Bezprzewodowy, dwukierunkowy interfejs do rejestrowania in vivo i stymulacji aktywności neuronalnej u swobodnie zachowujących się szczurów

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.