무선, Vivo에서 녹음 하 고 자유롭게 행동 하는 쥐에서 신경 활동의 자극에 대 한 양방향 인터페이스
2017년 11월 7일
무선, 멀티 채널 신경 녹음 및 자유롭게 쥐 행동에 자극에 대 한 양방향 시스템 도입. 시스템은 가볍고 콤팩트, 따라서 animal´s 행동 레 퍼 토리에 최소한의 영향을 미치고. 또한,이 양방향 시스템 두뇌 활성화 패턴 및 행동 간의 인과 관계를 평가 하는 정교한 도구를 제공 합니다.
이 연구의 전반적인 목표는 자유롭게 행동하는 쥐에서 다중 채널 신경 기록 및 자극을 수행하기 위한 원격 측정 양방향 장치를 개발하는 것이었습니다. 이 새로운 장치는 뇌 활성화 패턴과 행동 사이의 인과 관계와 같은 행동 신경 과학 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 원격 측정 시스템을 검증하기 위해 우리는 전기 자극에 의해 명백한 행동 반응을 유도할 수 있기 때문에 하구를 표적 신경 구조로 선택합니다.
하구(inferior colliculus)의 전기 자극이 쥐에게 각성, 얼어붙음, 탈출 행동과 같은 조건화된 공포와 같은 행동 반응을 이끌어낸다는 것은 널리 알려진 사실입니다. 우리는 이러한 명확하고 명백한 행동을 이끌어낼 수 있다면 원격 측정 시스템에 실질적인 도전이 될 것이라고 생각했습니다. 통합 원격 측정 시스템은 헤드 스테이지, 배터리, 수신기 및 정위 수술 중에 이식되는 미세 전극 장치로 구성됩니다.
여기에 표시된 것은 단일 전극, 사극, 자극 전극, 전극 광섬유 연결 보드, 유연한 연결 케이블, 접지선, 커넥터 보드, TWS용 수 또는 암 커넥터, 프리에 연결된 TWS 미세 전극 장치 기록으로 구성된 당사에서 개발한 완전히 통합된 무선 시스템입니다.ampliifier 및 입체 프레임에 부착하기 위한 홀더. 이 절차를 시작하려면 이어바와 위쪽 앞니를 사용하여 정위 장치에 동물의 머리를 고정하고 수평으로 정렬합니다. 다음으로, 수술용 이발기나 가위를 사용하여 수술 부위를 면도하고 포비돈 요오드로 두피를 살균합니다.
저체온증을 예방하기 위해 동물 아래에 발열 패드를 놓고 눈이 건조해지는 것을 방지하기 위해 덱스판테놀이 발라줍니다. 그런 다음 수술 부위 중앙에 자일로카인을 주사합니다. 그 후 메스로 작게 절개하여 두개골을 드러냅니다.
피부를 부드럽게 분리하고 잔여 조직을 제거합니다. 다음으로, 과산화수소로 코팅된 면봉을 사용하여 두개골을 조심스럽게 청소합니다. 그런 다음 스테인리스 스틸 나사를 고정하기 위해 두개골에 4개의 작은 구멍을 뚫습니다.
그런 다음 전극 장치를 고정하기 위해 대상 영역 위의 두개골에 약 7mm의 구멍을 뚫습니다. 미세 전극 장치와 전극 홀더를 사전 amp정위 미세 조작기에 부착된 liifier. 면봉으로 모든 혈액을 흡수하십시오.
그런 다음 팁이 목표 영역에 도달할 때까지 미세 전극 장치를 수직으로 삽입합니다. 접지 케이블을 스테인리스 스틸 나사를 따라 피부 아래에 배치합니다. 그런 다음 표적 구조의 활성 뉴런 영역에 도달할 때까지 마이크로 매니퓰레이터로 전극을 조심스럽게 조정하십시오.
그 동안 스파이크 활동을 모니터링하고 스파이크 정렬에 적합한 신호 대 잡음비로 신경 활동을 감지합니다. 다음으로 미세 전극 장치를 자외선 접착제로 두개골에 고정합니다. 나사와 접지 케이블을 아크릴 수지로 덮으십시오.
그런 다음 전극 홀더에서 미세 전극 장치를 분리하십시오. 접촉판과 작은 케이블을 아크릴 수지로 덮습니다. 정위 프레임에서 브래드를 조심스럽게 제거하고 프리앰프를 미세 전극 장치에서 분리합니다.
그런 다음 이식된 미세 전극 장치의 캡 보호 장치를 연결하고 실험 절차 중에만 분리하십시오. 동물 복지를 모니터링하고 실험이 끝날 때까지 매일 점수표를 작성하십시오. 수술 후 최소 하루 동안 쥐를 개별적으로 가정용 케이지에 보관하여 회복 한 다음 쥐를 쌍으로 수용하십시오.
단일 케이지는 높은 아크릴 뚜껑으로 덮어야합니다. 금속 격자로 만든 기존 뚜껑은 임플란트가 시간이 지남에 따라 끼어 손상되거나 불안정해질 수 있으므로 피하십시오. TWS 소프트웨어를 열고 트랜시버를 컴퓨터의 USB 포트에 연결합니다.
트랜시버는 동물로부터 5미터 이내에 배치할 수 있습니다. 트랜시버와 동물 머리 스테이지 사이에 금속 장벽이 도입되지 않으면 TWS는 광범위한 행동 작업에 적용할 수 있습니다. 배터리를 헤드 상단에 연결합니다.tage.
배터리가 연결되어 있는 동안 헤드 스테이지에 녹색 표시등이 켜져 있는지 확인하십시오. 그런 다음 헤드 스테이지를 이식된 미세 전극에 직접 연결합니다. 모범적인 행동 테스트로서, 우리는 일반적인 행동 활동을 측정하기 위해 오픈 필드(open field)를 사용하고, 쥐의 행동과 같은 불안을 평가하기 위한 표준 테스트인 elevated plus maze를 사용합니다.
개방 필드 분석을 위해 쥐를 개방 필드의 중앙에 놓습니다. 쥐가 최소 5분 동안 장치를 탐색하도록 합니다. 연결 버튼을 눌러 호스트 컴퓨터를 원격 측정 시스템에 연결합니다.
상태가 오프라인에서 온라인으로 변경되어야 합니다. stimulus parameter setting 메뉴를 선택합니다. 자극 실험에 따라 자극 발생기 매개변수를 선택하십시오.
예를 들어, 펄스 진폭 1, 펄스 진폭 2, 펄스 주파수 및 train 주파수가 있습니다. 모든 자극 파라미터가 필요한 값으로 설정된 경우 마우스를 Stimulus Start(자극 시작)로 이동하고 Stimulus Start(자극 시작) 버튼을 누릅니다. 마우스 포인터를 그래프 시작 표시 단추로 이동합니다.
마우스 포인터를 Graph View(그래프 보기) 메뉴로 이동하여 자극 신호를 표시할 그래프를 선택합니다. 고가 플러스 미로 분석의 경우, 이 실험에 사용된 플러스 미로는 회색 아크릴로 만들어졌으며 바닥에서 50cm 높이의 중앙 플랫폼에서 확장되는 두 개의 열린 팔과 두 개의 닫힌 팔로 구성됩니다. 속도를 열린 팔을 향하는 중앙과 미로에 놓습니다.
5분 동안 장치를 자유롭게 탐색할 수 있도록 합니다. 연결 버튼을 눌러 호스트 컴퓨터를 원격 측정 시스템에 연결합니다. 상태가 오프라인에서 온라인으로 변경되어야 합니다.
통신 강도와 배터리 잔량은 왼쪽 상단 모서리에 있는 녹색 막대로 표시됩니다. 구성 메뉴를 눌러 그래프 옵션을 확인합니다. 선택 file 경로 메뉴를 입력하여 file 기록된 데이터를 저장해야 하는 이름과 경로.
저장을 눌러 파일 이름과 경로를 저장합니다. 디스플레이 시작을 누르면 4개의 녹음 채널에서 감지된 신호의 표시가 시작됩니다. 기록된 신호가 아직 저장되지 않았다는 사실에 주의하십시오.
통합 TWS 헤드 스테이지의 게인을 선택하십시오. 녹색 화살표를 눌러 오디오 모니터를 시작하고 슬라이더로 신호 임계값을 선택하여 배경 소음을 줄이고 녹음된 스파이크를 음향적으로 표시합니다. 녹음 메뉴에서 빨간색 녹음 버튼을 누릅니다.
녹음 버튼을 누르면 녹음된 신호가 하드 디스크에 저장됩니다. 녹음된 신호는 오른쪽에 계속 표시됩니다. 여기에 표시된 것은 하구에 이식된 단일 바이폴라 기록 전극을 사용한 TWS의 기록 성능입니다.
그 후, 이식된 미세 전극 장치에서 헤드 스테이지를 분리하고 캡 보호 장치를 연결합니다. 그런 다음 쥐를 집 우리로 되돌립니다. 세포외 다단위 활성은 TWS와 기존의 테더링 기록 시스템을 사용하여 동일한 이식된 전극에서 하구(inferior colliculus)에 연속적으로 기록되었습니다.
이 그림은 동물이 탁 트인 들판에서 자유롭게 움직이는 동안 두 시스템을 모두 사용하여 기록된 대표적인 원시 데이터를 보여줍니다. 여기서 신호를 직접 비교하면 유사한 스파이크 파형과 잡음 수준을 알 수 있습니다. 여기에서 우리는 자유롭게 움직이는 동물의 전기 생리학 및 행동 연구를 위한 무선 녹음 및 자극 시스템을 선보였습니다.
우리의 접근 방식은 기존 접근 방식에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 첫째, 이 시스템은 단일 휴대용 헤드 스테이지를 사용합니다. 프리앰프와 충전식 배터리로 보관합니다.
헤드 스테이지는 가볍고 컴팩트하며 배터리를 포함하여 무게가 12g입니다. 둘째, 동물들이 잘 견뎌냈고 동물의 이동성을 제한하지 않기 때문에 테더 시스템을 대체하는 데 사용할 수 있습니다. 셋째, 신경 활동의 동시 양방향 기록 및 자극을 통해 이 시스템은 특정 뇌 활성화 패턴과 행동 간의 인과 관계를 평가할 수 있는 정교한 도구를 제공합니다.
마지막으로, 우리는 기존의 정위 수술 중에 쉽게 이식할 수 있는 만성 이식 가능한 미세 전극 장치를 개발했습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 미세 전극 장치를 이식하고 전기 자극 및 세포 외 신경 기록을 수행하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 원격 측정 시스템은 뇌 자극 메커니즘을 조사하는 데 유용한 도구입니다.
원격 측정 시스템은 정의된 신경 회로의 전기 활동이 어떻게 특정 형태의 행동을 생성하는지 조사하기 위해 광범위한 행동 테스트와 결합할 수 있는 중요한 도구이며, 이는 신경 과학에 대한 근본적인 탐구입니다.
개요
이 연구는 자유롭게 행동하는 쥐의 다중 채널 신경 기록 및 자극을 위한 무선, 양방향 시스템을 제시합니다. 이 시스템은 동물의 행동에 미치는 영향을 최소화하면서 뇌 활성화 패턴과 행동 사이의 인과 관계를 평가할 수 있도록 설계되었습니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 행동 신경과학
- 전기생리학
배경
- 신경 활동과 행동 사이의 인과 관계를 이해하는 것은 신경과학에서 매우 중요합니다.
- 하부 콜리쿨루스는 청각 처리 및 행동 반응을 연구하는 핵심 구조입니다.
- 기존 시스템은 자유롭게 행동하는 피험자에게 필요한 유연성을 제공하지 않을 수 있습니다.
- 원격 측정 시스템은 실시간 데이터 수집을 허용하여 실험 설계를 향상시킬 수 있습니다.
연구 목적
- 다중 채널 신경 기록 및 자극을 위한 원격 측정 장치를 개발합니다.
- 하부 콜리쿨루스를 표적 신경 구조로 사용하여 시스템을 검증합니다.
- 쥐의 뇌 활성화와 행동 반응 사이의 관계를 탐구합니다.
사용된 방법
- 무선 원격 측정 시스템의 설계 및 구현.
- 마이크로 전극 장치 삽입을 위한 입지정위 수술.
- 개방장과 고도 플러스 미로 검사를 포함한 행동 검사.
- 신경 활동 및 행동 반응의 실시간 모니터링.
주요 결과
- 원격 측정 시스템은 자유롭게 행동하는 쥐의 신경 활동을 성공적으로 기록했습니다.
- 하부 콜리쿨루스의 전기 자극은 명확한 행동 반응을 유발했습니다.
- 이 시스템은 다양한 행동 과제에서 신뢰할 수 있는 성능을 보였습니다.
- 수집된 데이터는 신경 활동과 행동 사이의 인과 관계에 대한 통찰을 제공했습니다.
결론
- 개발된 시스템은 신경-행동 상호작용을 연구하는 데 귀중한 도구입니다.
- 자유롭게 움직이는 피험자에서 복잡한 행동 패러다임의 탐구를 가능하게 합니다.
- 미래 응용은 다른 뇌 영역 및 행동 맥락으로 확장될 수 있습니다.
자주 묻는 질문
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.
