Name: TD Drive: parametryczny implant o otwartym kodzie źródłowym do wieloobszarowych zapisów elektrofizjologicznych u zachowujących się i śpiących szczurów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-04-26T13:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 51 s
Description: Poznaj metodę elektrofizjologicznych zapisów wieloobszarowych u swobodnie poruszających się szczurów za pomocą implantu TD Drive. To otwarte rozwiązanie ułatwia badanie interakcji między obszarami mózgu podczas snu i zachowań.

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

Autorzy chcieliby podziękować Angeli Gomez Fonseca za inspirację do stworzenia napędu oraz wszystkim studentom, którzy przeprowadzili pilotażowe eksperymenty na zwierzętach, Milanowi Bogersowi, Floor van Ravenswoud i Evie Severijnen. Prace te były wspierane przez Holenderską Radę ds. Badań Naukowych (NWO; Program zwrotnicy 17619 "INTENSYWNY").

Open&#45;Source Implant for Multi&#45;Region Electrophysiological Monitoring in Rats

<ol><li>Deffieux, T., Demené, C., Tanter, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+Ultrasound+Imaging%3A+A+New+Imaging+Modality+for+Neuroscience%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Functional Ultrasound Imaging: A New Imaging Modality for Neuroscience.</a> Neuroscience. 474, 110-121 (2021).</li>
<li>Finn, E. S., Poldrack, R. A., Shine, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+neuroimaging+as+a+catalyst+for+integrated+neuroscience%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Functional neuroimaging as a catalyst for integrated neuroscience.</a> Nature. 623 (7986), 263-273 (2023).</li>
<li>Aharoni, D., Federico Guo, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aharoni-Lab%2FMiniscope-v4%3A+Release+for+generating%5BTitle%5D)+AND+%22GitHub%22%5BJournal%5D)">Aharoni-Lab/Miniscope-v4: Release for generating.</a> GitHub. , (2023).</li>
<li>Takasaki, K., Abbasi-Asl, R., Waters, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Superficial+bound+of+the+depth+limit+of+two-photon+imaging+in+mouse+brain%5BTitle%5D)+AND+%22eNeuro%22%5BJournal%5D)">Superficial bound of the depth limit of two-photon imaging in mouse brain.</a> eNeuro. 7 (1), (2020).</li>
<li>Buzsáki, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tools+for+probing+local+circuits%3A+High-density+silicon+probes+combined+with+optogenetics%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Tools for probing local circuits: High-density silicon probes combined with optogenetics.</a> Neuron. 86 (1), 92-105 (2015).</li>
<li>Lacroix, M. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+sleep+scoring+in+mice+reveals+human-like+stages%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxi.v%22%5BJournal%5D)">Improved sleep scoring in mice reveals human-like stages.</a> bioRxi.v. , (2018).</li>
<li>Wilson, M. A., McNaughton, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+of+the+hippocampal+ensemble+code+for+space%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+New+Ser%22%5BJournal%5D)">Dynamics of the hippocampal ensemble code for space.</a> Sci New Ser. 261 (5124), 1055-1058 (1993).</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>Headley, D. B., DeLucca, M. V., Haufler, D., Paré, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Incorporating+3D-printing+technology+in+the+design+of+head-caps+and+electrode+drives+for+recording+neurons+in+multiple+brain+regions%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Incorporating 3D-printing technology in the design of head-caps and electrode drives for recording neurons in multiple brain regions.</a> J Neurophysiol. 113 (7), 2721-2732 (2015).</li>
<li>Camba, J. D., Contero, M., Company, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parametric+CAD+modeling%3A+An+analysis+of+strategies+for+design+reusability%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Aided+Des%22%5BJournal%5D)">Parametric CAD modeling: An analysis of strategies for design reusability.</a> Comput Aided Des. 74, 18-31 (2016).</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>Voigts, J., Siegle, J. H., Pritchett, D. L., Moore, C. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+flexDrive%3A+An+ultra-light+implant+for+optical+control+and+highly+parallel+chronic+recording+of+neuronal+ensembles+in+freely+moving+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Syst+Neurosci%22%5BJournal%5D)">The flexDrive: An ultra-light implant for optical control and highly parallel chronic recording of neuronal ensembles in freely moving mice.</a> Front Syst Neurosci. 7, (2013).</li>
<li>Voigts, J., Newman, J. P., Wilson, M. A., Harnett, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+easy-to-assemble%2C+robust%2C+and+lightweight+drive+implant+for+chronic+tetrode+recordings+in+freely+moving+animals%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">An easy-to-assemble, robust, and lightweight drive implant for chronic tetrode recordings in freely moving animals.</a> J Neural Eng. 17 (2), 026044(2020).</li>
<li>Sheng, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+3D-printed+multi-driven+system+for+large-scale+neurophysiological+recordings+in+multiple+brain+regions%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">A novel 3D-printed multi-driven system for large-scale neurophysiological recordings in multiple brain regions.</a> J Neurosci Methods. 361, 109286(2021).</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>Mishra, A., Marzban, N., Cohen, M. X., Englitz, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+of+neural+microstates+in+the+VTA-striatal-prefrontal+loop+during+novelty+exploration+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">Dynamics of neural microstates in the VTA-striatal-prefrontal loop during novelty exploration in the rat.</a> bioRxiv. , (2020).</li>
<li>Allen, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((RatHat%3A+A+self-targeting+printable+brain+implant+system%5BTitle%5D)+AND+%22eNeuro%22%5BJournal%5D)">RatHat: A self-targeting printable brain implant system.</a> eNeuro. 7 (2), (2020).</li>
<li>Slack, I. Soldering Safety. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://safety.eng.cam.ac.uk/safe-working/copy_of_soldering-safety">https://safety.eng.cam.ac.uk/safe-working/copy_of_soldering-safety</a> (2018).</li>
<li>Harvard Soldering Safety Guidelines. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.ehs.harvard.edu/sites/default/files/soldering_safety_guidelines.pdf">https://www.ehs.harvard.edu/sites/default/files/soldering_safety_guidelines.pdf</a> (2019).</li>
<li>Samanta, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CBD+lengthens+sleep+but+shortens+ripples+and+leads+to+intact+simple+but+worse+cumulative+memory%5BTitle%5D)+AND+%22iScience%22%5BJournal%5D)">CBD lengthens sleep but shortens ripples and leads to intact simple but worse cumulative memory.</a> iScience. 26 (11), 108327(2023).</li>
<li>Machado, F., Malpica, N., Borromeo, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parametric+CAD+modeling+for+open+source+scientific+hardware%3A+Comparing+OpenSCAD+and+FreeCAD+Python+scripts%5BTitle%5D)+AND+%22PLOS+One%22%5BJournal%5D)">Parametric CAD modeling for open source scientific hardware: Comparing OpenSCAD and FreeCAD Python scripts.</a> PLOS One. 14 (12), e0225795(2019).</li>
<li>Schwarz, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+head-fixed+behaving+rat%3A+Procedures+and+pitfalls%5BTitle%5D)+AND+%22Somatosens+Mot+Res%22%5BJournal%5D)">The head-fixed behaving rat: Procedures and pitfalls.</a> Somatosens Mot Res. 27 (4), 131-148 (2010).</li>
<li>Gardiner, T. W., Toth, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stereotactic+surgery+and+long-term+maintenance+of+cranial+implants+in+research+animals%5BTitle%5D)+AND+%22Contemp+Top+Lab+Anim+Sci%22%5BJournal%5D)">Stereotactic surgery and long-term maintenance of cranial implants in research animals.</a> Contemp Top Lab Anim Sci. 38 (1), 56-63 (1999).</li>
<li>França, A. S. C., van Hulten, J. A., Cohen, M. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-cost+and+versatile+electrodes+for+extracellular+chronic+recordings+in+rodents%5BTitle%5D)+AND+%22Heliyon%22%5BJournal%5D)">Low-cost and versatile electrodes for extracellular chronic recordings in rodents.</a> Heliyon. 6 (9), e04867(2020).</li>
</ol>

TS i PvH są pracownikami firmy 3Dneuro z siedzibą w Nijmegen w Holandii. Firma 3Dneuro jest współtwórcą i producentem napędu TD Drive.

W artykule przedstawiono adaptowalny implant do dwustronnych, symetrycznych, wieloobszarowych zapisów elektrod drucianych dla swobodnie poruszających się szczurów.
Możliwość łatwej regulacji implantu poprzez zmianę predefiniowanych parametrów była jedną z motywacji do stworzenia TD Drive. Dążąc do maksymalizacji elastyczności przy zmianie parametrów, nieodłączne ograniczenia w relacjach między nimi nieuchronnie nakładają ograniczenia na tę zdolność adaptacji. Domyślnie nie są ustawiane żadne limity dla parametrów przednio-tylnych, przy czym współrzędne te są regulowane przez logiczne interakcje między miejscami i ogólny rozmiar korpusu dysku. Parametry sterujące współrzędnymi środkowo-bocznymi wszystkich miejsc rejestracji podlegają ręcznie narzuconym limitom (zob. tabela 1). U podstaw wielu opcji parametrycznych leżą liczne interakcje między cechami projektu. W pewnych warunkach interakcje te mogą stać się niespójne. W idealnej sytuacji wszystkie możliwe kombinacje wartości parametrów są prawidłowe. Jednak ze względu na bardziej złożoną konstrukcję TD Drive zdecydowano się na ograniczenie współrzędnych środkowo-bocznych do testowanego zakresu. Wybór współrzędnych poza testowanymi granicami jest w zasadzie możliwy. Jednak wprowadzanie takich zmian nie jest zalecane, ponieważ integralność projektu może zostać zagrożona, a przywrócenie jej przy zachowaniu współrzędnych poza limitem może wymagać doświadczenia w modelowaniu CAD. Jest to nieodłączny rezultat kompromisu między łatwością produkcji napędów a elastycznością - większe stopnie swobody sprawiają, że parametryczna definicja napędu jest bardziej złożona i może skutkować zbyt szczegółowymi, niepożądanymi wynikami (na przykład konieczność wytworzenia różnych EIB w przypadku niewielkich zmian w konstrukcji napędu).
Wybory parametrów dokonywane w tej manifestacji TD Drive są kierowane preferencjami obecnych eksperymentatorów. Zdecydowano się na przykład na zwiększenie wysokości cokołów TD Drive, poprawiając łatwość implantacji podczas operacji kosztem nieco wyższego implantu końcowego. Jednak implant jest nadal znacznie mniejszy niż napędy z indywidualnie ruchomymi tetrodami i został dobrze przyjęty przez zwierzęta. Dwa postumenty używane do zakotwiczenia napędu ("c" na rysunku 2E) są celowo umieszczone w płaszczyźnie środkowej, równolegle do szwu środkowego czaszki szczura. Ogranicza to lokalizacje zapisu do współrzędnych środkowo-bocznych > 0,75 mm. Często obecność zatoki strzałkowej poniżej linii środkowej narzuca podobną granicę dla kraniotomii anatomicznie. Obecny projekt TD Drive został stworzony w programie Autodesk Fusion. Chociaż jest to jeden z najbardziej zaawansowanych programów do parametrycznego projektowania wspomaganego komputerowo 3D i w momencie publikacji zapewnia bezpłatną licencję do użytku akademickiego, komercyjny i oparty na chmurze charakter programu stanowi zagrożenie dla bezpłatnej dostępności projektu. W związku z tym przeniesienie projektu do prawdziwego parametrycznego oprogramowania CAD o otwartym kodzie źródłowym21, takiego jak FreeCAD, może być konieczne w przyszłej iteracji.
Zabieg TD Drive można wykonać w ciągu 2-3 godzin. Docelowe lokalizacje drutu są oznaczone stereotaktycznie (PFC +3,5AP obok linii środkowej, HPC -3,8AP -/+ 2,5 ML, RSC -5,8 obok linii środkowej), a elektrody śrubowe, GND i dodatkowe czaszki dla stabilności są umieszczone względem tych lokalizacji. Podczas gdy szablon TD Drive zapewnia lokalizacje stereotaktyczne, nieprecyzyje w umieszczeniu rurki poliimidowej i użycie mniej sztywnego materiału rurki mogą wprowadzać niewielkie zmiany w położeniu elektrod. Dlatego zaleca się wiercenie małych kraniotomii (zamiast otworów w żarnach o średnicy 0,5 mm wielkości rurki prowadzącej), aby uwzględnić tę zmienność. W tej operacji wykonuje się pojedynczą, większą kraniotomię dla celów RSC i HPC. W przypadku PFC i RSC zdecydowano się na wszczepienie wiązek przewodów na ustalonej głębokości. Wiązka PFC zawierała przewody skierowane na dwie różne głębokości do nagrywania z przedlimbicznej i przedniej kory obręczy. Wiązki HPC były ruchome i zbudowane z 3 drutów na różnych wysokościach, aby ułatwić dotarcie do warstwy piramidalnej Ca1, a także warstwy promienistej. Ostatni, krótszy przewód umożliwiał nagrywanie z PPC. Osiągnęliśmy najlepsze wyniki w celowaniu w Ca1 hipokampa, gdy najdłuższy drut elektrody został przeniesiony na docelową głębokość (2 mm brzusznie od powierzchni mózgu) podczas operacji, z niewielkimi korektami w ciągu dwóch tygodni po operacji podczas kontroli sygnału na żywo, aby uwzględnić indywidualne odchylenia i obrzęk mózgu po operacji.
Problem z dużymi implantami, takimi jak hipernapędy tetrodowe, u szczurów polega na ryzyku pogorszenia stabilności implantu i utraty implantu przez zwierzęta. W przypadku TD Drive zaobserwowano pojedyncze awarie spowodowane pogorszeniem stabilności implantu po 2 miesiącach (3 z 16 zwierząt). Dlatego TD Drive jest zalecany do eksperymentów, których planowany maksymalny czas trwania wynosi 8 tygodni. Pokazujemy, że w tym okresie czasu sygnał jest stabilny - nawet dokładne zapisy warstwy piramidalnej hipokampa - i nie ma systematycznego dryfu ani znaczącego chybotania wpływającego na zapisy LFP. Jednym z czynników wpływających na osiągnięcie tej długoterminowej stabilności jest zastosowanie wielu czaszkowych (patrz rysunek 3A). W niektórych sytuacjach ilość zużytych kotwiących czaszkę może zwiększać ryzyko infekcji22. Jest to jednak prawdopodobnie najbardziej istotne u szczurów z mocowaną głową, u których powtarzające się naprężenia związane z mocowaniem głowy na płycie głowicy i podłączonych kotwiących mogą powodować degradację implantu, co ułatwia infekcje. Kolejnym czynnikiem, który zwiększa ryzyko awarii implantu (i może wywoływać dyskomfort u zachowujących się zwierząt) jest waga implantu. Kompletny implant napędowy TD ze kotwiącymi i cementem dentystycznym waży około 7 g, przy czym części drukowane w 3D i EIB stanowią około połowy wagi. Ze względu na niską wagę napędu TD (mniej niż 1/3 innych dużych hipernapędów tetrodowych), jest mało prawdopodobne, aby nadmierna waga implantu była istotnym czynnikiem powodującym awarie napędu TD. Ogólnie rzecz biorąc, głównym czynnikiem stabilnych, wolnych od infekcji implantów jest sterylna procedura chirurgiczna i dobre przyleganie cementu dentystycznego, który pokrywa implant do implantu, kotwiących i czaszki23. Oceniliśmy TD Drive tylko pod kątem rejestrowania lokalnych potencjałów pola i nie próbowaliśmy uzyskać aktywności pojedynczej jednostki. Chociaż oczekujemy, że implant będzie ogólnie wystarczająco stabilny, aby to zrobić, przestrzeganie tych samych jednostek w trakcie i między sesjami może wymagać optymalizacji stabilności wózka, na przykład poprzez optymalizację szyny prowadzącej wahadłowca ("b" na rysunku 2E). Dodanie ruchomych wahadłowców do innych miejsc nagrywania pozwoliłoby na dodatkowe wykorzystanie ruchomych elektrod drucianych, które są preferowanym sposobem zapewnienia lepszej długoterminowej jakości sygnału w nagraniach jednostkowych.
Przy całkowitym czasie montażu wynoszącym około 3 godzin i czasie operacji wynoszącym około 2-3 godzin, TD Drive oferuje kompromis między hipernapędami tetrodowymi a prostszymi, mniej regulowanymi implantami wieloprzewodowymi24. Za pomocą wybranych celów uzyskano nagrania z 10 obszarów mózgu z 6 pęczkami. W porównaniu z innymi implantami do nieruchomych wiązek przewodów, symetryczne rozmieszczenie miejsc rejestracji ma jeszcze jedną zaletę: jeśli lateralizacja nie jest istotna, jednoczesne wszczepienie drutów w obu półkulach podwaja szansę na trafienie we właściwy cel i wydajność danych na zwierzę. W badaniu pilotażowym 4 z 8 zwierząt miały prawidłowo wycelowane obustronnie wszystkie 5 miejsc docelowych (PFC, w tym kora przedlimbiczna (PRL) i przednia kora zakrętu obręczy (ACC), RSC, PPC i piramidalna warstwa Ca1 HPC), ale 7 z 8 miało zarejestrowane co najmniej każdy obszar mózgu po jednej stronie. Dlatego ten napęd jest zalecany dla tych, którzy chcą szybkiego i łatwego w budowie rozwiązania do rejestrowania LFP, które może być stosowane przez mniej doświadczonych badaczy, zwłaszcza gdy potrzebna jest wyższa liczba zwierząt, na przykład w badaniach snu. Przy wielu wysokiej klasy hipernapędach tetrodowych, które pozwoliłyby na rejestrację indywidualnej aktywności neuronalnej, nawet bardzo wykwalifikowani i doświadczeni badacze mogą zbudować i wszczepić tylko 2-6 implantów rocznie, z których wiele nie dotrze z powodzeniem do żadnego obszaru zainteresowania mózgu. Potrzeba wielu lat treningu, aby osiągnąć wyższe wskaźniki sukcesu, a nawet wtedy liczba zwierząt, które można skutecznie rejestrować, pozostaje niska.
Podsumowując, TD Drive to łatwy i szybki w budowie napęd drutowy z 6 wiązkami, które można łatwo dostosować do różnych miejsc nagrywania i innych implantów, takich jak kaniule i włókna.

Wielobaszkowy charakter oddziaływań mózgowych podczas czuwania i snu utrudnia wyczerpujące badanie trwających procesów fizjologicznych. Choć podejścia takie jak funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) i funkcjonalne ultrasonograficzne obrazowanie (fUS) umożliwiają próbkowanie aktywności całego mózgu1,2, wykorzystują one sprzężenie naczyniowo-neuronalne do wnioskowania o aktywności mózgu na podstawie aktywności hemodynamicznej, co ogranicza ich rozdzielczość czasową2. Ponadto fMRI wymaga umieszczenia badanego obiektu w skanerze MRI, co wyklucza eksperymenty z dowolnie poruszającymi się zwierzętami. Optyczne obrazowanie dynamiki wapnia za pomocą obrazowania jedno- lub wielofotonowego umożliwia specyficzne dla typu komórek rejestrowanie setek neuronów jednocześnie3. Jednak mikroskopy montowane na głowie, takie jak Miniscope3, które pozwalają na swobodne poruszanie się, są zazwyczaj ograniczone do obrazowania powierzchownych obszarów kory w nienaruszonych mózgach4. Chociaż średnica ich pola widzenia na korze może wynosić około 1 mm, wymagania przestrzenne tych mikroskopów mogą utrudniać celowanie w kilka, zwłaszcza sąsiadujących, obszarów. Dlatego w celu dokładnego uchwycenia wielobaszkowej dynamiki mózgu podczas czuwania i snu, elektrofizjologia zewnątrzkomórkowa, rejestrowana za pomocą elektrod implantowanych w interesujących obszarach mózgu, jest jedną z preferowanych metod ze względu na wysoką rozdzielczość czasową i precyzję przestrzenną5. Dodatkowo pozwala ona na charakterystykę dynamiki snu u zwierząt w sposób kompatybilny z analizami uzyskanymi z ludzkiego EEG, co zwiększa wartość translacyjną tej metody6.
W badaniach rejestrujących aktywność mózgu za pomocą elektrod zewnątrzkomórkowych klasycznie stosowano pojedyncze elektrody drutowe lub wiązki elektrod, takie jak tetrody7. Nowoczesne sondy, takie jak sonda Neuropixels8, umożliwiają jednoczesne celowanie w kilka obszarów, pod warunkiem, że są one wyrównane wzdłuż osi pozwalającej na implantację sondy bezyzywania zwierzęcia. Niemniej jednak dokładne, jednoczesne rejestrowanie sygnałów z wielu, oddalonych przestrzennie obszarów wciąż stanowi wyzwanie, a istniejące metody są albo kosztowne, albo czasochłonne.
W ostatnich latach metody wytwarzania addytywnego, takie jak stereolitografia, stały się powszechnie dostępne. Pozwoliło to badaczom na opracowanie nowoczesnych implantów elektrod, które można dostosować do ich wymagań eksperymentalnych9, na przykład w celu uproszczonego i powtarzalnego celowania w wiele obszarów mózgu. Często projekty tych implantów są udostępniane społeczności akademickiej jako sprzęt open-source, co pozwala innym badaczom na ich adaptację do własnych celów. Stopień modyfikowalności konkretnych implantów różni się zarówno w zależności od sposobu zaprojektowania implantu, jak i sposobu jego udostępnienia. Modelowanie parametryczne10 jest popularnym podejściem w projektowaniu wspomaganym komputerowo, w którym poszczególne elementy projektu są powiązane za pomocą współzależnych parametrów i zdefiniowanej historii projektu. Wdrożenie podejścia parametrycznego w projektowaniu implantów zwiększa ich możliwości ponownego wykorzystania i adaptacji10, ponieważ zmiana poszczególnych parametrów automatycznie aktualizuje kompletne projekty bez konieczności przeprowadzania złożonego ponownego modelowania. Niezbędnym warunkiem jest, aby sam projekt był udostępniany w edytowalnym formacie, który zachowuje relacje parametryczne i historię projektu. Formaty plików reprezentujące jedynie prymitywy geometryczne, takie jak STL lub STEP, uniemożliwiają późniejsze modyfikacje parametryczne opublikowanych modeli.
Chociaż napędy tetrodowe (hyperdrives)11,12,13 umożliwiają rejestrację z dziesiątek tetrod, ich montaż i implantacja są czasochłonne, a ich jakość w dużej mierze zależy od umiejętności i doświadczenia poszczególnych badaczy. Ponadto zazwyczaj łączą one rurki prowadzące, które kierują elektrody rejestrujące do docelowej lokalizacji, w jeden lub dwa większe wiązki, co ogranicza liczbę i rozproszenie obszarów, które można efektywnie celować.
Inne implanty14,15 odsłaniają całą czaszkę i umożliwiają swobodne umieszczanie wielu pojedynczych mikrosuwaków (microdrives), które prowadzą elektrody rejestrujące. Choć rozmieszczenie niezależnych mikrosuwaków16 podczas operacji zapewnia maksymalną elastyczność, wydłuża to czas zabiegu i może utrudniać celowanie w wiele sąsiadujących obszarów ze względu na zapotrzebowanie na miejsce dla poszczególnych mikrosuwaków. Ponadto, mimo że implanty te są open source, są one publikowane wyłącznie jako pliki STL, co utrudnia wprowadzanie modyfikacji.
Przykładem urządzenia o bardziej wrodzonej filozofii parametrycznej jest RatHat17. Dzięki zastosowaniu szablonu chirurgicznego pokrywającego całą grzbietową powierzchnię czaszki, pozwala on na precyzyjne celowanie w wiele obszarów mózgu bez konieczności użycia ramy stereotaktycznej podczas operacji. Dostępnych jest wiele wariantów implantów dla kaniul, optrod lub tetrod. Jednakże, mimo że urządzenie jest bezpłatne do celów akademickich, nie zostało ono opublikowane jako open-source, co stanowi przeszkodę dla badaczy chcących ocenić i wykorzystać ten implant.
W niniejszym artykule przedstawiono TD Drive (patrz Rysunek 1), nowatorski implant do druku 3D przeznaczony do pozakomórkowych rejestracji elektrodowych u szczurów. Celem TD Drive jest wyeliminowanie niektórych wad istniejących rozwiązań: pozwala on na jednoczesne celowanie w wiele obszarów mózgu, symetrycznie w obu półkulach, przy użyciu niezależnych elektrod drutowych. Dzięki prostej konstrukcji może on zostać zmontowany w ciągu kilku godzin przy stosunkowo niskim koszcie przez mniej doświadczonych badaczy. TD Drive jest publikowany jako projekt open-source w łatwo modyfikowalnych formatach plików, co pozwala badaczom na dostosowanie go do ich konkretnych potrzeb. Zastosowanie parametrycznego podejścia do modelowania 3D od początku procesu projektowania TD Drive umożliwia abstrakcję parametrów wymagających zmiany: aby zmienić lokalizacje docelowe, badacze mogą po prostu edytować parametry reprezentujące współrzędne grzbietowo-brzuszne oraz przednio-tylne, bez konieczności samodzielnego przeprojektowywania implantu. Pliki umożliwiające modyfikację i wykonanie TD Drive znajdują się pod adresem <a href="https://github.com/3Dneuro/TD_Drive">https://github.com/3Dneuro/TD_Drive</a>.
<img alt="Schemat konstrukcji implantu neuronowego z integracją obwodu i mocowaniem do czaszki." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66457/66457fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Przegląd TD Drive. (A) Render TD Drive z nasadką ochronną. (B) Render z widocznymi częściami wewnętrznymi. TD Drive posiada (a) wiele parametrycznie regulowanych miejsc rejestracji dla stałych i ruchomych przewodów elektrod, EIB z (b) gęstym konektorem Omnetics kompatybilnym z powszechnymi przewodowymi i bezprzewodowymi systemami akwizycji danych, (c) intuicyjne mapowanie kanałów zoptymalizowane pod kątem rejestracji w systemach Intan/Open Ephys (patrz Rycina uzupełniająca 1) oraz (d) nasadkę chroniącą implant podczas rejestracji przewodowych oraz w przypadku braku podłączonego wzmacniacza głowowego. (C) Szablon prowadzący na spodzie TD Drive ułatwia umieszczanie kaniul prowadzących i służy jako redundantna weryfikacja lokalizacji implantów podczas operacji. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66457/66457fig01large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Projekt implantu został przetestowany pilotażowo na n = 4, zwalidowany na n = 8 i potwierdzony na n = 8 szczurach rasy Lister Hooded, które wykonywały różne zadania. Pierwsze 4 zwierzęta posłużyły do opracowania napędu i dostrojenia parametrów. Następnie przeprowadzono pełny pilotaż z udziałem 8 zwierząt (przedstawiony w wynikach). Druga kohorta 8 zwierząt została poddana analizie przeżywalności implantu. Implant był kompatybilny z rejestracją snu w systemie przewodowym oraz rejestracjami w otwartym polu (eksploracja obiektów), a także z bezprzewodową rejestracją w dużym labiryncie (HexMaze 9 m x 5 m) przy użyciu dwóch różnych komercyjnych systemów rejestracji i wzmacniaczy głowicowych. Dwie kohorty po 8 zwierząt były rejestrowane za pomocą dwóch różnych systemów akwizycji – przewodowego dla dłuższych rejestracji snu oraz bezprzewodowego dla rejestracji eksploracji dużego labiryntu. Można wywnioskować, że ten prosty napęd drutowy pozwala mniej doświadczonym badaczom na prowadzenie długotrwałych eksperymentów na większych kohortach zwierząt, co umożliwia analizę faz snu oraz analizę oscylacji w wielu obszarach mózgu. Stoi to w kontraście do większości implantów elektrofizjologicznych dostępnych do dziś, które ze względu na trudność i pracochłonność ograniczają wielkość kohort zwierząt i zazwyczaj wymagają bardzo doświadczonych eksperymentatorów. Jednakże, przy zastosowaniu tego napędu, nie można rejestrować aktywności pojedynczych neuronów; tym samym zastosowanie metody ogranicza się do badań lokalnego potencjału polowego (LFP) i aktywności sumarycznej.

<table><tbody><tr><td>Wiertło 0,5 mm&nbsp;</td><td>McMaster</td><td>2951A38</td><td></td></tr><tr><td>Gniazdo SIP/DIP o rastrze 1,27 mm (Mill-Max)</td><td>Mouser Electronic</td><td>575-003101</td><td>Do montażu i podłączenia EEG i GND</td></tr><tr><td>5 minutowe epoksydowe&nbsp;</td><td>Bison</td><td>Dostępny w handlu</td><td>regularny, gotowy do użycia klej epoksydowy</td></tr><tr><td>cyjanoakrylowy</td><td>Loctite</td><td></td><td>Super Glue-3&nbsp;</td></tr><tr><td>Drut EEG</td><td>Science Products GmbH</td><td>7SS-2T</td><td></td></tr><tr><td>Drut elektrodowy</td><td>Science Products GmbH</td><td>NC7620F</td><td></td></tr><tr><td>Etanol</td><td>LC</td><td></td><td>Do standardowej procedury sterylizacji przedoperacyjnej napędu</td></tr><tr><td>Kleszcze drobnoziarniste (5)</td><td>FST</td><td>91150-20</td><td>Do przygotowania i obsługi wiązki przewodów</td></tr><tr><td>Forma 3B</td><td>Formlabs</td><td></td><td>Drukarka 3D służąca do drukowania 3D samodzielnie wydrukowanych części napędu TD</td></tr><tr><td>Złote szpilki (małe)</td><td>Neuralynx, Inc.</td><td>9885</td><td>Mocowanie przewodów elektrycznych do płyty EIB</td></tr><tr><td>Przewód uziemiający</td><td>Science Products GmbH</td><td>SS-3T/A Złącze</td><td></td></tr><tr><td>o dużej gęstości&nbsp;</td><td>LabMaker GmbH/Omnetics</td><td>A79026-001</td><td></td></tr><tr><td>Lister Szczury Hodded</td><td>Charles River Laboratories</td><td>Crl:LIS</td><td>użyliśmy samców szczurów w wieku 9-12 tygodni w momencie przyjazdu</td></tr><tr><td>Mosiężna wkładka M1</td><td>AliExpress</td><td>Dostępny w handlu</td><td></td></tr><tr><td>https://aliexpress.com/item/33047616164.html kran M1 Śruba</td><td>McMaster</td><td>2504A33</td><td></td></tr><tr><td>M1x16</td><td>Bossard</td><td>1096613</td><td></td></tr><tr><td>ze stali nierdzewnej M1x3&nbsp;</td><td>i nie tylko</td><td>84213_14985</td><td></td></tr><tr><td>Wkręty poliamidowe M2,5x5</td><td>i inne</td><td>7985PA25S_50</td><td></td></tr><tr><td>olej mineralny</td><td>McMaster</td><td>1244K14</td><td></td></tr><tr><td>Lakier do paznokci</td><td>Etos</td><td>Dostępny w handlu</td><td>Do kodowania kolorami przewodów EEG i GND</td></tr> taśma <tr><td>malarska</td><td>Gamma</td><td>Dostępna w handlu</td><td>Do przygotowania wiązki przewodów</td></tr><tr><td>Pin Imadło</td><td>McMaster</td><td>8455A16</td><td></td></tr><tr><td>papier do plotowania</td><td>Canson</td><td>Dostępne w handlu</td><td>Do przygotowania wiązek drutu</td></tr><tr><td>rurki poliimidowe</td><td>Amazon / Małe części</td><td>TWPT-0159-30-50</td><td>AWG, 0.0159" ID, 0.0219" OD, 0.0030" Ściana, 30" Długość</td></tr><tr><td>RHD 32-kanałowa scena czołowa z akcelerometrem</td><td>Intan Technologies, LLC</td><td>C3324</td><td>Do nagrań na uwięzi w sleepbox</td></tr><tr><td>RHD 3-ft (0,9 m) standardowe SPI</td><td>Intan Technologies, LLC</td><td>C3203</td><td>Od komutatora do stacji czołowej</td></tr><tr><td>RHD 6-ft (1,8 m) standardowe SPI</td><td>Intan Technologies, LLC</td><td>C3206</td><td>Od skrzynki OpenEphys do komutatora</td></tr><tr><td>Pierścień ślizgowy z kołnierzem</td><td>Adafruit</td><td>1196</td><td>Komutator: średnica 22 mm, 12 żył</td></tr><tr><td>Topnik lutowniczy&nbsp;</td><td>Griffon S-39 50 ml</td><td>Dostępny w handlu</td><td>Do EEG i GND</td></tr><tr><td>pasta lutownicza</td><td>Amazon</td><td>B08CBZ5HC5</td><td></td></tr><tr><td>nakrętka M2 ze stali nierdzewnej&nbsp;</td><td>McMaster</td><td>93935A305</td><td></td></tr><tr><td>Konfiguracja nagrywania na uwięzi&nbsp;</td><td>OpenEphys</td><td>Acquisition Board</td><td></td></tr><tr><td>Bezprzewodowy rejestrator nagrań</td><td>SpikeGadgets</td><td>miniLogger 32</td><td>Do bezprzewodowych nagrań w zadaniu</td></tr><tr><td>Konfiguracja nagrywania bezprzewodowego</td><td>SpikeGadgets</td><td>Main Control Unit (MCU) z płytką rozdzielającą i nadajnikiem-odbiornikiem RF</td><td>Do bezprzewodowych nagrań w zadaniu</td></tr></tbody></table>

td drive: parametryczny implant o otwartym kodzie źródłowym do wieloobszarowych zapisów elektrofizjologicznych u zachowujących się i śpiących szczurów

The TD Drive: A Parametric, Open-Source Implant for Multi&#45;Area Electrophysiological Recordings in Behaving and Sleeping Rats

Skomplikowane interakcje między wieloma obszarami mózgu leżą u podstaw większości funkcji przypisywanych mózgowi. Proces uczenia się, a także tworzenie i konsolidacja wspomnień to dwa przykłady, które w dużym stopniu opierają się na funkcjonalnej łączności w mózgu. Ponadto badanie podobieństw i/lub różnic na półkulach idzie w parze z tymi wieloobszarowymi interakcjami. Badania elektrofizjologiczne mające na celu dokładniejsze wyjaśnienie tych złożonych procesów polegają zatem na rejestrowaniu aktywności mózgu w wielu miejscach jednocześnie, często w sposób dwustronny. Prezentowany jest implant do druku 3D dla szczurów, nazwany TD Drive, zdolny do symetrycznych, obustronnych zapisów elektrod drucianych, obecnie w maksymalnie dziesięciu rozproszonych obszarach mózgu jednocześnie. Projekt typu open source został stworzony przy użyciu zasad projektowania parametrycznego, co pozwala potencjalnym użytkownikom łatwo dostosować projekt napędu do swoich potrzeb, po prostu dostosowując parametry wysokiego poziomu, takie jak współrzędne przednie-tylne i przyśrodkowe lokalizacji elektrod rejestrujących. Projekt implantu został zweryfikowany na n = 20 szczurach z kapturem Listera, które wykonywały różne zadania. Implant był kompatybilny z nagraniami snu na uwięzi i nagraniami w otwartym terenie (Object Exploration), a także z nagrywaniem bezprzewodowym w dużym labiryncie przy użyciu dwóch różnych komercyjnych systemów nagrywania i scen czołowych. W związku z tym przedstawiono adaptowalny projekt i montaż nowego implantu elektrofizjologicznego, ułatwiający szybkie przygotowanie i wszczepienie.

Kierując się instrukcjami zawartymi w protokole, urządzenie TD Drive mogło zostać z łatwością zbudowane przez wielu badaczy. Po opracowaniu napędu (n = 4) przeprowadzono pełne badanie pilotażowe z udziałem ośmiu zwierząt. Zaimplantowano kolejną grupę ośmiu zwierząt i przeprowadzono zbieranie danych eksperymentalnych. Ponieważ analiza danych dla tych zwierząt nie została zakończona, zostały one uwzględnione w analizie przeżywalności, ale nie w innych analizach (np. celowaniu lub histologii). Operację implantacji przeprowadzono 2 tygodnie po przybyciu zwierząt (patrz Rysunek 3A w celu sprawdzenia lokalizacji celu wykorzystanych w badaniu pilotażowym). Implantacja została wykonana zgodnie ze standardowymi procedurami chirurgicznymi i trwała ok. 3 h. Pierwsze implantacje wykonał doświadczony chirurg, który po 2-3 operacjach był w stanie przeszkolić zarówno doświadczonych, jak i początkujących badaczy do poziomu samodzielności.
<img alt="Ustawienie eksperymentu EEG u szczura; schemat implantacji, stany snu zwierzęcia podłączonego do aparatury, dane REM/NREM, sygnały z obszarów mózgu." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66457/66457fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3: Operacja implantacji, dane dotyczące snu i aktywność szerokopasmowa. (A) Schematyczny przegląd przedstawiający docelowe miejsca kraniotomii (niebieskie kółka) i śrub czaszkowych (zielone: EEG, niebieskie: GND, szare: śruby kotwiczące; zauważmy, że dwie śruby kotwiczące znajdują się z boku czaszki). (B) Fotografia implantowanych zwierząt z podłączoną głowicą pomiarową podczas snu i czuwania. (C) Przykładowe dane dotyczące snu z PFC (przedlimbiczej) i HPC (Ca1) zwierzęcia podłączonego do aparatury, podzielone na sen REM z falami theta oraz sen NonREM z falami delta, wrzecionami i riplami. Oś Y: mikrowolty, oś X: sekundy. Dane te mogą służyć na przykład do oceny faz snu lub detekcji i analizy zdarzeń oscylacyjnych. (D) Przykład aktywności szerokopasmowej rejestrowanej bezprzewodowo u czuwającego zwierzęcia (zakłócone kanały po lewej stronie nie były podłączone). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66457/66457fig03large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Analiza przeżywalności, wykresy detekcji fal delta, obrazy barwienia Nissla; wyniki badania implantów; mikroskopia." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66457/66457fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Trwałość implantu, detekcje fal delta i histologia. (A) Wykres przeżywalności dla implantu z dwóch serii dłuższych eksperymentów. Warto zauważyć, że w 85. dniu n = 8 zwierząt zakończyło eksperyment i zaplanowano ich perfuzję. (B) Przykład danych dotyczących stabilności. Przedstawiono liczbę detekcji fal delta w kanale hipokampa w dniach rejestracji (~3 dni w tygodniu). U każdego zwierzęcia wystąpiła normalna zmienność zależna od ilości snu, jednak nie odnotowano ogólnego dryfu sygnału, a tym samym detekcji, w czasie. (C) Reprezentatywna histologia pokazująca obustronne celowanie u jednego szczura. Lewa kolumna: lewa półkula, prawa kolumna: prawa półkula. Współrzędne AP wskazują współrzędne przednio-tylne przedstawionego przekroju, a strzałki wskazują uszkodzenia w obszarach docelowych. Powiększenie: 1,6x. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66457/66457fig04large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Wszystkie zwierzęta dobrze przeszły rekonwalescencję i tolerowały implant (Rysunek 3B). Elektrody czołowe i retrosplenialne były stabilne, natomiast wiązki hipokampalne pozostawały ruchome. Wiązki hipokampalne wszczepiano na głębokość grzbietowo-brzuszną 2 mm i korygowano ich położenie w celu maksymalizacji pokrycia obszaru HPC podczas 2-tygodniowego okresu rekonwalescencji pooperacyjnej, podczas którego sygnał sprawdzano na żywo w okresach habituacji do snu. U 7 z 8 zwierząt wszystkie miejsca docelowe zostały osiągnięte w co najmniej jednej półkuli (Tabela 2 dla wskaźników trafienia, patrz Rysunek 4C dla reprezentatywnej histologii). Pomyślnie przeprowadzono rejestracje podczas czuwania i snu w pudełku rejestracyjnym z wykorzystaniem kabla, a także rejestracje bezprzewodowe w większym labiryncie (przykładowe dane Rysunek 3C,D). Zwierzęta zachowały implanty przez 2 miesiące, po których u pojedynczych osobników zaczęły one być tracone; jednak większość zwierząt zachowała implanty do dnia zakończenia eksperymentu, tj. 85-100 dni po wszczepieniu (Rysunek 4A). W tym czasie sygnał LFP pozostawał stabilny, co widać w przykładowej analizie, w której wykryto oscylacje delta (Rysunek 4B). Odnotowano normalną zmienność w czasie, ale nie stwierdzono systematycznego dryftu sygnału w żadnym z rejestrowanych obszarów mózgu (w tym w warstwie piramidowej CA1). Zaleca się zakończenie eksperymentów w ciągu 10-15 tygodni po operacji. Wszystkie EIB zostały odzyskane.
Zastosowaliśmy ten implant głównie do pomiaru faz snu i oscylacji podczas snu w odpowiedzi na proces uczenia się oraz inne interwencje. Na przykład, aby zbadać, jak doustne przyjmowanie CBD wpływa na występowanie oscylacji i ich koherencję w różnych obszarach mózgu (patrz Samanta et al.20).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody >
		<tr >
			<td >Parametr</td>
			<td >Wartość minimalna (mm)</td>
			<td >Wartość maksymalna (mm)</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >medioLateralSite1</td>
			<td >0.75</td>
			<td >2</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >medioLateralSite2</td>
			<td >1.5</td>
			<td >5</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >medioLateralSite3</td>
			<td >0.75</td>
			<td >2</td>
		</tr >
	</tbody >
</table>
Tabela 1: Przegląd ręcznie nałożonych ograniczeń na parametry kontrolujące współrzędne mediolateralne miejsc rejestracji.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody >
		<tr >
			<td >Półkula</td >
			<td >PFC</td >
			<td >RSC</td >
			<td >CA1 pyr.</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >Prawa</td >
			<td >8 z 8</td >
			<td >5 z 8</td >
			<td >6 z 8</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >Lewa</td >
			<td >8 z 8</td >
			<td >7 z 8</td >
			<td >7 z 8</td >
		</tr >
	</tbody >
</table>
Tabela 2: Odsetek trafień w badaniu pilotażowym na 8 zwierzętach. U 4 z 8 zwierząt wszystkie elektrody zostały umieszczone prawidłowo. Jednak u 7 z 8 zwierząt wszystkie obszary mózgu zostały prawidłowo trafione w co najmniej jednej półkuli (z wyjątkiem jednej szczura, u którego nie osiągnięto warstwy piramidalnej CA1).
Rysunek uzupełniający 1: Architektura TD Drive. (Góra) Przegląd mapowania kanałów dla TD Drive przy użyciu przedwzmacniacza Intan RHD32. (Dół) Dodniowa ilustracja konfiguracji wiązek przewodów.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66457/Supplementary%20Figure%20S1.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Rycina uzupełniająca 2: Dodatkowe zdjęcia napędu TD na kilku etapach procesu budowy. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66457/Supplementary%20Figure%20S2.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 1: Przykładowy protokół implantacji urządzenia TD Drive. Procedury i lokalizacje docelowe zostały dostosowane do pytań badawczych autorów oraz polityki instytucjonalnej.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66457/Supplementary%20-%20TD%20drive%20implantation.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>

Tutaj prezentujemy unikalny, drukowalny w 3D implant dla szczurów, nazwany TD Drive, zdolny do symetrycznych, obustronnych zapisów elektrod drucianych, obecnie w maksymalnie dziesięciu rozproszonych obszarach mózgu jednocześnie.

TD Drive: parametryczny implant o otwartym kodzie źródłowym do wieloobszarowych zapisów elektrofizjologicznych u zachowujących się i śpiących szczurów

Intricate interactions between multiple brain areas underlie most functions attributed to the brain. The process of learning, as well as the formation and ...

Naszym celem badawczym jest lepsze zrozumienie mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw przetwarzania pamięci, a zwłaszcza zbadanie interakcji między określonymi regionami mózgu w czasie rzeczywistym podczas różnych punktów uczenia się, a także podczas snu. W związku z tym opracowaliśmy nowatorski implant napędowy, który umożliwia nam jednoczesne obserwowanie aktywności neuronalnej w wielu obszarach mózgu u swobodnie poruszających się szczurów w okresach zadań i odpoczynku. Aby rejestrować aktywność mózgu zachowujących się zwierząt, naukowcy często używają samodzielnie wykonanych złożonych implantów z dziesiątkami indywidualnie ruchomych drutów elektrodowych.Jednak skuteczne używanie i wszczepianie tych urządzeń może wymagać lat szkolenia. Nasz dysk jest łatwy do zbudowania i nie wymaga doświadczonych rąk, dzięki czemu tego rodzaju badania są bardziej dostępne. Napęd TD został zaprojektowany w oparciu o trzy pomysły, kontrastując go z innymi złożonymi konstrukcjami.Powinien on umożliwiać obustronne rejestrowanie wielu obszarów mózgu, być stosunkowo łatwy i szybki do zbudowania, a naukowcy powinni być w stanie samodzielnie dostosować projekt bez konieczności posiadania zaawansowanej wiedzy na temat projektowania 3D. Naszym celem jest zrozumienie, w jaki sposób różne regiony mózgu oddziałują na siebie, gdy gryzonie wykonują proste i złożone zadania behawioralne. W jaki sposób uczenie się i różne leki wpływają na te interakcje między regionami mózgu podczas snu i jak te interakcje podczas snu są związane z wydajnością pamięci?Aby rozpocząć, utwórz modele 3D. Kliknij przycisk Prześlij, aby otworzyć projekt korpusu napędu w oprogramowaniu Autodesk Fusion. Na karcie Modyfikuj kliknij Zmień parametry.Dostosuj współrzędne pierwszego miejsca nagrywania, wprowadzając współrzędną przednio-tylną w polu przednio-tylneWitryna1 i współrzędną przyśrodkowo-boczną w polu Witryna przednio-boczna1 i naciśnij przycisk OK. Na wydrukowanym modelu 3D użyj kranu M1, aby nagwintować otwory prowadzące na wahadłowe, które są przedłużeniem otworów w zlewie. Następnie wsuń czółenko wydrukowane w 3D na M1 na 16 i użyj mosiężnej wkładki M1, aby utrzymać wydrukowane w 3D czółenko na miejscu. Za pomocą niewielkiej ilości pasty lutowniczej mosiężną wkładkę do.Po schłodzeniu zespołu czółenka delikatnie obróć wydrukowane w 3D czółenko kilka razy wokół. Następnie, aby zmontować napęd, przytnij dostępne w handlu rurki poliimidowe o długości około 25 milimetrów. Włóż poliimidowe rurki prowadzące do korpusu napędu i zakończ wkładanie za pomocą pęsety.Za pomocą cienkiej igły lub wykałaczki nałóż niewielką ilość płynnego kleju cyjanoakrylowego na otwory w górnej części korpusu napędu, aby zamocować rurki prowadzące na miejscu. Nałóż również klej cyjanoakrylowy na interfejs między rurkami prowadzącymi a szablonem prowadzącym w dolnej części korpusu napędu. Wytnij poliimidowe rurki prowadzące na spodzie tak, aby wystawały około 1 milimetr poza środkowe cokoły korpusu napędu.Włóż dwa zespoły wahadłowe do korpusu napędu. Przykręć płytkę interfejsu elektrody do korpusu napędu za pomocą poliamidowych M2.5 x 5. Następnie włóż nakrętkę M2 ze stali nierdzewnej do profilu na lewej połowie nasadki i przymocuj ją klejem cyjanoakrylowym.Stuknij w otwór z przodu prawej połowy nasadki za pomocą kranu M1. Następnie przygotuj dwie metalowe płytki jako powierzchnię do tworzenia wiązek drutów elektrodowych. Przymocuj papier do plotowania do pierwszej płyty i zawiąż dwie lepkie taśmy malarskie na drugiej płycie lepką powierzchnią skierowaną do góry.Narysuj wyraźną linię o kącie 60 stopni na papierze kreślarskim. Dla każdej wiązki elektrod należy pociąć drut elektrody na wymaganą liczbę kawałków o określonej długości. Delikatnie podnieś cztery druty, dotykając ich opuszkiem palca i umieść je jak najbliżej siebie obok siebie na taśmie malarskiej.Pod mikroskopem użyj palców lub kleszczy, aby umieścić druty jak najbliżej siebie. Nałóż cienką warstwę płynnego kleju cyjanoakrylowego na pierwsze dwa centymetry górnej części wiązki. Po całkowitym wyschnięciu zestawu wyjmij wiązkę drutu z taśmy i przenieś ją na płytę z papierem do kreślenia.W przypadku wiązek kory zaśledziłowej wykonaj proste cięcie na dole tablicy. W przypadku wiązek elektrod hipokampa umieść matrycę na papierze kreślarskim tak, aby przecinała linię 60 stopni. Następnie użyj żyłki jako prowadnicy, aby wykonać cięcie pod kątem 60 stopni w kierunku drutów.Następnie za pomocą żyletki lub ostrza skalpela ostrożnie rozetnij najkrótszy z czterech drutów przecinających prostopadle do kierunku drutu. W przypadku wiązek kory przedczołowej podziel dolną część macierzy na dwie wiązki dwuprzewodowe. Skróć jedną z dwóch wiązek drutu o 1 milimetr, przecinając ją prostopadle do kierunku drutu.Następnie wytnij dwa kawałki o długości 6 centymetrów na przewód uziemiający. Wytnij również osiem kawałków o długości 6 centymetrów na drut elektroencefalogramowy. Następnie umieść ze stali nierdzewnej M1 x 3 w trzeciej ręce.Owiń odizolowaną stronę przewodu uziemiającego lub elektroencefalograficznego wokół trzpienia. Nałóż niewielką ilość topnika lutowniczego i drut do. Umieść szpilkę do zanurzania łyka w trzeciej ręce, tak aby dostępna była żeńska strona.Włóż odizolowaną część po przeciwnej stronie drutu do kołka zanurzeniowego sip i drut do kołka. Następnie umieść kolejny kołek do zanurzania łyka w uchwycie tak, aby dostępna była strona męska. odizolowaną stronę drugiego przewodu do męskiej strony pinu.Użyj multimetru, aby sprawdzić, czy istnieje ciągłe połączenie między śrubą a odizolowanym końcem przewodu zespołu kołków przewodów, gdy oba zespoły są połączone. Aby załadować wiązki przewodów do napędu, przymocuj napęd do uchwytu. Gdy korpus napędu jest stabilny, ostrożnie wsuń jedną z wiązek przewodów do odpowiedniej rurki poliimidowej.Użyj cienkich kleszczy, aby chwycić jeden z drutów i ostrożnie zegnij go w kierunku żądanego otworu i włóż. Po włożeniu użyj złotej szpilki, aby przypiąć ją do otworu elektrokortykografii. Następnie, gdy stałe układy drutów są wyrównane, nałóż niewielką ilość mocnego kleju epoksydowego na górną część rur prowadzących, aby zamocować wiązki na miejscu.Aby zamocować ruchome układy drutów hipokampa, najpierw przesuń wahadłowiec do najwyższej wymaganej pozycji. Następnie wepchnij wiązki drutu do otworu czółenka w kształcie litery U i przyklej je niewielką ilością mocnego kleju epoksydowego. Ostrożnie włóż otwarty koniec zespołu kołka przewodu uziemiającego przez jeden z otworów przelotowych oznaczonych jako uziemiony i zamocuj go za pomocą złotego kołka.Wyjmij dysk z uchwytu. Uważaj, aby nie zgiąć żadnego z zespołów przewodów. Aby odzyskać płytkę interfejsu elektrody po eksperymentach, delikatnie wepchnij miękką pęsetę między płytkę a korpus napędu lub ostrożnie podnieś EIB ręcznie, aby uwolnić pozostałe wiązanie cyjanoakrylowe.Napęd TD wszczepiono ośmiu szczurom w ramach serii pilotażowej, a operacje wszczepienia implantów przeprowadzono dwa tygodnie po przybyciu. Po operacji zwierzęta wykazały zdolność adaptacji do implantów ze stałymi elektrodami w okolicy czołowej i zaśledziony oraz regulowanymi wiązkami hipokampa w celu zwiększenia zasięgu sygnału. Nagrania snu wykonywano na szczurach na uwięzi w pudełku do nagrywania.Podczas gdy dane o wybudzeniu były rejestrowane jako nagrania bezprzewodowe w większym labiryncie. U siedmiu z ośmiu zwierząt wszystkie miejsca docelowe zostały osiągnięte na co najmniej jednej półkuli. Podczas gdy niektóre zwierzęta zaczęły tracić implanty po dwóch miesiącach, większość zatrzymywała je nawet przez 100 dni.W tym czasie potencjał pola lokalnego pozostawał stabilny, co obserwowano za pomocą oscylacji delta w kanale hipokampa.

the-td-drive-parametric-open-source-implant-for-multi-area

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Wideo demonstruje jednoczesny zapis elektrofizjologiczny z wielu obszarów mózgu u szczura przy użyciu zintegrowanego układu mikronapędów. Elektrody rejestrujące są umieszczone w opuszce węchowej, elektrody referencyjne w korze czołowej, a elektrody układu mikronapędów w hipokampie. Szczur może swobodnie żerować, a jednoczesny zapis ze wszystkich wszczepionych elektrod jest rejestrowany za pomocą matrycy.

Metoda Micro-drive Array do zapisu elektrofizjologicznego z wielu obszarów mózgu

Opisano projektowanie i montaż mikronapędów do elektrofizjologicznych zapisów in vivo sygnałów mózgowych od myszy. Dzięki przymocowaniu wiązek mikroelektrod do wytrzymałych nośników napędzanych, techniki te pozwalają na długotrwałe i stabilne zapisy neuronowe. Lekka konstrukcja pozwala na nieograniczoną wydajność behawioralną zwierzęcia po wszczepieniu napędu.

Budowa macierzy mikronapędów do przewlekłych nagrań neuronowych u myszy zachowujących się w stanie czuwania

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.

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

Ten szczegółowy protokół opisuje umieszczanie elektrod stymulacji przezczaszkowej na kości skroniowej w celu zbadania krótko- i długoterminowych efektów przezczaszkowej stymulacji elektrycznej u swobodnie poruszających się szczurów.

Przewlekła przezczaszkowa stymulacja elektryczna i zapis wewnątrzkorowy u szczurów

To badanie wprowadza metodę jednoczesnego rejestrowania lokalnych potencjałów pola w mózgu, elektrokardiogramów, elektromiogramów i sygnałów oddechowych swobodnie poruszającego się szczura. Technika ta, która obniża koszty eksperymentów i upraszcza analizę danych, przyczyni się do zrozumienia interakcji między mózgiem a narządami obwodowymi.

Jednoczesne zapisy lokalnych potencjałów pola korowego, elektrokardiogram, elektromiogram i rytm oddychania swobodnie poruszającego się szczura

Prezentujemy konstrukcję hipernapędu do druku 3D z osiemnastoma niezależnie regulowanymi tetrodami. Hipernapęd ma za zadanie rejestrować aktywność mózgu swobodnie zachowujących się szczurów przez okres kilku tygodni.

Budowa ulepszonego hipernapędu wielotetrodowego do wielkoskalowej rejestracji neuronalnej u zachowujących się szczurów

Tutaj opisujemy projekt mikronapędu, procedurę implantacji chirurgicznej i strategię rekonwalescencji po operacji, które pozwalają na przewlekłe zapisy pola i pojedyncze jednostki z wielu regionów mózgu jednocześnie u młodocianych i dorastających myszy w krytycznym oknie rozwojowym od 20 dnia po urodzeniu (p20) do 60 dnia po urodzeniu (p60) i później.

Lekki implant napędowy do przewlekłych zapisów tetrody u młodych myszy

Tutaj przedstawiamy lekki, opłacalny system implantacji sond dla przewlekłej elektrofizjologii u gryzoni, zoptymalizowany pod kątem łatwości użycia, odzyskiwania sondy, wszechstronności eksperymentalnej oraz zgodności z zachowaniem.

Implant DREAM: lekki, modułowy i opłacalny system implantów do przewlekłej elektrofizjologii u myszy zamocowanych na głowie i swobodnie zachowujących się

Protokół ten przedstawia skrzynkę behawioralną opartą na mikrokontrolerze do oceny hamowania przedimpulsowego (PPI) poprzez zbieranie danych o przyspieszeniu z czujnika znajdującego się pod skrzynką. Dane te oceniają deficyty bramkowania sensorycznego u społecznie izolowanych szczurów, z dodatkową metodą synchronizacji danych z aktywnością neuronalną w celu przyspieszenia badań neurofizjologicznych nad zaburzeniami zachowania.

Opracowanie pudełka behawioralnego do oceny hamowania prepulsu i aktywności neuronalnej w psychiatrycznych modelach zwierzęcych

System Gigantycznych Włókien jest prostym obwodem neuronalnym u dorosłych Drosophila melanogaster, zawierającym największe neurony w organizmie muchy. Opisujemy protokół monitorowania przekaźnictwa synaptycznego w tej ścieżce poprzez rejestrację potencjałów postsynaptycznych w mięśniach grzbietowych podłużnych (DLM) i tergotrochanteralnych (TTM) po bezpośredniej stymulacji interneuronów Gigantycznych Włókien.

Rejestracje elektrofizjologiczne z drogi włókna olbrzymiego D. melanogaster

Poznaj metodę elektrofizjologicznych zapisów wieloobszarowych u swobodnie poruszających się szczurów za pomocą implantu TD Drive. To otwarte rozwiązanie ułatwia badanie interakcji między obszarami mózgu podczas snu i zachowań.

TD Drive: parametryczny implant o otwartym kodzie źródłowym do wieloobszarowych zapisów elektrofizjologicznych u zachowujących się i śpiących szczurów (Wideo) | JoVE Journal

TD Drive: parametryczny implant o otwartym kodzie źródłowym do wieloobszarowych zapisów elektrofizjologicznych u zachowujących się i śpiących szczurów

Przeglądaj więcej filmów