Bezprzewodowy, dwukierunkowy interfejs do rejestrowania in vivo i stymulacji aktywności neuronalnej u swobodnie zachowujących się szczurów
November 7th, 2017
Wprowadzono bezprzewodowy, dwukierunkowy system do wielokanałowych zapisów neuronowych i stymulacji u swobodnie zachowujących się szczurów. System jest lekki i kompaktowy, dzięki czemu ma minimalny wpływ na repertuar behawioralny zwierzęcia. Co więcej, ten dwukierunkowy system zapewnia wyrafinowane narzędzie do oceny związków przyczynowo-skutkowych między wzorcami aktywacji mózgu a zachowaniem.
Ogólnym celem tego badania było opracowanie telemetrycznego, dwukierunkowego urządzenia do wykonywania wielokanałowych nagrań neuronowych i stymulacji u swobodnie zachowujących się szczurów. To nowe urządzenie może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie neurobiologii behawioralnej, takie jak związki przyczynowo-skutkowe między wzorcami aktywacji mózgu a zachowaniem. Aby zweryfikować system telemetryczny, wybieramy wzgórek dolny jako docelową neurostrukturę, ponieważ jego stymulacja elektryczna może wywołać jawną reakcję behawioralną.
Powszechnie wiadomo, że elektryczna stymulacja wzgórka dolnego wywołuje u szczurów uwarunkowane reakcje behawioralne podobne do strachu, takie jak czujność, zamrożenie i zachowanie ucieczki. Założyliśmy, że możliwość wywołania tak jasnego i jednoznacznego zachowania będzie prawdziwym wyzwaniem dla naszego systemu telemetrycznego. Zintegrowany system telemetryczny składa się ze stopnia głównego, baterii, odbiornika i jednostki mikroelektrody, którą należy wszczepić podczas operacji stereotaktycznej.
Pokazano tutaj całkowicie zintegrowany, opracowany przez nas system bezprzewodowy, który składa się z pojedynczej elektrody rejestrującej, tetrody, elektrody stymulacyjnej, płytki przyłączeniowej światłowodu elektrody, elastycznych połączeniowych, przewodu uziemiającego, płytki połączeniowej, złącza męskiego lub żeńskiego do TWS, jednostki mikroelektrody TWS podłączonej do przedwzmacniacza oraz uchwytu do mocowania do ramy stereotaktycznej. Aby rozpocząć tę procedurę, zamocuj i wyrównaj głowę zwierzęcia w aparacie stereotaktycznym za pomocą nauszników i górnego siekacza. Następnie ogol pole operacyjne za pomocą maszynki do strzyżenia lub nożyczek chirurgicznych i wysterylizuj skórę głowy jodem powidonu.
Umieść poduszkę grzewczą pod zwierzęciem, aby zapobiec hipotermii i potraktuj jego oko dekspantenolem, aby zapobiec wysuszeniu. Następnie wstrzyknąć lek Xylocaine w środek pola operacyjnego. Następnie wykonaj małe nacięcie skalpelem, aby odsłonić czaszkę.
Delikatnie oddziel skórę i usuń resztki tkanki. Następnie ostrożnie oczyść czaszkę za pomocą patyczków kosmetycznych pokrytych nadtlenkiem wodoru. Następnie wywierć cztery małe otwory w czaszce, aby zamocować ze stali nierdzewnej.
Następnie wywierć otwór około siedmiu milimetrów w czaszce nad obszarem docelowym, aby zamocować jednostkę elektrody. Podłącz zespół mikroelektrod i uchwyt elektrody do przedwzmacniacza, który jest podłączony do mikromanipulatora stereotaktycznego. Wchłonąć krew za pomocą wacików.
Następnie wprowadź pionowo jednostkę mikroelektrody, aż końcówki dotrą do obszaru docelowego. Umieść uziemiający wzdłuż ze stali nierdzewnej i pod skórą. Następnie ostrożnie wyreguluj elektrodę za pomocą mikromanipulatora, aż dotrze do strefy aktywnych neuronów w strukturze docelowej.
W międzyczasie monitoruj aktywność spajków i wykrywaj aktywność neuronalną ze stosunkiem sygnału do szumu odpowiednim do sortowania spajków. Następnie przymocuj jednostkę mikroelektrody do czaszki za pomocą kleju ultrafioletowego. Przykryj i uziemiający żywicą akrylową.
Następnie odłącz zespół mikroelektrod od uchwytu elektrody. Przykryj płytkę stykową i małe żywicą akrylową. Ostrożnie wyjmij sztyft z ramy stereotaktycznej i odłącz przedwzmacniacz od jednostki mikroelektrody.
Następnie podłącz zabezpieczenie nasadki na wszczepionym zespole mikroelektrody i odłączaj go tylko podczas procedur eksperymentalnych. Monitoruj dobrostan zwierząt i wypełniaj arkusz wyników codziennie aż do końca eksperymentów. Trzymaj szczury pojedynczo w klatce domowej przez co najmniej jeden dzień po operacji, aby umożliwić powrót do zdrowia, a następnie trzymaj szczury w parach.
Pojedyncze klatki powinny być przykryte wysokimi akrylowymi pokrywami. Unikaj konwencjonalnych pokrywek wykonanych z metalowej siatki, ponieważ implanty mogą z czasem utknąć i ulec uszkodzeniu lub niestabilności. Otwórz oprogramowanie TWS i podłącz transceiver do portu USB komputera.
Transceiver można umieścić w odległości nie większej niż pięć metrów nad zwierzęciem. Gdy między nadajnikiem-odbiornikiem a stopniem głowy zwierzęcia nie zostanie wprowadzona żadna metalowa bariera, TWS ma zastosowanie do szerokiego zestawu zadań behawioralnych. Podłącz akumulator do górnej części głowicy stage.
Upewnij się, że w głowicy zapala się zielone światło, gdy bateria jest do niego podłączona. Następnie podłącz stopień głowicy bezpośrednio do wszczepionej mikroelektrody. Jako przykładowe testy behawioralne używamy otwartego pola do pomiaru ogólnej aktywności behawioralnej oraz labiryntu podwyższonego plus, standardowego testu do oceny zachowania podobnego do lęku u szczurów.
W przypadku testu na otwartym polu umieść szczura na środku otwartego pola. Pozwól szczurowi na zbadanie aparatury przez co najmniej pięć minut. Naciśnij przycisk połączenia, aby połączyć komputer hosta z systemem telemetrycznym.
Stan powinien zmienić się z offline na online. Wybierz menu ustawień parametrów bodźca. Wybierz parametry generatora stymulacji zgodnie z eksperymentem stymulacji.
Na przykład amplituda impulsu jeden, amplituda impulsu druga, częstotliwość impulsów i częstotliwość pociągu. Jeśli wszystkie parametry stymulacji są ustawione na wymagane wartości, przesuń mysz do pozycji Start bodźca i naciśnij przycisk Start bodźca. Przesuń wskaźnik myszy na przycisk Graph Start Display (Wyświetlanie początku wykresu).
Przesuń wskaźnik myszy do menu Widok wykresu, aby wybrać wykresy, które mają być wyświetlane jako sygnał stymulacji. W przypadku testu labiryntu na podwyższonym plusie, labirynt plus używany w tych eksperymentach jest wykonany z szarego akrylu i składa się z dwóch otwartych ramion i dwóch zamkniętych ramion, które wystają z centralnej platformy podniesionej 50 centymetrów nad podłogą. Umieść stawkę w środku i labiryncie skierowanym w stronę otwartego ramienia.
Pozwól mu swobodnie eksplorować aparaturę przez pięć minut. Naciśnij przycisk połączenia, aby połączyć komputer hosta z systemem telemetrycznym. Stan powinien zmienić się z offline na online.
Siła komunikacji i pozostała pojemność baterii są wyświetlane za pomocą zielonego paska w lewym górnym rogu. Przesuń menu konfiguracji, aby wyświetlić opcje wykresu. Wybierz menu ścieżki pliku, aby wprowadzić nazwę pliku i ścieżkę, w której mają być przechowywane zarejestrowane dane.
Naciśnij Zapisz, aby zapisać nazwę pliku i ścieżkę. Naciśnij przycisk start wyświetlacza, aby rozpocząć wyświetlanie wykrytych sygnałów z czterech kanałów nagrywania. Zwróć uwagę na fakt, że nagrane sygnały nie są jeszcze przechowywane.
Wybierz wzmocnienie zintegrowanego wzmacniacza stopnia głównego TWS. Uruchom monitor audio, naciskając zieloną strzałkę i wybierz próg sygnału za pomocą suwaka, aby zredukować szumy tła i akustycznie wyświetlić nagrane skoki. Naciśnij czerwony przycisk nagrywania w menu nagrywania.
Po naciśnięciu przycisku nagrywania nagrany sygnał jest zapisywany na dysku twardym. Nagrany sygnał jest wyświetlany w sposób ciągły po prawej stronie. Pokazane tutaj jest działanie nagrania TWS z pojedynczą bipolarną elektrodą rejestrującą wszczepioną w wzgórek dolny.
Następnie odłącz stopień głowicy od wszczepionej jednostki mikroelektrody i podłącz osłonę nasadki. Następnie przywróć szczura do jego domowej klatki. Zewnątrzkomórkową aktywność wielojednostkową rejestrowano kolejno w wzgórku dolnym z tej samej wszczepionej elektrody za pomocą TWS i konwencjonalnego systemu rejestracji na uwięzi.
Rysunek ten przedstawia reprezentatywne dane surowe zarejestrowane przy użyciu obu systemów, gdy zwierzę swobodnie poruszało się w otwartym polu. W tym przypadku bezpośrednie porównanie sygnałów sugeruje podobne formy fal szczytowych i poziomy szumu. Tutaj zaprezentowaliśmy nasz bezprzewodowy system rejestracji i stymulacji do badań elektrofizjologicznych i behawioralnych u swobodnie poruszających się zwierząt.
Nasze podejście ma kilka zalet w porównaniu z istniejącymi. Po pierwsze, system ten wykorzystuje pojedynczy przenośny stopień główny. Utrzymuj go za pomocą przedwzmacniacza i akumulatora.
Stopień główny jest lekki i kompaktowy, waży 12 gramów wraz z baterią. Po drugie, był dobrze tolerowany przez zwierzęta i w tym celu może być używany do zastąpienia systemu na uwięzi, ponieważ nie ogranicza mobilności zwierzęcia. Po trzecie, dzięki jednoczesnemu dwukierunkowemu rejestrowaniu i stymulacji aktywności neuronalnej, system ten zapewnia wyrafinowane narzędzie do oceny związków przyczynowo-skutkowych między określonymi wzorcami aktywacji mózgu a zachowaniem.
Wreszcie, opracowaliśmy przewlekle wszczepialny mikroelektrod, który można łatwo wszczepić podczas konwencjonalnej operacji stereotaktycznej. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wszczepić jednostkę mikroelektrod i wykonywać stymulację elektryczną oraz zewnątrzkomórkowe nagrania neuronowe. System telemetryczny jest użytecznym narzędziem do badania mechanizmów stymulacji mózgu.
System telemetryczny jest ważnym narzędziem, które można połączyć z szerokim zestawem testów behawioralnych w celu zbadania, w jaki sposób aktywność elektryczna w zdefiniowanych obwodach neuronowych generuje określone formy zachowania, co jest podstawowym zadaniem neuronauki.
Przegląd
To badanie przedstawia bezprzewodowy, dwukierunkowy system do wielokanałowego rejestrowania i stymulacji neuronów u szczurów swobodnie zachowujących się. System został zaprojektowany w celu zminimalizowania wpływu na zachowanie zwierzęcia, umożliwiając jednocześnie ocenę przyczynowych związków między wzorcami aktywacji mózgu a zachowaniem.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Neuronauki behawioralne
- Elektrofizjologia
Tło
- Rozumienie przyczynowych związków między aktywnością neuronową a zachowaniem jest kluczowe w neuronauce.
- Jądro dolne jest kluczowa strukturą do badania przetwarzania dźwięków i reakcji behawioralnych.
- Istniejące systemy mogą nie zapewniać niezbędnej elastyczności dla swobodnie zachowujących się podmiotów.
- Systemy telemetryczne mogą poprawić projekt eksperymentu, umożliwiając zbieranie danych w czasie rzeczywistym.
Cel badania
- Opracować urządzenie telemetryczne do wielokanałowego rejestrowania i stymulacji neuronów.
- Zweryfikować system, używając jądra dolnego jako docelowej struktury neuroanatomicznej.
- Zbadać związek między aktywacją mózgu a reakcjami behawioralnymi u szczurów.
Zastosowane metody
- Projektowanie i implementacja bezprzewodowego systemu telemetrycznego.
- Stereotaktyczna operacja w celu implantacji jednostki mikroelektrodowej.
- Testy behawioralne, w tym testy na otwartym polu i labiryncie plus z podniesionym środkiem.
- Monitorowanie w czasie rzeczywistym aktywności neuronowej i reakcji behawioralnych.
Główne wyniki
- System telemetryczny z powodzeniem rejestrował aktywność neuronalną u swobodnie zachowujących się szczurów.
- Stymulację elektryczną jądra dolnego wywoływano wyraźne reakcje behawioralne.
- System wykazał niezawodne działanie w różnych zadaniach behawioralnych.
- Zebrane dane dostarczyły wglądu w przyczynowe związki między aktywnością neuronową a zachowaniem.
Wnioski
- Opracowany system jest cennym narzędziem do badania interakcji neuronowo-behawioralnych.
- Umożliwia badanie złożonych paradygmatów behawioralnych u swobodnie poruszających się podmiotów.
- Przyszłe zastosowania mogą obejmować inne regiony mózgu i konteksty behawioralne.
Często zadawane pytania
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.
