灰色のアクリル製で、床から50センチメートルの高さにある中央プラットフォームから伸びる2つの開いたアームと2つの閉じたアームで構成されています。レートを中央の迷路に、開いたアームを向いて配置します。
5分間、装置を自由に探索できるようにします。接続ボタンを押して、ホストコンピューターをテレメトリーシステムに接続します。ステータスがオフラインからオンラインに変わります。
通信強度とバッテリー残量は、左上隅の緑色のバーで表示されます。設定メニューを押すと、グラフオプションが表示されます。ファイルパスメニューを選択して、記録されたデータを保存するファイル名とパスを入力します。
保存を押して、ファイル名とパスを保存します。表示の開始を押すと、4つの録音チャネルの検出信号の表示が開始されます。録音された信号はまだ保存されていないことに注意してください。
統合されたTWSヘッドステージのゲインを選択します amplifier。緑色の矢印を押してオーディオモニターを起動し、スライダーで信号のしきい値を選択して、バックグラウンドノイズを減らし、録音されたスパイクを音響的に表示します。録音メニューの赤い録音ボタンを押します。
録音ボタンを押すと、録音した信号がハードディスクに保存されます。録音された信号は、右側に連続して表示されます。ここに示されているのは、下丘に単一のバイポーラ記録電極を埋め込んだTWSの記録性能です。
その後、ヘッドステージを埋め込み型微小電極ユニットから取り外し、キャップ保護を接続します。その後、ラットをホームケージに戻します。細胞外マルチユニット活性は、TWSと従来のテザー記録システムを使用して、同じ埋め込み電極から下丘に連続して記録されました。
この図は、動物が野外で自由に動いていた間に、両方のシステムを使用して記録された代表的な生データを示しています。ここで信号を直接比較すると、スパイク波形とノイズレベルが類似していることが示唆されます。ここでは、自由に動く動物の電気生理学的および行動学的研究のための無線記録および刺激システムについて紹介しました。
私たちのアプローチには、既存のアプローチに比べていくつかの利点があります。まず、このシステムは単一のポータブルヘッドステージを使用しています。プリアンプと充電式バッテリーで保管します。
ヘッドステージはバッテリーを含めて12gと軽量・コンパクト。第二に、それは動物によってよく耐えられ、そのために動物の移動性を制限しないため、テザーシステムを置き換えるために使用できます。第三に、このシステムは、神経活動の双方向記録と刺激を同時に行うことで、特定の脳活性化パターンと行動との因果関係を評価するための洗練されたツールを提供します。
最後に、従来の定位固定手術中に簡単に埋め込むことができる慢性的な埋め込み型微小電極ユニットを開発しました。このビデオを見れば、微小電極ユニットの埋め込み方法や、電気刺激や細胞外神経記録の方法についてよく理解できるはずです。テレメトリックシステムは、脳刺激メカニズムを調査するための便利なツールです。
テレメトリーシステムは、定義された神経回路の電気的活動が特定の形態の行動をどのように生成するかを調査するために、広範な行動テストと組み合わせることができる重要なツールであり、神経科学の基本的な探求です。
概要
この研究は、自由行動するラットの多重チャンネル神経記録と刺激のためのワイヤレス双方向システムを提示します。このシステムは、動物の行動への影響を最小限に抑えつつ、脳の活性化パターンと行動の間の因果関係の評価を可能にするように設計されています。
主要な研究構成要素
科学分野
- 神経科学
- 行動神経科学
- 電気生理学
背景
- 神経活動と行動の間の因果関係を理解することは神経科学において重要です。
- 下丘は聴覚処理と行動反応を研究するための重要な構造です。
- 既存のシステムは自由行動する被験者に対して必要な柔軟性を提供しない可能性があります。
- 遠隔測定システムはリアルタイムデータ収集を可能にすることで実験設計を強化できます。
研究目的
- 多重チャンネル神経記録と刺激のための遠隔測定デバイスを開発すること。
- 下丘を対象神経構造としてシステムを検証すること。
- ラットの脳の活性化と行動反応の関係を探ること。
使用された方法
- ワイヤレス遠隔測定システムの設計と実装。
- マイクロ電極ユニットの埋め込みのための立体定位手術。
- オープンフィールドや高架十字路などの行動評価。
- 神経活動と行動反応のリアルタイムモニタリング。
主要な結果
- 遠隔測定システムは自由行動するラットの神経活動を成功裏に記録しました。
- 下丘の電気刺激は明確な行動反応を引き起こしました。
- システムは様々な行動タスクにおいて信頼性の高い性能を示しました。
- 収集されたデータは神経活動と行動の間の因果関係に関する洞察を提供しました。
結論
- 開発されたシステムは神経行動相互作用を研究するための貴重なツールです。
- 自由に動く被験者における複雑な行動パラダイムの探索を可能にします。
- 将来の応用は他の脳領域と行動コンテキストに拡張される可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Establishing causal links between neural circuit activity and behavior is critical for target validation in neuropsychiatric drug discovery. This wireless bidirectional interface enables simultaneous recording and stimulation in freely behaving animals, reducing confounding variables from tethered systems and improving translational confidence in mechanistic studies. The approach supports de-risking of targets involved in sensory processing, arousal, and affective states by allowing real-time assessment of stimulation effects on both neural dynamics and behavior.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of causal relationships between specific brain activation patterns and behavior, supporting target hypothesis testing.
- Operational Value: Provides a platform for functional validation of neural targets using stimulation-evoked behavioral readouts.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by linking target modulation to observable phenotypic outcomes in vivo.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantifiable, time-locked neural and behavioral data streams for assay standardization.
- Operational Value: Enables high-fidelity, reproducible measurements across subjects and sessions due to stable wireless performance.
- Assay Readiness: Facilitates screening of compounds or genetic manipulations that modulate neural-behavioral causality.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges acute mechanistic findings to chronic behavioral models through stable, long-term recording capability.
- Disease-Relevant System: Validated in inferior colliculus, a model for auditory processing and fear-related circuits relevant to anxiety and PTSD.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by providing concurrent neural and behavioral readouts of target engagement.
Pipeline & Workflow Integration
The system integrates into discovery workflows by enabling hypothesis-driven interrogation of neural circuits, supporting assay development for neuromodulator screening, and informing preclinical advancement through causal behavioral readouts.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification via real-time perturbation and observation of neural-behavioral relationships.
- Screening: Delivers quantitative, synchronized neural and behavioral outputs essential for evaluating compound effects on circuit function.
- Analytics: Provides multi-channel electrophysiological and behavioral time-series data enabling correlation and causal inference analyses.
- Translational Research: Connects acute target modulation to chronic behavioral phenotypes using chronically implantable electrodes.
- Enterprise Reuse: Designed as a reusable platform for multiple behavioral paradigms and brain targets across discovery campaigns.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by enabling causal inference in neural-behavioral relationships.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through wireless, tether-free operation in complex behavioral environments.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by reducing biological false positives through mechanistic de-risking.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on demonstrated causal control over behaviorally relevant outputs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotaxic surgery, neural implantation, and electrophysiological signal processing.
- Depends on telemetry infrastructure, including transceiver, head stage, and real-time stimulation software.
- Necessitates cross-team standardization for electrode placement, stimulation parameters, and behavioral assay protocols.
- Involves adaptation considerations for different brain targets, electrode configurations, and behavioral paradigms.
- Practical limitations include 1-hour battery life and susceptibility to signal disruption from metal barriers within 5 meters of the transceiver.
