Name: Het DREAM-implantaat: een lichtgewicht, modulair en kosteneffectief implantaatsysteem voor chronische elektrofysiologie bij muizen die zich op het hoofd fixeren en zich vrij gedragen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-07-26T14:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 42 s
Description: Leer het DREAM-implantaatsysteem voor chronische elektrofysiologie bij muizen. Deze lichtgewichte, modulaire methode maakt hoogwaardige neuronale registratie mogelijk tijdens natuurlijk gedrag en besluitvorming.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit werk werd ondersteund door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO; Crossover-programma 17619 "INTENSE", TS) en heeft financiering ontvangen van het zevende kaderprogramma van de Europese Unie (FP7/2007-2013) onder subsidieovereenkomst nr. 600925 (Neuroseeker, TS, FB, PT), evenals van de Max Planck Society.

Een kosteneffectief, veelzijdig sonde-implantaatsysteem voor elektrofysiologie bij muizen

<ol><li>Epsztein, J., Brecht, M., Lee, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intracellular+determinants+of+hippocampal+CA1+place+and+silent+cell+activity+in+a+novel+environment%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Intracellular determinants of hippocampal CA1 place and silent cell activity in a novel environment.</a> Neuron. 70 (1), 109-120 (2011).</li>
<li>Okun, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diverse+coupling+of+neurons+to+populations+in+sensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Diverse coupling of neurons to populations in sensory cortex.</a> Nature. 521 (7553), 511-515 (2015).</li>
<li>Jun, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fully+integrated+silicon+probes+for+high-density+recording+of+neural+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity.</a> Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).</li>
<li>Znamenskiy, P., Kim, M. -H., Muir, D. R., Iacaruso, M. F., Hofer, S. B., Mrsic-Flogel, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+specificity+of+recurrent+inhibition+in+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Functional specificity of recurrent inhibition in visual cortex.</a> Neuron. 112 (6), 991-1000 (2024).</li>
<li>Rowland, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Propagation+of+activity+through+the+cortical+hierarchy+and+perception+are+determined+by+neural+variability%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Propagation of activity through the cortical hierarchy and perception are determined by neural variability.</a> Nat Neurosci. 26 (9), 1584-1594 (2023).</li>
<li>Roth, M. M., Dahmen, J. C., Muir, D. R., Imhof, F., Martini, F. J., Hofer, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thalamic+nuclei+convey+diverse+contextual+information+to+layer+1+of+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Thalamic nuclei convey diverse contextual information to layer 1 of visual cortex.</a> Nat Neurosci. 19 (2), 299-307 (2016).</li>
<li>Zong, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+two-photon+calcium+imaging+in+freely+moving+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Cell%22%5BJournal%5D)">Large-scale two-photon calcium imaging in freely moving mice.</a> Cell. 185 (7), 1240-1256 (2022).</li>
<li>Demas, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed%2C+cortex-wide+volumetric+recording+of+neuroactivity+at+cellular+resolution+using+light+beads+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Methods%22%5BJournal%5D)">High-speed, cortex-wide volumetric recording of neuroactivity at cellular resolution using light beads microscopy.</a> Nat Methods. 18 (9), 1103-1111 (2021).</li>
<li>Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+origin+of+extracellular+fields+and+currents+EEG%2C+ECoG%2C+LFP+and+spikes%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Neurosci%22%5BJournal%5D)">The origin of extracellular fields and currents EEG, ECoG, LFP and spikes.</a> Nat Rev Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).</li>
<li>Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Response+of+brain+tissue+to+chronically+implanted+neural+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes.</a> J Neurosci Methods. 148 (1), 1-18 (2005).</li>
<li>Savya, S. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+spatiotemporal+dynamics+of+astrocyte+reactivity+following+neural+electrode+implantation%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">In vivo spatiotemporal dynamics of astrocyte reactivity following neural electrode implantation.</a> Biomaterials. 289, 121784(2022).</li>
<li>Perge, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intra-day+signal+instabilities+affect+decoding+performance+in+an+intracortical+neural+interface+system%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Intra-day signal instabilities affect decoding performance in an intracortical neural interface system.</a> J Neural Eng. 10 (3), 036004(2013).</li>
<li>Pachitariu, M., Steinmetz, N., Kadir, S., Carandini, M., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kilosort%3A+realtime+spike-sorting+for+extracellular+electrophysiology+with+hundreds+of+channels%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">Kilosort: realtime spike-sorting for extracellular electrophysiology with hundreds of channels.</a> bioRxiv. , 061481(2016).</li>
<li>Buzsáki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+recording+of+neuronal+ensembles%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Large-scale recording of neuronal ensembles.</a> Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).</li>
<li>Kloosterman, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+array+for+chronic+in+vivo+recording%3A+Drive+fabrication%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Micro-drive array for chronic in vivo recording: Drive fabrication.</a> J Vis Exp. (26), e1094(2009).</li>
<li>Jacobs, T., Darch, H., Holtzman, T., De Zeeuw, C. I., Romano, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standard+operating+protocol%3A+Implantation+of+Cambrige+NeuroTech+chronic+silicon+probe+and+mini-amp-64+digital+headstage+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Protocol+Exchange%22%5BJournal%5D)">Standard operating protocol: Implantation of Cambrige NeuroTech chronic silicon probe and mini-amp-64 digital headstage in mice.</a> Protocol Exchange. , (2023).</li>
<li>Juavinett, A. L., Bekheet, G., Churchland, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+adaptable%2C+reusable%2C+and+light+implant+for+chronic+Neuropixels+probes%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">An adaptable, reusable, and light implant for chronic Neuropixels probes.</a> bioRxiv. , (2024).</li>
<li>Kozai, T. D. Y., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+tissue+responses+to+neural+implants+impact+signal+sensitivity+and+intervention+strategies%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Chem+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies.</a> ACS Chem Neurosci. 6 (1), 48-67 (2015).</li>
<li>Nguyen, D. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+array+for+chronic+in+vivo+recording%3A+tetrode+assembly%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly.</a> J Vis Exp. (26), e1098(2009).</li>
<li>Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuronal+cell+loss+accompanies+the+brain+tissue+response+to+chronically+implanted+silicon+microelectrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Neurol%22%5BJournal%5D)">Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays.</a> Exp Neurol. 195 (1), 115-126 (2005).</li>
<li>Vöröslakos, M., Petersen, P. C., Vöröslakos, B., Buzsáki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal+microdrive+and+head+cap+system+for+silicon+probe+recovery+in+freely+moving+rodent%5BTitle%5D)+AND+%22eLife%22%5BJournal%5D)">Metal microdrive and head cap system for silicon probe recovery in freely moving rodent.</a> eLife. 10, e65859(2021).</li>
<li>IMEC Neuropixels 1.0 User Manual V1.0.8. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.neuropixels.org/_files/ugd/328966_ca209d53ffb346b3bf98be39b903efa9.pdf">https://www.neuropixels.org/_files/ugd/328966_ca209d53ffb346b3bf98be39b903efa9.pdf</a> (2023).</li>
<li>Baranauskas, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+nanotube+composite+coating+of+neural+microelectrodes+preferentially+improves+the+multiunit+signal-to-noise+ratio%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Carbon nanotube composite coating of neural microelectrodes preferentially improves the multiunit signal-to-noise ratio.</a> J Neural Eng. 8 (6), 066013(2011).</li>
<li>Niell, C. M., Stryker, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modulation+of+visual+responses+by+behavioral+state+in+mouse+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Modulation of visual responses by behavioral state in mouse visual cortex.</a> Neuron. 65 (4), 472-479 (2010).</li>
<li>Okun, M., Carandini, M., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long+term+recordings+with+immobile+silicon+probes+in+the+mouse+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">Long term recordings with immobile silicon probes in the mouse cortex.</a> bioRxiv. , (2015).</li>
<li>Chung, J., Sharif, F., Jung, D., Kim, S., Royer, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+and+headgear+for+chronic+implant+and+recovery+of+optoelectronic+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Micro-drive and headgear for chronic implant and recovery of optoelectronic probes.</a> Sci Rep. 7 (1), 2773(2017).</li>
<li>Bimbard, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+adaptable%2C+reusable%2C+and+light+implant+for+chronic+Neuropixels+probes%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">An adaptable, reusable, and light implant for chronic Neuropixels probes.</a> bioRxiv. , (2024).</li>
<li>Jones, E. A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chronic+recoverable+Neuropixels+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22protocols.io%22%5BJournal%5D)">Chronic recoverable Neuropixels in mice.</a> protocols.io. , (2023).</li>
<li>Neuronexus Products - dDrive. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.neuronexus.com/products/accessories/microdrives/ddrive/">https://www.neuronexus.com/products/accessories/microdrives/ddrive/</a> (2024).</li>
<li>van Daal, R. J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implantation+of+Neuropixels+probes+for+chronic+recording+of+neuronal+activity+in+freely+behaving+mice+and+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Protoc%22%5BJournal%5D)">Implantation of Neuropixels probes for chronic recording of neuronal activity in freely behaving mice and rats.</a> Nat Protoc. 16 (7), 3322-3347 (2021).</li>
<li>Guo, Z. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Procedures+for+behavioral+experiments+in+head-fixed+mice%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Procedures for behavioral experiments in head-fixed mice.</a> PLoS One. 9 (2), e88678(2014).</li>
<li>Groblewski, P. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+standardized+head-fixation+system+for+performing+large-scale%2C+in+vivo+physiological+recordings+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">A standardized head-fixation system for performing large-scale, in vivo physiological recordings in mice.</a> J Neurosci Methods. 346, 108922(2020).</li>
<li>Vasilev, D., Raposo, I., Totah, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brightness+illusions+evoke+pupil+constriction+preceded+by+a+primary+visual+cortex+response+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Cereb+Cortex%22%5BJournal%5D)">Brightness illusions evoke pupil constriction preceded by a primary visual cortex response in rats.</a> Cereb Cortex. 33 (12), 7952-7959 (2023).</li>
</ol>

TS, AN en MNH zijn medeoprichters van 3Dneuro B.V., dat de open-source microdrives en Faraday-kronen produceert die in dit protocol worden gebruikt. FB en PT maken deel uit van de wetenschappelijke adviesraad van 33Dneuro B.V.. FB en PT ontvangen geen financiële vergoeding voor deze functie.

Dit manuscript presenteert een protocol voor de snelle, veilige en gestandaardiseerde implantatie van sondes, waardoor ook sonde kan worden hersteld en opnieuw kan worden gebruikt aan het einde van het experiment. De aanpak maakt gebruik van een modulair systeem van implantaatcomponenten, met name een microdrive, die compatibel is met alle gangbare siliciumsondes en opnamesystemen, een kopplaat die kan worden gebruikt voor gedragsexperimenten met hoofdbevestiging en een draagbare kooi van Faraday om het implantaat te beschermen. Deze constellatie stelt gebruikers in staat om hun implantaat flexibel aan te passen aan verschillende experimentele paradigma's, zoals hoofdvast versus vrij bewegend gedrag of implantaatminiaturisatie (zonder kooi van Faraday) versus verhoogde signaalrobuustheid op lange termijn (met kooi van Faraday) - zonder dat ze daarbij de standaardisatie van het implantaat hoeven op te offeren.
Deze aanpak maakt chronische elektrofysiologische opnames meer gestandaardiseerd (door geprefabriceerde elementen die niet met de hand hoeven te worden gemonteerd), minder kostbaar (door sondeherstel), minder tijdrovend (door het vereenvoudigen van chirurgische stappen) en gemakkelijker compatibel met dierenwelzijn en gedrag (door verminderde implantaatgrootte en stressvrije hoofdfixatie). Als zodanig heeft dit protocol tot doel elektrofysiologische implantaten in zich gedragende knaagdieren bereikbaar te maken voor een breder scala aan onderzoekers buiten de baanbrekende laboratoria op het snijvlak van het veld.
Om dit doel te bereiken, minimaliseert het hier gepresenteerde protocol de afweging tussen verschillende vaak even cruciale aspecten van microdrive-implantaten, namelijk flexibiliteit, modulariteit, implantatiegemak, stabiliteit, totale kosten, compatibiliteit met gedrag en herbruikbaarheid van de sonde. Momenteel blinken beschikbare benaderingen vaak uit in sommige van deze aspecten, maar tegen hoge kosten voor andere functies. Voor gebruikssituaties die bijvoorbeeld absolute implantaatstabiliteit gedurende lange perioden vereisen, kan de beste implantaatbenadering zijn om de sonde rechtstreeks op de schedel te cementeren25. Dit voorkomt echter ook hergebruik van de sonde, evenals herpositionering van opnameplaatsen in geval van slechte opnamekwaliteit, en het is onverenigbaar met gestandaardiseerde implantaatplaatsing. Evenzo, hoewel de AMIE-aandrijving een lichtgewicht, goedkope oplossing biedt voor herstelbare implantatie van sondes, is deze beperkt tot enkele sondes en beperkt in de plaatsing van de doelcoördinaten17. Aan de andere kant van het spectrum zijn sommige in de handel verkrijgbare nano-drives (zie tabel 1 16,17,21,26,27,28,29,30) extreem klein, kunnen ze vrij op de schedel worden geplaatst en maximaliseren ze het aantal sondes dat in een enkel dier kan worden geïmplanteerd16. Ze zijn echter duur in vergelijking met andere oplossingen, vereisen dat onderzoekers zeer bekwaam zijn voor succesvolle implantaatoperaties en verbieden hergebruik van sondes. De door Vöröslakos et al.21 ontwikkelde microdrive, waarvan een lichtgewicht versie ook deel uitmaakt van dit protocol, offert kleine implantaatgrootte op voor beter gebruiksgemak, lagere prijs en herbruikbaarheid van de sonde
Tabel 1: Vergelijking van populaire strategieën voor chronische sonde-implantaten bij knaagdieren. Beschikbaarheid: of de microdrive open source is (voor onderzoekers om zelf te bouwen), in de handel verkrijgbaar is, of beide. Modulariteit: Geïntegreerde systemen bestaan uit een of enkele componenten die in een vaste relatie tot elkaar staan, terwijl modulaire systemen een vrije plaatsing van de sonde/microdrive ten opzichte van de bescherming (hoofddeksel/kooi van Faraday) mogelijk maken na productie van het implantaat (bijv. op het moment van de operatie). Modulariteit werd bepaald op basis van gepubliceerde informatie of implantatieprotocollen van de vermelde implantaten. Hoofdfixatie: Ja: Het implantaat heeft mechanismen voor hoofdfixatie geïntegreerd in het ontwerp, X: Het implantaat laat de ruimte om zonder grote problemen een extra hoofdplaat toe te voegen voor fixatie, Nee: Het ontwerp van het implantaat veroorzaakt waarschijnlijk ruimteproblemen of vereist substantiële ontwerpaanpassingen voor gebruik met hoofdfixatie. Plaatsing van de sonde: Beperkt: De locatie van de sonde is beperkt in de ontwerpfase van het implantaat. Flexibel: de locatie van de sonde kan zelfs tijdens de operatie worden aangepast. Aantal sondes: het aantal sondes dat kan worden geïmplanteerd. Houd er rekening mee dat het implanteren van >2-sondes op een muis een aanzienlijke uitdaging vormt, onafhankelijk van het gekozen implantaatsysteem. Herbruikbaarheid van de sonde: ja, als de sondes in theorie kunnen worden hergebruikt. Gewicht/grootte: gewicht en omvang van het implantaat. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Table%201.xlsx" target="_blank">Klik hier om deze tabel te downloaden.</a>
Om een systeem te creëren dat deze verschillende vereisten naadlozer met elkaar verzoent, is het DREAM-implantaat ontworpen op basis van het Vöröslakos-implantaat21, maar met verschillende fundamentele aanpassingen. Ten eerste, om het totale gewicht van het implantaat te verminderen, wordt de hier gebruikte microdrive geproduceerd in machinaal bewerkt aluminium in plaats van 3D-geprint roestvrij staal, en wordt de Faraday-kroon geminiaturiseerd, waardoor een totale gewichtsvermindering van 1,2-1,4 g wordt bereikt, afhankelijk van de keuze van het materiaal van de kopplaat (zie tabel 2). Ten tweede is de kopplaat rond de microdrive ontworpen om een geïntegreerd hoofdfixatiemechanisme mogelijk te maken dat een snelle en stressvrije hoofdfixatie mogelijk maakt, terwijl het ook dienst doet als basis voor de kooi van Faraday, waardoor toegang wordt gegeven tot de meeste potentiële doelgebieden voor neuronale opnames en slechts minimaal gewicht aan het implantaat wordt toegevoegd. De platte vorm van het fixatiemechanisme en het ontbreken van uitsteeksels zorgen ook voor een minimale verslechtering van het gezichtsveld of de voortbeweging van dieren (zie figuur 2A-C), een duidelijke verbetering ten opzichte van eerdere systemen31,32. De Faraday-kroon en -ring die op de kopplaat zijn bevestigd, zijn ook aanzienlijk gewijzigd in vergelijking met eerdere ontwerpen. Ze vereisen nu geen ad-hoc aanpassing (bijv. in termen van plaatsing van connectoren) of solderen tijdens de operatie, waardoor mogelijke oorzaken van implantaatschade en onvoorspelbare variatie in implantaatkwaliteit worden weggenomen. In plaats daarvan biedt het DREAM-implantaat meerdere gestandaardiseerde kroonringvariaties waarmee elke connector op een van de vier vooraf gedefinieerde posities kan worden geplaatst, waardoor variabiliteit en inspanning tijdens de operatie tot een minimum worden beperkt. Ten slotte, door het implantaatsysteem te optimaliseren voor het herstel van de sonde, stelt het DREAM-implantaat onderzoekers in staat om de kosten en de voorbereidingstijd per implantaat drastisch te verminderen, aangezien de microdrive en de sonde doorgaans samen kunnen worden hersteld, schoongemaakt en hergebruikt.
Voor een uitgebreider overzicht van de wisselwerkingen van verschillende implantaatsystemen, zie Tabel 1. Hoewel de hier gepresenteerde aanpak over het algemeen geen maximale prestaties levert in vergelijking met alle andere strategieën, bijvoorbeeld in termen van grootte, stabiliteit of kosten, werkt het in het bovenste bereik van al deze parameters, waardoor het gemakkelijker toepasbaar is op een breed scala aan experimenten.
Drie aspecten van het protocol zijn bijzonder cruciaal om aan te passen aan elke specifieke use case: de constellatie van grond en referentie, de techniek voor het cementeren van de microdrive en implantaatvalidatie via neuronale registratie. Ten eerste was het doel om bij het implanteren van de massa- en referentiepennen de sweet spot te identificeren tussen mechanische/elektrische stabiliteit en invasiviteit. Hoewel bijvoorbeeld drijvende zilveren draden ingebed in agar minder invasief zijn dan botschroeven33, zijn ze waarschijnlijk vatbaarder om na verloop van tijd los te raken. Het gebruik van pennen, in combinatie met agar, zorgt voor een stabiele elektrische verbinding, terwijl het ook het voordeel heeft dat het gemakkelijker te controleren is tijdens het inbrengen, waardoor weefseltrauma wordt voorkomen. Het is onwaarschijnlijk dat aardpennen die aan de schedel zijn gecementeerd, losraken, en in het geval dat de draad losraakt van de pen, is herbevestiging meestal eenvoudig vanwege het grotere oppervlak en de stabiliteit van de geïmplanteerde pen.
Tabel 2: Vergelijking van componentgewichten tussen het DREAM-implantaat en het implantaat beschreven door Vöröslakos et al.21. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Table%202.xlsx" target="_blank">Klik hier om deze tabel te downloaden.</a>
Ten tweede moet het cementeren van de microdrive over het algemeen plaatsvinden voordat de sonde in de hersenen wordt ingebracht. Dit voorkomt zijwaartse beweging van de sonde in de hersenen als de microdrive tijdens het inbrengen niet perfect in de stereotactische houder is gefixeerd. Om de plaatsing van de sonde te controleren voordat de microdrive op zijn plaats wordt gecementeerd, kan men de punt van de sondeschacht kort laten zakken om vast te stellen waar deze in contact zal komen met de hersenen, aangezien het extrapoleren van de touchdown-positie moeilijk kan zijn gezien de parallaxverschuiving van de microscoop. Zodra de positie van de microdrive is vastgesteld, kan men optioneel de craniotomie beschermen met siliconenelastomeer voordat de microdrive wordt gecementeerd om ervoor te zorgen dat het cement niet per ongeluk in contact komt met de craniotomie; Het wordt echter niet aanbevolen om de sonde door het siliconenelastomeer te laten zakken, omdat siliconenelastomeerresten in de hersenen kunnen worden getrokken en ontstekingen en gliose kunnen veroorzaken.
Ten derde kan, afhankelijk van het gebruikte experimentele protocol, een testopname direct na de operatie al dan niet nuttig zijn. Grotendeels zal de neuronale activiteit die direct na het inbrengen van de sonde wordt geregistreerd, niet direct representatief zijn voor de chronisch geregistreerde activiteit, vanwege factoren zoals voorbijgaande zwelling van de hersenen en weefselbeweging rond de sonde, wat betekent dat het onwaarschijnlijk is dat zowel de invoegdiepte als de spike-golfvormen direct stabiliseren. Als zodanig kunnen directe opnames vooral dienen om de algemene signaalkwaliteit en de integriteit van het implantaat vast te stellen. Het wordt aanbevolen om de beweegbare microdrive-slee in de daaropvolgende dagen na de operatie te gebruiken, zodra de hersenen zijn gestabiliseerd, om de positie te verfijnen. Dit helpt ook om te voorkomen dat de sonde met meer dan 1000 μm per dag wordt verplaatst, waardoor schade aan de opnameplaats tot een minimum wordt beperkt en de levensduur van de opnameplaats wordt verlengd.
Ten slotte willen gebruikers het systeem misschien aanpassen om vanaf meer dan één doellocatie op te nemen. Omdat dit systeem modulair is, heeft de gebruiker veel speelruimte bij het monteren en plaatsen van componenten ten opzichte van elkaar (zie hierboven en aanvullende figuur 3 en aanvullende figuur 4). Dit omvat aanpassingen die het mogelijk maken om een horizontaal uitgeschoven shuttle op de microdrive te monteren, waardoor meerdere sondes of grote sondes met meerdere schachten kunnen worden geïmplanteerd, evenals de implantatie van meerdere individuele microdrives (zie aanvullende afbeelding 3 en aanvullende afbeelding 4). Dergelijke aanpassingen vereisen alleen het gebruik van een aangepaste kroonring, met een verhoogd aantal montagezones voor connectoren/interfaceborden/headstages. De ruimtebeperkingen van dit ontwerp worden echter gedicteerd door het diermodel, in dit geval de muis, wat het stapelen van meerdere sondes op één microdrive aantrekkelijker maakt in termen van voetafdruk dan het onafhankelijk van elkaar implanteren van meerdere microdrives. De microdrives die hier worden gebruikt, kunnen gestapelde sondes ondersteunen, en dus is de enige echte beperking het aantal hoofdtrappen of connectoren dat past bij de ruimte- en gewichtsbeperkingen die door het diermodel zijn gedefinieerd. Afstandhouders kunnen ook worden gebruikt om niet-verticale montage- en insteekpaden verder te vergroten.
Kortom, dit protocol zorgt voor goedkope, lichtgewicht en vooral verstelbare implantatie van een sonde, met als bijkomend voordeel een microdrive-ontwerp dat prioriteit geeft aan het herstel van de sonde. Dit pakt de problemen aan van de onbetaalbare kosten van sondes voor eenmalig gebruik, de hoge barrière van chirurgische en implantatievaardigheden, evenals het feit dat commerciële oplossingen voor chronische implantatie vaak moeilijk aan te passen zijn aan unieke gebruiksscenario's. Deze problemen vormen een pijnpunt voor laboratoria die al acute elektrofysiologie gebruiken en een afschrikmiddel voor degenen die nog geen elektrofysiologische experimenten uitvoeren. Dit systeem is bedoeld om de bredere acceptatie van chronisch elektrofysiologisch onderzoek buiten deze beperkingen te vergemakkelijken.

<a href="https://app.jove.com/t/6665">This corrects</a> the article <a href="https://https://dx.doi.org/10.3791/66867">10.3791/66867</a>

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/66867">The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice</a>. The Authors&#160;section was&#160;updated.

Erratum: The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice

Elektrofysiologie met chronisch geïmplanteerde siliciumsondes is naar voren gekomen als een krachtige techniek voor het onderzoeken van neurale activiteit en connectiviteit bij zich gedragende dieren, met name bij muizen, vanwege hun genetische en experimenteletraceerbaarheid. Met name laminaire siliciumsondes hebben bewezen een hulpmiddel van onschatbare waarde te zijn voor het identificeren van functionele relaties binnen corticale kolommen2 en voor het relateren van de dynamiek van grote neuronale populaties aan gedrag op een manier die voorheen onmogelijk was3.
Twee complementaire benaderingen zijn de huidige gouden standaarden voor het registreren van neurale activiteit in vivo: twee-fotonmicroscopie 4,5 en extracellulaire elektrofysiologie6. De keuze van de registratiemethodologie beperkt de aard van de uitlezingen die kunnen worden verkregen: twee-fotonmicroscopie is bijzonder geschikt voor longitudinale studies van individueel identificeerbare neuronen in grote populaties in de loop van de tijd, maar lijdt aan hoge apparatuurkosten en is beperkt tot oppervlakkige lagen van de cortex in intacte hersenen. Bovendien beperkt de typische temporele resolutie van ~30 Hz het vermogen om voortdurende neuronale dynamiek vast te leggen 7,8.
Elektrofysiologische opnames daarentegen bieden een hoge temporele resolutie (tot 40 kHz) om neuronale activiteit van moment tot moment te volgen, kunnen op grote schaal worden toegepast op soorten en op corticale diepten, en hebben relatief goedkope opstellingen in vergelijking met twee-fotonmicroscopie. De identificatie van individuele neuronen, evenals het longitudinaal volgen van neuronale populaties, zijn echter moeilijk te bereiken. Dit geldt in het bijzonder voor draadelektroden, bijv. tetroden, en voor acute elektrode-inserties. Naast het ontbreken van het vermogen om neuronen te volgen tijdens opnamesessies9, veroorzaken herhaalde acute inserties lokaal trauma10 dat een immuunrespons opbouwt11, waardoor de kans op infectie en gliose toeneemt. Dit vermindert uiteindelijk de stabiliteit van de geregistreerde neuronale activiteit en de levensverwachting van proefdieren, waardoor de reikwijdte van longitudinale studies met acute elektrofysiologische opnames wordt beperkt tot slechts enkele dagen12.
Chronische opnames van siliciumsondes met hoge dichtheid zijn bedoeld om enkele van de beste eigenschappen van acute elektrofysiologie en beeldvorming met twee fotonen te combineren. Ze kunnen de dynamiek van de neurale populatie tijdens sessies volgen met slechts een enigszins verminderd vermogen om individuele neuronen te identificeren in vergelijking met beeldvorming met twee fotonen13. Deze opnames bieden een hoge flexibiliteit in de ruimtelijke plaatsing en nauwkeurige temporele resolutie van de opgenomen signalen, evenals een verbeterde levensduur en welzijn van proefdieren in vergelijking met acute opnames14. Bovendien vereist chronische elektrofysiologie, in tegenstelling tot acute opnames, slechts een enkele implantatiegebeurtenis, waardoor het risico op infectie en weefselbeschadiging effectief wordt verminderd en de stress voor de dieren wordt geminimaliseerd15. Samen maken deze voordelen chronische elektrofysiologie tot een krachtig hulpmiddel voor het onderzoeken van de organisatie en functie van het zenuwstelsel.
Veelgebruikte chronische implantatietechnieken voor muizen beperken onderzoekers echter om aanzienlijke afwegingen te maken tussen compatibiliteit met gedragsregistraties, implantaatgewicht, reproduceerbaarheid van implantaten, financiële kosten en algeheel gebruiksgemak. Veel implantaatprotocollen zijn niet ontworpen om het hergebruik van sondes16 te vergemakkelijken, waardoor de effectieve kosten van individuele experimenten sterk stijgen en het voor sommige laboratoria financieel moeilijk wordt om chronische elektrofysiologie te gebruiken. Ze vereisen ook vaak uitgebreid in-house prototyping- en ontwerpwerk, waarvoor de expertise en middelen mogelijk niet aanwezig zijn.
Aan de andere kant bieden geïntegreerde implantaatsystemen17 een breder toegankelijke oplossing voor chronische elektrofysiologie bij knaagdieren. Deze systemen zijn ontworpen om een microdrive die de sonde vasthoudt te integreren met de rest van het implantaat om het hanteren van implantaten en chirurgische ingrepen te vereenvoudigen. Eenmaal geïmplanteerd, kunnen dergelijke systemen echter topzwaar zijn en het vermogen van de onderzoeker beperken om een experiment flexibel aan te passen aan verschillende doelcoördinaten. Hun gewicht sluit vaak implantaten bij kleinere dieren uit, belemmert mogelijk de beweging van dieren en veroorzaakt stress18. Dit kan een onevenredige invloed hebben op onderzoek naar juveniele en vrouwelijke cohorten, aangezien gewichtsbeperkingen deze groepen waarschijnlijk meer treffen.
Bovendien maken niet alle geïntegreerde systemen het mogelijk om de elektrodeposities na implantatie aan te passen. Dit is relevant, omdat gliose of littekens als gevolg van het inbrengen van de sonde19, vooral in de eerste 48 uur na implantatie20, de kwaliteit van de geregistreerde neuronale activiteit kunnen verminderen. Micro-aanpassingen aan de insteekdiepte van de sonde kunnen deze negatieve effecten op de signaalintegriteit beperken. Daarom kunnen micropositioneringsmechanismen, gewoonlijk microdrives genoemd, nuttig zijn, zelfs in sondes met een groot aantal elektroden verdeeld over hun lengte.
Om dergelijke compromissen te overwinnen, introduceren we een nieuw chronisch elektrofysiologisch implantaatsysteem voor muizen dat de beperkingen van eerdere ontwerpen aanpakt door een lichtgewicht, kosteneffectieve en modulaire oplossing te bieden. Het DREAM-implantaatsysteem is ontworpen om minder dan 10% (~2,1 g) van het typische lichaamsgewicht van een muis te wegen, waardoor dierenwelzijn en minimale impact op het gedrag worden gegarandeerd. Validatie van het DREAM-implantaatontwerp toont een minimale impact op belangrijke gedragsstatistieken zoals voortbeweging - die bij knaagdieren aanzienlijk kunnen worden beïnvloed wanneer er belasting op de schedel wordt geplaatst. Dit kan ten goede komen aan experimentele paradigma's die gebruik maken van vrij bewegende en met het hoofd gefixeerde dieren door het welzijn van dieren te stimuleren en meer ethologisch verantwoorde experimenten mogelijk te maken.
Het systeem omvat een microdrive voor flexibele aanpassing van de opnamediepte tot 7 mm en kan worden aangepast aan verschillende soorten sondes en opnameapparatuur, waardoor onderzoekers een kosteneffectief en veelzijdig hulpmiddel krijgen voor verschillende experimentele toepassingen. Het systeem wordt routinematig gecombineerd met een metalen microdrive21, die een consistente sondeterugwinning biedt in vergelijking met andere systemen (verwacht gemiddeld herstelpercentage: ca. drie betrouwbare hergebruiken per sonde) en de kosten van individuele experimenten drastisch verlaagt.
Het ontwerp is voorzien van een 3D-geprinte beschermende kooi van Faraday, die goedkope maar robuuste bescherming biedt tegen elektrofysiologische ruis, mechanische schokken en infectieuze materialen, waardoor stabiele en ruisvrije opnames mogelijk zijn die last hebben van minimale infectiepercentages. Deze implanteerbare kooi bestaat uit de zogenaamde 'kroon', ontworpen voor bescherming tegen stoten en om structuur te bieden voor de geleidende metalen gaascoating van de kooi van Faraday, en de kroonring, die dient als houder voor een implanteerbare versterker en/of sondeconnector (zie figuur 1).
Ten slotte zijn de kopplaten in het modulaire implantaatsysteem ontworpen om compatibel te zijn met een nieuw, efficiënt hoofdfixatiesysteem zonder extra volume aan het implantaat toe te voegen. In tegenstelling tot andere bestaande systemen is het niet nodig om kleine schroeven dicht bij het implantaat aan te draaien, waardoor de fixatie van muizen in de experimentele opstelling wordt versneld en de relatie tussen experimentator en dier wordt verbeterd, evenals de gedragstherapietrouw. Tegelijkertijd wordt de kopplaat gebruikt als basis waarop de andere modules van het DREAM chronische elektrofysiologiesysteem worden gebouwd.
Ontwerpbestanden voor het DREAM-implantaat worden als open-source hardware op https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ gepubliceerd. In de volgende paragrafen wordt het ontwerp en de fabricage van het DREAM-implantaatsysteem beschreven, wordt de succesvolle implementatie ervan in een muismodel gedemonstreerd en worden de mogelijke toepassingen en voordelen ten opzichte van bestaande systemen besproken.

<table><tbody><tr><td>0.05" Solder Tail Socket</td><td>Mill-Max</td><td>853-93-100-10-001000</td><td></td></tr><tr><td>1,1'-dioctadecyl-3,3,3',3'- Reagent tetramethylindocarbocyanine perchlorate ('DiI'; DiIC18(3))</td><td>ThermoFisher</td><td>D282</td><td>Lipofiele kleurstof gebruikt voor eenvoudigere histologische verificatie van de sonde locatie</td></tr><tr><td>Adhesive Putty (Blu-Tack)</td><td>Bostik</td><td>308590110</td><td>Variaties (bijv. van Pritt) zouden beschikbaar moeten zijn in uw kantoorartikelenwinkel</td></tr><tr><td>Agar</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A1296</td><td>Maak met zoutoplossing voor geleidbaarheid.</td></tr><tr><td>Amplifier (Miniamp-64)</td><td>Cambridge Neurotech</td><td></td><td>Miniatuur en implanteerbare versterker en digitalisator. Alternatieve implanteerbare digitalisator of implanteerbare Omnetics-connector mogelijk.</td></tr><tr><td>Analgesic Cream (EMLA Cream)</td><td>Aspen</td><td>39699/0088</td><td>Analgesische crème voor operatieve pijn met prilocaïne, lidocaïne.</td></tr><tr><td>Angled Spacer</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>Hoekige spacer voor niet-loodrecht draaframent. Open source, ook beschikbaar op https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/</td></tr><tr><td>Blue light curing LED</td><td>B.A. International</td><td>818223</td><td>Curing light voor primer polymerisatie. 420-480 nm golflengte</td></tr><tr><td>Bone wax</td><td>SMI</td><td>Z046</td><td>Was om craniotomie en sonde na de operatie te beschermen.</td></tr><tr><td>Buprenorphine</td><td>Elanco Europe LTD</td><td>401513</td><td>Injecteerbare buprenorfine-oplossing (0,3 mg/mL)</td></tr><tr><td>Copper mesh</td><td>Dexmet</td><td>3CU6-050FA</td><td>Kopergaas gebruikt om de sonde en craniotomie elektrisch en fysiek af te schermen.</td></tr><tr><td>Cyanoacrylate glue (Loctite)</td><td>Loctite</td><td>1363589</td><td>Cyanoacrylaat gellijm</td></tr><tr><td>Dental Cement (SuperBond C&amp;B)</td><td>Sun Medical</td><td>K058E</td><td>Tandcement (SuperBond)</td></tr><tr><td>Depilation Cream (Veet)</td><td>Veet</td><td>310000091434</td><td>Haarverwijderingscrème voor het verwijderen van haar rond de chirurgische plek.</td></tr><tr><td>Enrofloxacin (Baytril)</td><td>Elanco Europe LTD</td><td>00879/4117</td><td>Injecteerbare enrofloxacine-oplossing (25 mg/mL)</td></tr><tr><td>Faraday crown</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>3D geprinte implanteerbare beschermende kooi. Open source, ook beschikbaar op https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/</td></tr><tr><td>Faraday ring</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>3D geprinte implanteerbare beschermende ring voor Faraday-kooi. Open source, ook beschikbaar op https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/</td></tr><tr><td>Haemostatic Sponge</td><td>SMI</td><td>ZHG101010</td><td>Absorbeerbare gelatine hemostatische spons</td></tr><tr><td>Heat Shrink Tubing</td><td>HellermannTyton</td><td>TA32-9/3 BK</td><td>Heat Shrink-slang voor het maken van zachte tipforceps</td></tr><tr><td>Iodine</td><td>Braunol</td><td>9322507</td><td>Waterige povidone-jood oplossing.</td></tr><tr><td>Metamizole (Novalgin)</td><td>Sanofi-Aventis Gmbh</td><td>4527098</td><td>Injecteerbaar metamizole (500mg/mL)</td></tr><tr><td>Metamizole (Novalgin)</td><td>Sanofi-Aventis Gmbh</td><td>1553758</td><td>Metamizole-oplossing</td></tr><tr><td>Microdrive (R2Drive)</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>Herstelbare metalen microdrive met beweegbare shuttle. Open source, ook beschikbaar op https://buzsakilab.github.io/ 3d_print_designs/</td></tr><tr><td>Mineral Oil</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M5310-100ML</td><td>Olie gebruikt als oplosmiddel om craniotomie-beschermingsgel te maken.</td></tr><tr><td>Non-Shedding Wipes (Kimtech)</td><td>Kimtech</td><td>7552</td><td>Niet-afbrokkelende doekjes</td></tr><tr><td>Primer</td><td>Bisco</td><td>B-7202P</td><td>Universele schedelkleefstof die vocht voorkomt dat het cement verslechtert en een solide basis biedt om cement op te bouwen.</td></tr><tr><td>R2Drive holder</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>Stereotactische bevestiging voor montage van R2Drive. Open source, ook beschikbaar op https://buzsakilab.github.io/ 3d_print_designs/</td></tr><tr><td>Self-adherent wrap</td><td>3M</td><td>VB050</td><td>Beschermende wrap voor implantaat na de operatie</td></tr><tr><td>Silicon probe (H2)</td><td>Cambridge Neurotech</td><td></td><td>Chronisch implanteerbare lineaire siliconensonde met 32 kanalen. Alternatieve sonde gebruik mogelijk.</td></tr><tr><td>Silicone Elastomer (Duragel)</td><td>Cambridge Neurotech</td><td></td><td>Silicone Elastomer</td></tr><tr><td>Silicone Plaster (Kwikcast)</td><td>WPI</td><td>KWIK-CAST</td><td></td></tr><tr><td>Silver conductive epoxy</td><td>MG Chemicals</td><td>8331D-14G</td><td>Zilveren epoxy</td></tr><tr><td>Size 5 Dumont forceps</td><td>FSTools</td><td>11251-10</td><td>Kleine pincet voor het tillen van botflap.</td></tr><tr><td>Stainless steel wire, Teflon coated</td><td>Science Products GmBH</td><td>SS-3T</td><td>Aarddraad</td></tr><tr><td>Stereotax (RWD)</td><td>RWD</td><td>68803</td><td>Stereotax voor chirurgische ingrepen bij muizen.</td></tr><tr><td>Tergazyme</td><td>Alconox</td><td>1304</td><td>Mogelijk enzymatische reiniger om sonde schoon te maken</td></tr><tr><td>Two Part Fast setting Epoxy Resin</td><td>Gorilla</td><td>EP3</td><td>Epoxy voor permanente binding van DREAM-implantaatonderdelen.</td></tr><tr><td>Vannas Spring Scissors Round Handle</td><td>FSTools</td><td>15403-08</td><td>0,075 mm rechte tipveterinair veerscharen.</td></tr><tr><td>Veterinary Cyanoacrylate glue (Vetbond)</td><td>3M</td><td>70-0068-5256-3</td><td>Veterinaire cyanoacrylaatlijm</td></tr></tbody></table>

het dream-implantaat: een lichtgewicht, modulair en kosteneffectief implantaatsysteem voor chronische elektrofysiologie bij muizen die zich op het hoofd fixeren en zich vrij gedragen

The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice

Chronische elektrofysiologische opnames bij knaagdieren hebben ons begrip van neuronale dynamiek en hun gedragsrelevantie aanzienlijk verbeterd. De huidige methoden voor het chronisch implanteren van sondes vertonen echter sterke compromissen tussen kosten, gebruiksgemak, grootte, aanpassingsvermogen en stabiliteit op lange termijn.
Dit protocol introduceert een nieuw chronisch sonde-implantaatsysteem voor muizen, de DREAM (Dynamic, Recoverable, Economical, Adaptable en Modular), ontworpen om de compromissen te overwinnen die gepaard gaan met de momenteel beschikbare opties. Het systeem biedt een lichtgewicht, modulaire en kosteneffectieve oplossing met gestandaardiseerde hardware-elementen die in eenvoudige stappen kunnen worden gecombineerd en geïmplanteerd en veilig kunnen worden geëxplanteerd voor herstel en meervoudig hergebruik van sondes, waardoor de experimentele kosten aanzienlijk worden verlaagd.
Het DREAM-implantaatsysteem integreert drie hardwaremodules: (1) een microdrive die alle standaard siliciumsondes kan dragen, waardoor onderzoekers de opnamediepte kunnen aanpassen over een reisafstand van maximaal 7 mm; (2) een driedimensionaal (3D)-printbaar, open-source ontwerp voor een draagbare kooi van Faraday bedekt met koperen gaas voor elektrische afscherming, impactbescherming en plaatsing van connectoren, en (3) een geminiaturiseerd hoofdfixatiesysteem voor verbeterd dierenwelzijn en gebruiksgemak. Het bijbehorende operatieprotocol werd geoptimaliseerd voor snelheid (totale duur: 2 uur), sondeveiligheid en dierenwelzijn.
De implantaten hadden een minimale impact op het gedragsrepertoire van dieren, waren gemakkelijk toepasbaar in vrij bewegende en hoofdgefixeerde contexten, en leverden duidelijk identificeerbare spike-golfvormen en gezonde neuronale reacties gedurende weken van gegevensverzameling na implantatie. Infecties en andere complicaties van operaties waren uiterst zeldzaam.
Als zodanig is het DREAM-implantaatsysteem een veelzijdige, kosteneffectieve oplossing voor chronische elektrofysiologie bij muizen, waardoor het dierenwelzijn wordt verbeterd en meer ethologisch verantwoorde experimenten mogelijk worden. Het ontwerp vereenvoudigt experimentele procedures voor verschillende onderzoeksbehoeften, waardoor de toegankelijkheid van chronische elektrofysiologie bij knaagdieren tot een breed scala aan onderzoekslaboratoria wordt vergroot.

Dit protocol presenteert een chronisch implantatiesysteem dat onderzoekers in staat stelt om lichtgewicht, kosteneffectieve en veilige chronische elektrofysiologische opnames te implementeren bij muizen die zich gedragen (Figuur 1). De belangrijkste factoren die bepalend zijn voor een succesvolle toepassing van deze aanpak zijn: volledige cementbedekking van de schedel, een minimaal invasieve en goed beschermde craniotomie, veilige bevestiging van de microdrive en bedrading aan de schedel en volledige continuïteit van beschermend Faraday-materiaal. Wanneer met deze punten rekening wordt gehouden, kunnen opnames van hoge kwaliteit consistent worden bereikt. Hier worden representatieve resultaten getoond met betrekking tot de volgende hoofdaspecten van het succes van een operatie:
1) Verstoort het implantaat het gedrag of het welzijn van dieren? 2) Is de signaalkwaliteit hoog en kunnen signalen gedurende langere tijd worden gehandhaafd? 3) Kunnen opnames gemakkelijk worden gecombineerd met taakuitvoering?
Om de impact van het implantaat op het gedrag van dieren te beoordelen, analyseerden we gevolgde voortbewegingspatronen in vijf geïmplanteerde dieren. Figuur 2A toont een voorbeeld van een dier dat 10 minuten voor en 1 week na implantatie vrij beweegt in een speelkooi. Men kan zien dat bewegingspatronen onveranderd zijn. Deze waarneming wordt bevestigd door figuur 2B, C die de verdeling van bewegingssnelheden en koprichtingen over dieren weergeeft. Zowel de loopsnelheid als de hoofdrichtingen waren grotendeels onveranderd voor en na de implantatie, en de loopsnelheden leken na de operatie enigszins verhoogd te zijn. Aanvullende video 1 toont een korte video-opname van een dier 6 dagen na de implantatieoperatie. Typisch gedrag in een thuiskooi, zoals voortbeweging, verzorging, opfokken en foerageren in de thuisomgeving zijn allemaal zichtbaar en duiden op een succesvol herstel van een operatie, evenals op de algemene gezondheid. De lage gedragsimpact van het implantaat is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan het lage gewicht en de beheersbare hoogte.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig02.jpg"> Figuur 2: Voortbeweging voor en na de operatie. (A) Voorbeeld van de voortbeweging van een dier voor (linkerpaneel) en na (rechterpaneel) implantatie. x/y-coördinaten zijn in centimeters, punten geven de positie van het dier op elk tijdstip aan over een periode van 10 minuten. (B) Verdeling van bewegingssnelheden in cm/s gedurende 5 sessies voor en 3 sessies na implantatie bij 5 dieren. (C) Kerneldichtheid voor de waarschijnlijkheid van beweging in verschillende richtingen, voor dezelfde sessies geanalyseerd in (B). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig02large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Vervolgens wordt de signaalkwaliteit in Local Field Potential (LFP) en spiking-activiteit op verschillende opnamelocaties beoordeeld. Hier tonen we representatieve gegevens van corticale opnames in de primaire visuele cortex (V1). Voor validatie werd de vermeende activiteit van één eenheid geëxtraheerd uit breedband neuronale signalen die waren geregistreerd in V1 van een wakkere muis met behulp van Kilosort 3 (zie figuur 3). Figuur 3A toont de locatie van geëxtraheerde afzonderlijke eenheden op de sondeschacht, Figuur 3B toont de overeenkomstige spike-golfvormen en Figuur 3C toont de piekreacties van dezelfde neuronen op een current source density (CSD) -protocol. In dit paradigma werden breedveldflitsen gepresenteerd met een duur van 300 ms bij een frequentie van 1 Hz (d.w.z. 300 ms aan, 700 ms uit) gedurende 200 proeven. Ten slotte toont figuur 3D de reacties van dezelfde eenheden op een protocol voor het in kaart brengen van visuele receptieve velden, bestaande uit 2000 frames van willekeurig geselecteerde zwart-witte vierkanten op een grijze achtergrond, en elk gepresenteerd voor 16,6 ms. Vierkanten besloegen elk een visuele hoek van 12 graden en werden geselecteerd uit een veld van 15 x 5 mogelijke locaties, zodat het mapping-paradigma een visuele ruimte besloeg van -90 tot +90 graden azimut en -30 tot +40 graden elevatie in totaal. De reacties op de vuursnelheid op elk stimulusframe werden geëxtraheerd door de maximale vuursnelheid te analyseren over een venster van 16,6 ms, met een vertraging van tussen 40-140 ms, geïdentificeerd als optimaal per kanaal op basis van de maximale activiteit in elk venster. Dit type opname kan worden gebruikt om de aanpassing van de inbrengdiepte van elke elektrode te begeleiden en om de signaalkwaliteit na de implantaatoperatie te beoordelen.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig03.jpg"> Figuur 3: Opgenomen neuronale signalen. (A) Afgeleide locatie van afzonderlijke eenheden gesorteerd op Kilosort 3 spike-sorteerpakket langs de elektrodecontacten van de sonde. (B) Piek golfvormen voor dezelfde eenheden weergegeven in A gedurende 5 ms tijd. Dunne lijnen: Individuele spike-golfvormen. Dikke lijnen: Gemiddelde piekgolfvorm. (C) Rasterplot van pieken als reactie op een stroombrondichtheid (CSD) paradigma met 300 ms breedveldflitsen gevolgd door een 700 ms zwart scherm. Antwoorden worden getoond voor dezelfde eenheden als in A en B. Boven elkaar gelegde gekleurde lijnen vertegenwoordigen peri-stimulus tijd histogrammen (PSTH's) van dezelfde reacties. De vuursnelheden voor de PSTH's werden berekend in opslaglocaties van 10 ms en vervolgens genormaliseerd met de maximale vuursnelheid voor de gehele PSTH. Tijd 0 is gecentreerd rond de breedveldflitsstimulus. (D) Geschatte receptieve velden van dezelfde eenheden als in A-C, gemeten door een Sparse Noise Receptieve Field Mapping-paradigma. Elke grafiek toont de gemiddelde activiteit van de vuursnelheid gedurende een analysevenster van 16,6 ms als reactie op het begin (linkerpaneel) of offset (rechterpaneel) van witte en zwarte vierkante stimuli. Stimuli werden gepresenteerd voor de duur van 16,6 ms, willekeurig geplaatst over een raster van 5 x 15 vierkant met een horizontale gezichtshoek van 180 graden en een visuele hoek van 70 graden verticaal. De activiteit van de vuursnelheid werd z-gescoord over het gehele receptieve veldraster (zie kleurenbalk). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig03large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
De opnamekwaliteit bleef weken tot maanden hoog bij herhaalde opnames. Figuur 4A toont longitudinale LFP-opnames van één dier gedurende 15 weken. LFP's werden geregistreerd als reactie op het hierboven beschreven CSD-paradigma (zie figuur 3A-C). Figuur 4A toont de gemiddelde LFP-respons 500 ms na het begin van de flits. In dit voorbeeld gebruikten we een lineaire sonde met 32 kanalen, met een interelektrodeafstand van 25 μm. Merk op dat op dag 18 de sondediepte werd aangepast, waardoor de sonde 600 μm naar beneden verschoof. Zowel voor als na deze aanpassing bleven de LFP-signalen stabiel over de opnamedagen.
In overeenstemming hiermee waren piekgolfvormen van vermeende enkele eenheden waarneembaar over veel opnames. Figuur 4B toont representatieve voorbeelden van piekgolfvormen van drie opnamesessies gedurende een maand van opnames, wat aantoont dat activiteit van één eenheid in de loop van de tijd met succes kan worden geïdentificeerd. Figuur 4C toont het totale aantal vermoedelijke afzonderlijke eenheden dat is geëxtraheerd uit chronische opnames bij zes dieren, verspreid over een periode van maximaal 100 dagen. Enkelvoudige eenheden werden gedefinieerd volgens de standaardcriteria van kilosort 3.0 (zie aanvullende tabel 1). Zoals men kan zien, bedroeg het aantal duidelijk gedefinieerde enkele eenheden doorgaans ~40 in de eerste week na implantatie, en daalde vervolgens geleidelijk, op weg naar een schijnbaar stabiele asymptoot van ~20 eenheden. Aangezien deze opnames werden uitgevoerd met behulp van lineaire 32-kanaals sondes, komt dit neer op een verwachte opbrengst van ongeveer 1,25 enkele eenheden per elektrode direct na implantatie, afnemend tot ca. 0,65 enkele eenheden per elektrode in langdurige opnames. Herhaalde verbinding met de versterker/connector van het implantaat tijdens sessies leek geen invloed te hebben op de opnamekwaliteit of de stabiliteit van het implantaat, aangezien de Faraday-kroon die de versterker/connector vasthoudt, bestand is tegen herhaalde krachten van meer dan 10 Newton, een orde van grootte groter dan zelfs de maximale paringskrachten die nodig zijn voor standaardconnectoren (zie aanvullende video 2).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig04.jpg"> Figuur 4: Stabiliteit van neuronale opnames in de tijd. (A) Gemiddelde LFP-activiteit als reactie op een breedveldflits CSD-stimulus, weergegeven over alle 32 kanalen van een chronisch geïmplanteerde sonde van 3-110 dagen na implantatie. De rode verticale lijn geeft aan dat de sonde naar een nieuwe locatie wordt neergelaten vanwege kanalen 0-8 die van buiten de hersenen worden opgenomen op dag 18 na de operatie. (B) Spike-golfvormen van drie voorbeeldeenheden van hetzelfde chronische implantaat, herhaaldelijk geregistreerd gedurende vier weken. Dunne lijnen: Individuele spike-golfvormen. Dikke gesuperponeerde lijn: Gemiddelde piekgolfvorm. (C) Het aantal vermoedelijke afzonderlijke eenheden dat door Kilosort 3 is gedetecteerd gedurende registratiedagen voor 6 dieren (zie bijleglegenda). Het rode vierkant geeft de dagen aan waarop de sonde werd verplaatst. De stippellijn geeft het aantal elektroden per implantaat aan dat in deze opnames wordt gebruikt (32). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig04large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Ten slotte, door een modulair systeem te bieden met een microdrive, een draagbare kooi van Faraday en een hoofdplaat die ook dienst doet als implantaatbasis en een apparaat voor hoofdfixatie, maakt dit protocol de integratie van chronische elektrofysiologie met hoofdfixatiegedrag mogelijk. Hier worden voorbeeldgegevens getoond van muizen die een virtuele omgeving doorkruisen op een bolvormige loopband. Figuur 5A toont een hardloopgerelateerde spiking-activiteit van 20 eenheden in een voorbeeldproef. Figuur 5B toont de diverse maar robuuste relaties tussen loopsnelheid en spiking-activiteit van individuele spike-gesorteerde eenheden, evenals een populatiegemiddelde voor hetzelfde effect in Figuur 5C, wat het gevestigde effect van locomotorische activiteit op neuronale activiteit bij knaagdier V1 bevestigt24.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig05.jpg"> Figuur 5: Neuronale reacties tijdens hoofd-gefixeerd gedrag. (A) Rasterdiagram van de respons van één eenheid in een voorbeeldproef, met de loopsnelheid (paarse lijn) en de gemiddelde vuursnelheden van alle afzonderlijke eenheden (lichtblauwe lijn) over elkaar heen. (B) Activiteit van één eenheid tijdens verschillende rijsnelheidscategorieën, weergegeven voor zes voorbeeldeenheden. (C) Gemiddelde spiking-activiteit over alle afzonderlijke eenheden in één voorbeeldsessie, uitgezet over de vijf kwintielen van de lopende snelheidsverdeling. De loopsnelheden in deze sessie varieerden van 0 tot 0,88 meter/seconde. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig05large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Aanvullende tabel 1: Tabel met de standaardparameters die door Kilosort 3 worden gebruikt bij het identificeren van afzonderlijke eenheden in de opnamen die worden weergegeven in Figuur 3, Figuur 4 en Figuur 5. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Table%201.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullende video 1: Video die de locomotorische activiteit van dieren na implantatie laat zien. De video die is gemaakt na een herstelfase van 5 dagen is voltooid en toont normaal locomotorisch gedrag en aanpassing aan de grootte en het gewicht van het implantaat. Het dier is normaal gesproken te zien in een speelkooi met omgevingsverrijking. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20video%201.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullende video 2: Video die laat zien hoe er kracht wordt uitgeoefend op de gemonteerde Faraday-kroon. De krachten die door de Faraday-kroon worden weerstaan, zijn ongeveer een orde van grootte groter dan de verbindingskracht die nodig is voor standaardconnectoren zoals 4-pins gepolariseerde nanoconnectoren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Video%202.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullende afbeelding 1: Afbeelding met afbeeldingen van de schijfhouder. Afdrukbare ontwerpbestanden zijn te vinden in de bijbehorende Github-repository (https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%201.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullende figuur 2: Sjabloon voor koperen gaas. Print het sjabloon met de originele schaalverdeling en gebruik het sjabloon voor het uitsnijden van het koperen gaas (stap 2.12). Gebruik de schaalbalk om de schaal van de afdruk te controleren en, indien nodig, aan te passen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%202.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullende figuur 3: Fotoserie van de montagestappen van het implantaat tijdens de operatie. In dit geval zijn twee microdrives en twee versterkers geïnstalleerd. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%203.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullende figuur 4: Tekening van de schedel van een muis met voorbeeldplaatsing van aandrijvingen, craniotomieën (in groen) en GND/REF-pin (in rood). De locatie van de pin wordt aanbevolen vanwege de plaatsing in het cerebellum, wat waarschijnlijk niet de corticale opnames verstoort. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%204.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>

Hier introduceren we een lichtgewicht, kosteneffectief sonde-implantaatsysteem voor chronische elektrofysiologie bij knaagdieren, geoptimaliseerd voor gebruiksgemak, sondeherstel, experimentele veelzijdigheid en compatibiliteit met gedrag.

Het DREAM-implantaat: een lichtgewicht, modulair en kosteneffectief implantaatsysteem voor chronische elektrofysiologie bij muizen die zich op het hoofd fixeren en zich vrij gedragen

Chronic electrophysiological recordings in rodents have significantly improved our understanding of neuronal dynamics and their behavioral relevance. ...

the-dream-implant-lightweight-modular-cost-effective-implant-system

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neurowetenschap

Het begrijpen van de neurale substraten van gedrag vereist ensemble-opname van hersencircuits. Vanwege zijn genetische toepasbaarheid, biedt de muis een model voor het dissekeren van circuits en het nabootsen van ziekten. Hier wordt een methode beschreven voor het ontwerpen en fabriceren van geminiaturiseerde sondes die geschikt zijn voor het targeten van diepe hersenstructuren bij de muis.

Ontwerp en de fabricage van Ultralight Gewicht, verstelbare Multi-elektrode Probes voor elektrofysiologische registraties in Muizen

Hier beschrijven we een micro-drive-ontwerp, chirurgische implantatieprocedure en postoperatieve herstelstrategie die chronische veld- en single-unit-opnames van meerdere hersengebieden tegelijkertijd mogelijk maken in juveniele en adolescente muizen in een kritisch ontwikkelingsvenster van postnatale dag 20 (p20) tot postnatale dag 60 (p60) en verder.

Een lichtgewicht aandrijfimplantaat voor chronische Tetrode-opnames bij jonge muizen

Hier presenteren we een uniek, 3D-printbaar implantaat voor ratten, genaamd TD Drive, dat in staat is tot symmetrische, bilaterale draadelektrode-opnames, momenteel in maximaal tien gedistribueerde hersengebieden tegelijk.

De TD Drive: een parametrisch, open-source implantaat voor elektrofysiologische opnames van meerdere gebieden bij zich gedragende en slapende ratten

Dit protocol is ontwikkeld om een betrouwbaar en gemakkelijk toegankelijk systeem te creëren voor het registreren van vrij bewegende EEG van knaagdieren.

Een kosteneffectief en minimaal invasief protocol voor chronische multi-site elektro-encefalografie-opname bij vrij bewegende muizen

We presenteren een goedkope methode te ontwerpen en een licht headstage voorversterker systeem bouwen met gelijktijdige opname en neurale stimulatie mogelijkheid. Dit apparaat kan worden waterdicht gemaakt voor gebruik in het zwemmen dieren.

Ontwerp en Bouw van een kosteneffectieve Headstage voor Simultaneous neurale stimulatie en opnemen in het Water Maze

Neurale controle en cognitieve processen kunnen worden bestudeerd door middel van oogbewegingen. De VisualEyes software maakt het mogelijk een operator om stimuli op twee computerschermen zelfstandig met behulp van een eenvoudig, douane scripttaal programmeren. Het systeem kan stimuleren bewegingen tandem oog (saccades en glad achtervolging) of tegengestelde oogbewegingen (convergentie) of een combinatie.

VisualEyes: Een modulair software systeem voor oogmotorische Experimenteren

We beschrijven het ontwerp en de assemblage van geminiaturiseerde hoofdtelefoons die geschikt zijn voor het vervangen van natuurlijke auditieve een zangvogel van de feedback met een gemanipuleerde akoestisch signaal. Online geluidsverwerking hardware wordt gebruikt om song-uitgang te manipuleren, real-time fouten in auditieve feedback te introduceren via de hoofdtelefoon, en vocale motorisch leren rijden.

Een lichtgewicht, hoofdtelefoon-gebaseerd systeem voor het manipuleren van auditieve feedback in Zangvogels

We beschrijven het gebruik van optogenetics en elektrofysiologische opnames voor selectieve manipulaties van hippocampal theta oscillaties (5-10 Hz) in gedragend muizen. De werkzaamheid van de entrainment ritme wordt gecontroleerd met behulp van lokale veld potentieel. Een combinatie van opto- en Farmacogenetische inhibitie adressen de efferent uitlezing van hippocampal synchronisatie.

Optogenetic meevoeren van Hippocampal Theta oscillaties in het gedrag van muizen

Dierlijke modellen van cochleaire implantaten kunnen vooraf kennis van de technologische grondslagen voor de behandeling van permanente perceptief gehoorverlies met elektrische stimulatie. Deze studie geeft een chirurgische protocol voor acute oorverdovend en cochleaire implantatie van een elektrodenserie in muizen, alsmede de beoordeling van de functionele met auditieve brainstem response.

Cochleair implantaatchirurgie en elektrisch opgeroepen auditieve Brainstem Response opnamen in C57BL/6 muizen

Het gepresenteerde protocol produceert een persistente sensorisch conflict voor experimenten gericht op lange termijn leren studeren. Door het permanent dragen van een vaste apparaat op hun hoofd, worden muizen voortdurend blootgesteld aan een zintuiglijke wanverhouding tussen visuele en vestibulaire ingangen terwijl het vrij bewegen in huis kooien.

Op lange termijn sensorisch Conflict in vrij gedragen muizen

Leer het DREAM-implantaatsysteem voor chronische elektrofysiologie bij muizen. Deze lichtgewichte, modulaire methode maakt hoogwaardige neuronale registratie mogelijk tijdens natuurlijk gedrag en besluitvorming.

Het DREAM-implantaat: een lichtgewicht, modulair en kosteneffectief implantaatsysteem voor chronische elektrofysiologie bij muizen die zich op het hoofd fixeren en zich vrij gedragen (Video) | JoVE Journal

Het DREAM-implantaat: een lichtgewicht, modulair en kosteneffectief implantaatsysteem voor chronische elektrofysiologie bij muizen die zich op het hoofd fixeren en zich vrij gedragen

Meer video's verkennen