Een draadloze, bidirectionele Interface voor In Vivo opname en stimulatie van neurale activiteit in vrij gedragen ratten
7 november 2017
Een draadloze, bidirectionele systeem voor meerkanaals neurale opnamen en stimulatie in vrij gedragen ratten wordt ingevoerd. Het systeem is licht en compact, dus met minimale impact op het gedrags repertoire van animal´s. Bovendien biedt dit systeem bidirectionele een geavanceerde tool om te beoordelen van de causale relaties tussen hersenen activering patronen en gedrag.
Het algemene doel van dit onderzoek was om een telemetrisch, bidirectioneel apparaat te ontwikkelen om multikanaals neurale opnames en stimulatie uit te voeren bij vrij bewegende ratten. Dit nieuwe apparaat kan helpen bij het beantwoorden van sleutelvraagstukken in het gebied van gedragsneurowetenschappen, zoals de causale relaties tussen hersenactivatiepatronen en gedrag. Om het telemetrische systeem te valideren, kozen we de inferior colliculus als doelneurostructuur, omdat er een duidelijke gedragsreactie op kan worden geïnduceerd door elektrische stimulatie.
Het is algemeen bekend dat elektrische stimulatie van de inferior colliculus een geconditioneerde angstachtige gedragsreactie bij ratten induceert, zoals alertheid, bevriezing en ontsnappingsgedrag. We namen aan dat het kunnen induceren van zo'n duidelijk en ondubbelzinnig gedrag een echte uitdaging voor ons telemetrische systeem zou zijn. Het geïntegreerde telemetrische systeem bestaat uit een hoofdmodule, batterij, ontvanger en een micro-elektrode-eenheid die tijdens stereotactische chirurgie wordt geïmplanteerd.
Hier getoond is een volledig geïntegreerd, draadloos systeem dat door ons is ontwikkeld, bestaande uit een enkele opname-elektrode, tetroden, stimulatie-elektrode, elektrode-vezelverbindingsbord, flexibele verbindingskabels, aardingsdraad, verbindingsbord, mannelijke of vrouwelijke connector voor TWS, TWS-micro-elektrode-eenheid verbonden met de voorversterker en de houder voor bevestiging aan een stereotactisch frame. Om deze procedure te beginnen, fixeer en aligneer horizontaal het hoofd van het dier in het stereotactische apparaat met behulp van oorbalken en bovenste snijtandbalk. Vervolgens scheer het operatieveld, met chirurgische haarsnijders of schaar en steriliseer de hoofdhuid met povidonjodium.
Plaats een verwarmingskussen onder het dier om hypothermie te voorkomen en behandel het oog met dexpanthenol om uitdroging te voorkomen. Injecteer vervolgens Xylocaine in het centrum van de operatieplaats. Maak daarna een kleine incisie met het scalpel om de schedel bloot te leggen.
Separeer de huid voorzichtig en verwijder resterend weefsel. Reinig vervolgens voorzichtig de schedel met op waterstofperoxide gecoate wattenstaafjes. Boor vervolgens vier kleine gaten in de schedel voor de bevestiging van roestvrijstalen schroeven.
Vervolgens boor een gat van ongeveer zeven millimeter in de schedel boven het doelgebied voor de bevestiging van de elektrode-eenheid. Verbind de micro-elektrode-eenheid en elektrodehouder met de voorversterker die is bevestigd aan de stereotactische micromanipulator. Absorbeer eventueel bloed met wattenstaafjes.
Breng vervolgens de micro-elektrode-eenheid verticaal in totdat de uiteinden het doelgebied bereiken. Plaats de aardingskabel langs de roestvrijstalen schroeven en onder de huid. Pas daarna pas de elektrode voorzichtig aan met de micromanipulator totdat deze een zone van actieve neuronen in de doelstructuur bereikt.
Controleer ondertussen de spike-activiteit en detecteer neurale activiteit met het signaal-ruisverhouding geschikt voor spike-sortering. Bevestig vervolgens de micro-elektrode-eenheid op de schedel met ultraviolette lijm. Bedek de schroeven en de aardingskabel met acrylhars.
Vervolgens koppelt u de micro-elektrode-eenheid los van de elektrodehouder. Bedek het contactplaatje en kleine kabels met acrylhars. Verwijder voorzichtig de speld uit het stereotactische frame en koppel de voorversterker los van de micro-elektrode-eenheid.
Verbind vervolgens de kapbescherming op de geïmplanteerde micro-elektrode-eenheid en koppel deze alleen los tijdens de experimentele procedures. Controleer het welzijn van het dier en vul elke dag een scoreblad in tot het einde van de experimenten. Houd de ratten minimaal één dag na de operatie individueel in de thuiscamer om herstel toe te laten en huis de ratten vervolgens per paar.
Enkelhokjes moeten worden afgedekt met hoge acryldeksels. Vermijd conventionele deksels gemaakt van metalen gaas, omdat implantaten vast kunnen raken en na verloop van tijd beschadigd of onstabiel kunnen raken. Open de TWS-software en sluit de zender/ontvanger aan op de USB-poort van de computer.
De zender/ontvanger kan binnen vijf meter boven het dier worden geplaatst. Zodra er geen metalen barrière tussen de zender/ontvanger en de kopmodule van het dier wordt geïntroduceerd, is de TWS toepasbaar op een breed scala aan gedragstaken. Verbind de batterij met de bovenkant van de kopmodule.
Zorg ervoor dat er een groen licht brandt in de kopmodule terwijl de batterij eraan is verbonden. Verbind vervolgens de kopmodule rechtstreeks met de geïmplanteerde micro-elektrode. Als voorbeeld van gedragstests gebruiken we het open veld voor de meting van algemene gedragsactiviteit en de verhoogde plus-doolhof, een standaardtest om angstachtig gedrag bij ratten te beoordelen.
Plaats de rat in het centrum van het open veld voor de open veldtest. Laat de rat minimaal vijf minuten het apparaat verkennen. Druk op de verbindingsknop om de hostcomputer te verbinden met het telemetrische systeem.
De status moet veranderen van offline naar online. Selecteer het menu voor de instelling van stimulusparameters. Selecteer de stimulatiegeneratorparameters volgens uw stimulatie-experiment.
Bijvoorbeeld, pulsamplitude een, pulsamplitude twee, pulsfrequentie en treinfrequentie. Als alle stimulatieparameters zijn ingesteld op de vereiste waarden, beweeg de muis naar Stimulus Start en druk op de Stimulus Start-knop. Beweeg de muisaanwijzer naar de Graph Start Display-knop.
Beweeg de muisaanwijzer naar het Graph View-menu om de grafieken te selecteren om het stimulatiesignaal weer te geven. Voor de verhoogde plus-doolhoftest is de plus-doolhof die in deze experimenten wordt gebruikt gemaakt van grijs acryl en bestaat uit twee open armen en twee gesloten armen die zich uitstrekken vanaf een centraal platform dat 50 centimeter boven de vloer is verhoogd. Plaats de rat in het centrum van de plus-doolhof met de kop richting een open arm.
Laat de rat het apparaat vijf minuten vrij verkennen. Druk op de verbindingsknop om de hostcomputer te verbinden met het telemetrische systeem. De status moet veranderen van offline naar online.
De communicatiesterkte en resterende batterijcapaciteit wordt weergegeven door de groene balk in de linkerboven
Overzicht
Deze studie presenteert een draadloos, bidirectioneel systeem voor multi-kanaals neurale opnames en stimulatie bij vrij bewegende ratten. Het systeem is ontworpen om de impact op het gedrag van het dier te minimaliseren terwijl het de beoordeling van causale relaties tussen hersenactivatiepatronen en gedrag mogelijk maakt.
Belangrijke onderdelen van de studie
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Gedragsneurowetenschap
- Elektrofysiologie
Achtergrond
- Het begrijpen van causale relaties tussen neurale activiteit en gedrag is cruciaal in de neurowetenschap.
- De inferior colliculus is een sleutelstructuur voor het bestuderen van auditieve verwerking en gedragsreacties.
- Bestaande systemen bieden mogelijk niet de nodige flexibiliteit voor vrij bewegende proefpersonen.
- Telemetrische systemen kunnen het experimentele ontwerp verbeteren door real-time dataverzameling mogelijk te maken.
Doel van de studie
- Om een telemetrisch apparaat te ontwikkelen voor multi-kanaals neurale opnames en stimulatie.
- Om het systeem te valideren door de inferior colliculus als doelneurostructuur te gebruiken.
- Om de relatie tussen hersenactivatie en gedragsreacties bij ratten te onderzoeken.
Gebruikte methoden
- Ontwerp en implementatie van een draadloos telemetrisch systeem.
- Stereotactische chirurgie voor implantatie van de micro-elektrode-eenheid.
- Gedragsproeven inclusief open veld- en verhoogde plus-doolhoftests.
- Real-time monitoring van neurale activiteit en gedragsreacties.
Belangrijkste resultaten
- Het telemetrische systeem nam succesvol neurale activiteit op bij vrij bewegende ratten.
- Elektrische stimulatie van de inferior colliculus veroorzaakte duidelijke gedragsreacties.
- Het systeem toonde betrouwbare prestaties in verschillende gedragstaken.
- De verzamelde gegevens leverden inzichten op in de causale relaties tussen neurale activiteit en gedrag.
Conclusies
- Het ontwikkelde systeem is een waardevol hulpmiddel voor het bestuderen van neurale-gedragsinteracties.
- Het maakt het mogelijk om complexe gedragsparadigma's te verkennen bij vrij bewegende proefpersonen.
- Toekomstige toepassingen kunnen zich uitstrekken tot andere hersengebieden en gedragscontexten.
Veelgestelde vragen
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.
