Kluczowe jest zrozumienie, w jaki sposób aktywność neuronalna wspiera procesy poznawcze, takie jak uczenie się i pamięć, poprzez badanie, jak różne obszary mózgu dynamicznie oddziałują ze sobą. Aby wyjaśnić dynamikę aktywności neuronalnej leżącej u podstaw zadań poznawczych, przeprowadzono wielkoskalową elektrofizjologię zewnątrzkomórkową u swobodnie poruszających się zwierząt za pomocą macierzy mikronapędów1,2,3,4. W ciągu ostatnich dwóch dekad opracowano kilka typów macierzy mikronapędów do wszczepiania elektrod do wielu obszarów mózgu szczurów5,6,7,8 i myszy9,10,11,12. Niemniej jednak obecne konstrukcje mikronapędów generalnie nie pozwalają na stosowanie wielu typów sond, co zmusza badaczy do wyboru jednego typu elektrody z określonymi korzyściami i ograniczeniami. Na przykład matryce tetrodowe działają dobrze w gęsto zaludnionych obszarach mózgu, takich jak grzbietowy hipokamp CA11,13, podczas gdy sondy krzemowe dają lepszy profil geometryczny do badania połączeń anatomicznych14,15.
Tetrody i sondy krzemowe są często używane do przewlekłego nagrywania in vivo, a każda z nich ma swoje zalety i wady. Udowodniono, że tetrody mają znaczące zalety w lepszej izolacji pojedynczej jednostki niż pojedyncze elektrody16,17, oprócz opłacalności i sztywności mechanicznej. Zapewniają również wyższą wydajność działań pojedynczej jednostki w połączeniu z mikronapędami8,18,19,20. Niezbędne jest zwiększenie liczby jednocześnie rejestrowanych neuronów dla zrozumienia funkcji obwodów neuronowych21. Na przykład duża liczba komórek jest potrzebna do zbadania małych populacji funkcjonalnie heterogenicznych typów komórek, takich jak komórki związane z czasem22 lub kodowanie nagrody23. Znacznie większa liczba komórek jest wymagana, aby poprawić jakość dekodowania sekwencji spajków13,24,25.
Tetrody mają jednak wadę w rejestrowaniu przestrzennie rozmieszczonych komórek, takich jak w korze lub wzgórzu. W przeciwieństwie do tetrod, sondy krzemowe mogą zapewnić przestrzenny rozkład i interakcję lokalnych potencjałów pola (LFP) oraz aktywności impulsowej w lokalnej strukturze14,26. Wielozębowe sondy krzemowe dodatkowo zwiększają liczbę miejsc rejestracji i umożliwiają rejestrację w pojedynczych lub sąsiadujących strukturach27. Jednak takie matryce są mniej elastyczne w pozycjonowaniu miejsc elektrod w porównaniu z tetrodami. Ponadto w sondach o dużej gęstości wymagane są złożone algorytmy sortowania spajków w celu wyodrębnienia informacji o potencjałach czynnościowych sąsiednich kanałów w celu odzwierciedlenia danych uzyskanych przez tetrody28,29,30. W związku z tym ogólna wydajność pojedynczych jednostek jest często mniejsza niż tetrod. Ponadto sondy krzemowe są niekorzystne ze względu na ich kruchość i wysoki koszt. Tak więc wybór tetrod i sond krzemowych zależy od celu nagrania, którym jest pytanie, czy priorytetem jest uzyskanie wysokiej wydajności pojedynczych jednostek, czy profilowanie przestrzenne w miejscach rejestracji.
Oprócz rejestrowania aktywności neuronalnej, manipulacja optogenetyczna stała się jednym z najpotężniejszych narzędzi w neurobiologii, aby zbadać, w jaki sposób określone typy komórek i/lub szlaki przyczyniają się do funkcji obwodów nerwowych13,31,32,33. Jednak eksperymenty optogenetyczne wymagają dodatkowego rozważenia w projektowaniu macierzy mikronapędów, aby podłączyć złącze światłowodowe do stymulujących źródeł światła34,35,36. Często podłączenie światłowodów wymaga stosunkowo dużej siły, co może doprowadzić do mechanicznego przemieszczenia sondy w mózgu. Dlatego nie jest trywialnym zadaniem połączenie wszczepialnego światłowodu z konwencjonalnymi układami mikronapędów.
Z powyższych powodów, badacze są zobowiązani do optymalizacji wyboru rodzaju elektrody lub wszczepienia światłowodu w zależności od celu nagrania. Na przykład tetrody są używane do osiągania wyższej wydajności jednostkowej w hippocampus1,13, podczas gdy sondy krzemowe są używane do badania profilu głębokości laminarnej obszarów korowych, takich jak przyśrodkowa kora śródwęchowa (MEC)37. Do tej pory mikronapędy do jednoczesnego wszczepiania tetrod i sond krzemowych zostały zgłoszone dla szczurów5,11. Jednak wszczepienie myszom wielu tetrod i sond krzemowych jest niezwykle trudne ze względu na wagę mikronapędów, ograniczoną przestrzeń na głowie myszy i wymagania przestrzenne dotyczące projektowania mikronapędu z wykorzystaniem różnych sond. Chociaż możliwe jest wszczepienie sond krzemowych bez mikronapędu, procedura ta nie pozwala na regulację sondy i obniża wskaźnik powodzenia odzyskiwania sondy krzemowej12,38. Co więcej, eksperymenty optogenetyczne wymagają dodatkowych rozważań przy projektowaniu macierzy mikronapędów. Protokół ten pokazuje, jak skonstruować i wszczepić matrycę mikronapędów do przewlekłego zapisu u swobodnie poruszających się myszy, co pozwala na wszczepienie dziewięciu niezależnie regulowanych tetrod i jednej regulowanej sondy optokrzemowej. Ten układ mikronapędów ułatwia również eksperymenty optogenetyczne i odzyskiwanie sondy krzemowej.