Este relatório descreve a construção e o uso de uma almofada de aquecimento portátil de baixo custo, fácil de montar e para uso em pequenos mamíferos anestesiados.
Artigo de investigação
Este relatório descreve a construção e o uso de uma almofada de aquecimento portátil de baixo custo, fácil de montar e para uso em pequenos mamíferos anestesiados.
A anestesia diminui a temperatura corporal central e isso compromete seriamente o estado fisiológico de um animal experimental. É importante ressaltar que a hipotermia altera muitos aspectos da função neural. Ao registrar a atividade do sistema nervoso em animais anestesiados, a temperatura central do animal deve ser estabilizada. Embora as almofadas de aquecimento comerciais para pequenos animais estejam prontamente disponíveis, elas geralmente são caras, um pouco volumosas e requerem cabos de alimentação e uma fonte de 120/240V. Consequentemente, o transporte de um animal anestesiado de um local (por exemplo, sala cirúrgica) para outro (por exemplo, equipamento de imagem) envolve a movimentação de cabos de alimentação. Além disso, os dispositivos comerciais nem sempre são compatíveis com armações estereotáxicas personalizadas, estágios de microscópio ou caixas de retenção. Este relatório descreve uma almofada de aquecimento de baixo custo, alimentada por bateria e com temperatura controlada para camundongos e ratos e documenta sua validade e utilidade. O dispositivo monitora a temperatura central de um animal continuamente e ajusta automaticamente a almofada de aquecimento para manter a normotermia. Pode ser construído em menos de 30 minutos, os componentes estão prontamente disponíveis e o custo é inferior a US $ 100. O dispositivo é portátil, tornando-o conveniente para pesquisadores que realizam procedimentos como preparações cirúrgicas em um local e transportam o animal anestesiado para outro local para gravações experimentais. O dispositivo pode manter um camundongo anestesiado normotérmico ±0,7° por mais de 6 h sem calor suplementar (por exemplo, lâmpada de calor), apesar do diferencial de >15° entre a temperatura ambiente ambiente e a temperatura corporal central. Este relatório demonstra como a almofada de aquecimento pode ser usada para imagens in vivo da atividade neuronal por um período prolongado em camundongos.
Os métodos atuais para investigar a atividade neural in vivo no cérebro de camundongos e ratos utilizam técnicas sofisticadas de imagem funcional e / ou matrizes de multieletrodos 1,2,3,4. Em muitos desses estudos, o animal experimental está profundamente sedado ou em um plano cirúrgico de anestesia. No entanto, é bem reconhecido que a anestesia incapacita a termorregulação em animais; A temperatura central de um animal anestesiado cai rapidamente. Por exemplo, em ratos e camundongos, a injeção intraperitoneal de um anestésico comumente usado, a cetamina, leva rapidamente à hipotermia 5,6,7. De fato, a hipotermia complica a anestesia geral em humanos e roedores 8,9,10,11. Consequentemente, um dispositivo para manter a temperatura corporal central de um animal é necessário para uma ampla gama de experimentos em animais anestesiados 12,13,14,15,16,17,18.
A hipotermia é um problema particular na neurociência. A baixa temperatura afeta o cérebro e a função neuronal de várias maneiras. A hipotermia leve durante a anestesia fortalece a barreira hematoencefálica contra insultos experimentais, como perfusão com soluções hiperosmolares19; A hipotermia mais grave rompe a barreira hematoencefálica20. A hipotermia reduz a velocidade de condução nervosa nos nervos central21 e periférico22 e altera muitos aspectos da transmissão sináptica23,24 (cf. em animais de sangue frio25). Claramente, manter a temperatura corporal central de um animal experimental é fundamental ao estudar a atividade neuronal, enfatizando a importância de alguma forma de dispositivo de aquecimento, especialmente para animais anestesiados.
Existem várias almofadas de aquecimento disponíveis comercialmente para pequenos animais, muitas das quais incluem controladores com feedback da sonda de temperatura para manter o animal a uma temperatura central constante 26,27,28,29,30,31,32. Esses dispositivos comerciais são confiáveis e estáveis, mas muitas vezes volumosos e caros. Outras unidades de aquecimento homeotérmico mais especializadas para roedores foram descritas, mas têm aplicabilidade limitada para uso geral 33,34,35,36,37. Além disso, os dispositivos de aquecimento homeotérmicos comumente disponíveis têm fontes de alimentação que devem ser conectadas a uma tomada de 120 V ou 240 V. Esses fatores podem ser limitantes. A necessidade de uma alimentação de 120/240 V pode ser especialmente irritante se um animal for preparado cirurgicamente para experimentação em um local diferente de onde a gravação real ocorre. O transporte da preparação, mesmo a uma curta distância, requer a movimentação de um controlador/fonte de alimentação e cabo de alimentação. Além disso, fontes de alimentação/controladores para almofadas de aquecimento podem introduzir ruído nos registros eletrofisiológicos.
Em estudos usando imagens funcionais in vivo da atividade dos neurônios sensoriais em camundongos, esses agravamentos foram superados com o projeto de uma almofada de aquecimento homeotérmica extremamente barata, fácil de construir e extremamente portátil. Esta almofada de aquecimento é alimentada por uma pequena bateria de polímero de lítio (LiPo), como as usadas para alimentar drones. Este dispositivo requer habilidades mínimas para ser construído. Todas as peças são itens prontos para uso, prontamente disponíveis por pedido online. As únicas ferramentas necessárias são uma pequena chave de fenda, um ferro de solda e um cortador / descascador de fio. O custo total está bem abaixo de US $ 100 e toda a construção leva menos de 30 minutos. O tamanho pequeno e o arranjo flexível de seus componentes tornam a almofada de aquecimento homeotérmica prontamente adaptável a uma estrutura estereotáxica personalizada, plataformas de gravação, gaiolas de observação ou, como neste relatório, ao estágio de um microscópio confocal vertical.
Embora esta almofada de aquecimento homeotérmico tenha sido amplamente utilizada para imagens de cálcio in vivo da atividade neuronal em gânglios sensoriais cranianos expostos cirurgicamente38,39, quaisquer estudos usando pequenos roedores sedados ou anestesiados se beneficiariam deste dispositivo. A experiência mostrou que, quando alimentada por baterias LiPo totalmente carregadas, a almofada de aquecimento mantém a temperatura corporal central de um camundongo anestesiado estável por mais de 6 h.
Todos os itens necessários para a construção da almofada de aquecimento estão disponíveis comercialmente. O uso de camundongos e todos os procedimentos em animais descritos para validar este protocolo foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Universidade de Miami (IACUC), IPROTO202200000139. Os animais utilizados para testar e validar este dispositivo foram camundongos C57BL/6, 18-30 g de ambos os sexos. Camundongos especificamente para imagens de cálcio eram camundongos transgênicos que expressam GCaMP6s em neurônios sensoriais. Os reagentes e os equipamentos utilizados estão listados na Tabela de Materiais.
1. Ferramentas para montagem
As ferramentas necessárias consistiam em uma pequena chave de fenda (por exemplo, cabeça de 2 mm), um ferro de solda e um alicate/descascador.
2. Montagem da almofada de aquecimento
Os itens necessários para a construção foram dispostos (Figura 1). Estes incluíam (A) uma almofada de aquecimento de silicone de 12V 15W 50 mm x 100 mm (50 mm x 100 mm era um tamanho conveniente para camundongos, enquanto almofadas de aquecimento de borracha de silicone maiores são mais apropriadas para ratos); (B) termistor de esferas; (C) Conector macho do soquete do cabo do plugue de equilíbrio de 2 pinos JST-XH; (D) Conector de plugue JST macho de 2 pinos com cabos 20 AWG; (e) Bateria LiPo de 7,4 V 1200 mAh; (F) circuito do controlador de temperatura; e (G) um fio de conexão 20 AWG de comprimento curto.

Figura 1: Layout das peças para a construção da almofada de aquecimento homeotérmica. Estes incluíam (A) uma almofada de aquecimento de silicone de 12V 15W 50 mm x 100 mm (50 mm x 100 mm era um tamanho conveniente para camundongos, enquanto almofadas de aquecimento de borracha de silicone maiores são mais apropriadas para ratos); (B) termistor de esferas; (C) Conector macho do soquete de cabo do plugue de equilíbrio de 2 pinos JST-XH; (D) Conector de plugue JST macho de 2 pinos com cabos 20 AWG; (e) Bateria LiPo de 7,4 V 1200 mAh; (F) circuito do controlador de temperatura; e (G) um fio de conexão 20 AWG de comprimento curto. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os dois fios da almofada de aquecimento de silicone foram inseridos nos terminais #2 e #4 do circuito de controle de temperatura, e os parafusos dos terminais foram apertados conforme mostrado na Figura 2. Os cabos foram estanhados antes de serem fixados no terminal da placa de controle.

Figura 2: A almofada de aquecimento de silicone é conectada ao circuito de controle de temperatura. A sonda do termistor que acompanha o circuito de controle de temperatura é mostrada aqui. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os fios do plugue JST macho de 2 pinos foram então conectados ao circuito de controle de temperatura, conforme mostrado na Figura 3. O fio vermelho (positivo) foi conectado ao terminal #1 e o fio preto (negativo) ao terminal #2. Um jumper de fio de conexão curto de 20 Ga foi adicionado entre os terminais #1 e #3 (Figura 3). Um pequeno pedaço de fio de conexão foi recuperado dos cabos da almofada de aquecimento. Como acima, os cabos foram estanhados antes de serem fixados no terminal da placa de controle.

Figura 3: Os fios do plugue JST são conectados aos terminais 1 e 2 do circuito de controle de temperatura. O fio vermelho (positivo) deve ser conectado ao terminal 1 e o fio preto (negativo) ao terminal 2. Os terminais 1 e 3 são conectados com um fio de conexão curto. Para maior clareza, as conexões da almofada de aquecimento de silicone (Figura 2) não são mostradas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Configuração do termistor e da sonda
Os fios do plugue JST-XH foram soldados ao termistor de cordão. É importante ressaltar que os cabos do termistor e as juntas de solda foram cuidadosamente isolados com tubos retráteis para evitar curto-circuito no termistor. A sonda do termistor enviada com o controlador de temperatura foi desconectada, removida e substituída pela sonda do termistor do cordão, conforme mostrado na Figura 4. O termistor de esferas serviu como uma sonda térmica retal para monitorar a temperatura central do camundongo ou rato.

Figura 4: Preparando a sonda térmica retal. (A) O plugue JST-HX é soldado ao termistor de esferas. (B) A sonda do termistor que acompanha o controlador de temperatura é removida. (C) O cabo do termistor do cordão está conectado ao controlador. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
4. Integração e montagem final
A construção foi concluída ( Figura 5). O dispositivo estava pronto para uso e podia ser montado em uma plataforma apropriada para experimentação. A bateria LiPo foi conectada ao plugue JST para fornecer energia ao controlador. Um exemplo da unidade totalmente operacional é mostrado na Figura 5. Em alguns casos, o circuito do controlador de temperatura foi montado em espaçadores altos (por exemplo, parafusos de nylon # 6 de 1 ") fixados em seus quatro cantos. Desta forma, a bateria LiPo de 7,4 V se encaixa perfeitamente e convenientemente sob o circuito do controlador de temperatura.

Figura 5: Um dispositivo de almofada de aquecimento homeotérmico totalmente completo, operando em uma sala com temperatura ambiente de 22 ° C. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
5. Operação e uso do dispositivo
Para operar a almofada de aquecimento homeotérmico, uma pequena quantidade de vaselina foi colocada no termistor do grânulo, que foi então inserida suavemente no reto de um camundongo anestesiado ou sedado. Para este relato, camundongos de 18-30 g foram anestesiados com cetamina / xilazina (80 mg / kg de cetamina e 10 mg / kg de xilazina) com doses de reforço subsequentes de cetamina para manter um plano cirúrgico de anestesia. Os cabos do termistor foram colados na cauda do animal para evitar que a sonda se soltasse. O animal foi colocado de bruços sobre a almofada térmica de silicone. O dispositivo foi alimentado conectando a bateria LiPo de 7,4 V. O botão Set no controlador do termostato foi pressionado. "H" (aquecimento) apareceu ao lado da temperatura definida. O botão Set foi pressionado mais uma vez para ativar a configuração de temperatura. O botão Para cima ou Para baixo foi pressionado para alterar a temperatura definida para a especificação desejada. Por exemplo, uma temperatura definida de 37° foi usada. O botão Set foi pressionado por 3 s (ou nenhum botão foi pressionado por 6 s) e o dispositivo ficou totalmente operacional. As instruções para definir a temperatura também foram incluídas na folha de especificações que acompanha o circuito do controlador de temperatura.
Quando a temperatura central do animal era inferior à temperatura definida (por exemplo, 37°), o relé que alimentava a almofada de aquecimento de silicone fechava. A corrente foi entregue à almofada de aquecimento de silicone, a luz vermelha acendeu e a almofada de silicone começou a aquecer até que a sonda retal excedesse a temperatura definida em um valor definido ("histerese"; a configuração de fábrica era de 0,5 °). Quando a sonda retal excedeu a temperatura definida mais histerese (neste exemplo, 37,5 °), o relé abriu, a luz vermelha se apagou, a energia foi cortada da almofada de aquecimento de silicone e a almofada de aquecimento e o animal começaram a esfriar (assumindo uma temperatura ambiente < 37,5 °). Quando a sonda retal caiu para a temperatura definida menos histerese (por exemplo, 36,5 °), o relé fechou e a energia foi novamente fornecida à almofada de aquecimento de silicone para aquecer o animal. A histerese pode ser definida pressionando o botão Set três vezes e usando os botões Up ou Down . Instruções mais detalhadas para operar o controlador de temperatura foram fornecidas com o dispositivo, incluindo um controle de interface serial, se de interesse dos usuários.
6. Procedimentos de acompanhamento
No final dos experimentos descritos neste relatório, os camundongos foram sacrificados humanamente com overdose de cetamina, CO2 e luxação cervical. Especificamente, os animais foram injetados com 2x dose de cetamina, seguido de CO2 de um cilindro pressurizado administrado a 10 SCFH (pés cúbicos padrão por hora) e, finalmente, luxação cervical.
Dois métodos foram avaliados e validados a almofada de aquecimento homeotérmica.
Primeiro, em um teste analítico crítico do dispositivo, um pequeno camundongo macho (18,5 g) foi mantido sob anestesia profunda por 6 h na almofada de aquecimento em um ambiente relativamente frio. Especificamente, o camundongo foi injetado com uma mistura de cetamina / xilazina (80 mg / kg de cetamina e 10 mg / kg de xilazina) e mantido na almofada de aquecimento ao ar livre, sem tampa, em uma sala com ar condicionado (temperatura ambiente, 20,3 °). Injeções de reforço de cetamina foram administradas conforme necessário para manter o camundongo em um plano cirúrgico de anestesia. O camundongo manteve uma taxa de respiração normal durante todas as 6 h, variando de uma baixa estimada de 110 / min a uma alta de 215 / min, dependendo do tempo decorrido após a injeção de reforço de cetamina (consistente com o efeito conhecido da cetamina na respiração). A temperatura central do animal foi monitorada com a sonda do termistor de esferas do dispositivo e, independentemente, com uma sonda retal RET-4 comercial (Physitemp) inserida em paralelo com a sonda do termistor de esferas. Além disso, foi mantido um registro da temperatura da superfície da almofada de aquecimento de borracha de silicone diretamente sob o mouse anestesiado. O controlador foi ajustado para 35°. Os dados indicam que a temperatura central do camundongo variou menos de 1,3 ° ao longo das 6 h, apesar do diferencial de 15 ° entre a temperatura ambiente ambiente (20 °) versus a temperatura central definida (35 °) (Figura 6). É importante ressaltar que a temperatura central do mouse permaneceu em 35±0,6° sem nenhum dispositivo de aquecimento suplementar (lâmpada de calor, cobertor, etc.). A bateria LiPo foi trocada uma vez durante o período de 6 horas.

Figura 6: Validação da almofada de aquecimento homeotérmica. Um camundongo anestesiado foi mantido em uma plataforma em sala aberta (temperatura ambiente, 20 °C) sem qualquer outra fonte de calor por 6 h. O dispositivo foi configurado para manter a temperatura central do mouse em 35 °C. (A) A configuração experimental. (B) Temperaturas registradas pela sonda do termistor de esferas retais do dispositivo (representadas por pontos vermelhos); por uma sonda retal RET-4 (Physitemp) independente (representada por pontos roxos); e por uma sonda de temperatura separada colocada na almofada de aquecimento de silicone sob o mouse (representada por pontos de círculos pretos). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Em segundo lugar, a almofada de aquecimento alimentada por bateria é amplamente usada para varredura in vivo de imagens confocais de cálcio da atividade ganglionar sensorial em camundongos transgênicos que expressam GCaMP6s em neurônios sensoriais38,39. Os experimentos geralmente duram 6 horas ou mais, com o camundongo permanecendo em um plano cirúrgico de anestesia durante o período. A experiência mostrou que manter a temperatura central do camundongo em 31,5 ° C durante a preparação cirúrgica e a imagem é ideal. O preparo cirúrgico consiste na exposição unilateral dos gânglios trigeminais e/ou geniculados em camundongos profundamente anestesiados. Esta cirurgia é realizada em uma sala separada de onde ocorre a imagem, exigindo o transporte do camundongo anestesiado fixado em um dispositivo estereotáxico personalizado com a almofada de aquecimento presa a uma distância de cerca de 40 m. As temperaturas ambientes variam de 20 a 24 °C. A temperatura central do camundongo, medida pela sonda de temperatura retal do dispositivo (termistor de esferas), permaneceu consistentemente constante e o animal foi mantido em condições fisiológicas estáveis durante todo o 6+ h sem qualquer aquecimento auxiliar. A atividade neural permaneceu robusta (Figura 7), validando a confiabilidade da almofada de aquecimento alimentada por bateria para manter o animal normotérmico.

Figura 7: Almofada de aquecimento em uso durante a imagem in vivo da atividade neuronal. A almofada de aquecimento mantém a temperatura central de um camundongo anestesiado estável e suporta gravações robustas e confiáveis da atividade neuronal por várias horas. (A) Vista mostrando o mouse colocado na almofada de aquecimento, sua cabeça estabilizada com um suporte feito sob medida sob a objetiva de longa distância de 20x de um microscópio confocal. Como mostrado aqui, a temperatura do núcleo do camundongo é mantida em 31,5 ° C para imagens. Um laser de varredura (488 nm) ilumina o gânglio geniculado exposto cirurgicamente e imagens da atividade evocada pelo paladar em neurônios sensoriais gustativos que expressam o repórter sensível ao cálcio, GCaMP6s. A grande variedade branca (canto inferior direito) guia os estímulos gustativos para a cavidade oral. (B) Exemplos representativos de 5 neurônios ganglionares geniculados mostrando respostas evocadas pelo paladar (alteração na fluorescência de GCaMP6s, ΔF / F) após uma apresentação de 5 s de solução de sacarose 300 mM na cavidade oral. Essas respostas foram fotografadas no início do experimento. Os tiques na linha vermelha indicam a entrega de estímulos. (C) Exemplos de respostas de 5 neurônios ganglionares diferentes registrados 6 h depois. O camundongo foi mantido na almofada de aquecimento em um plano cirúrgico de anestesia durante todo o tempo. As amplitudes, durações e latências das respostas evocadas pelo paladar são notavelmente semelhantes às registradas várias horas antes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Esses testes validam o controlador homeotérmico e estabelecem firmemente a capacidade do dispositivo de almofada de aquecimento de manter um roedor anestesiado em uma temperatura central constante por longos períodos.
DISPONIBILIDADE DE DADOS:
Tabelas de dados completas para a Figura 6 e Figura 7 estão incluídas no Arquivo Suplementar 1.
Arquivo suplementar 1: Tabelas de dados para a Figura 6 e Figura 7. Clique aqui para baixar este arquivo.
Este relatório descreveu uma almofada de aquecimento homeotérmica pequena, portátil e alimentada por bateria para manter a normotermia em camundongos e ratos anestesiados. Este dispositivo manteve a temperatura corporal central de camundongos profundamente anestesiados estável por várias horas sem qualquer fonte de aquecimento suplementar, apesar de um grande diferencial entre a temperatura ambiente e a temperatura corporal central. A utilidade desta almofada de aquecimento para imagens confocais in vivo da atividade do gânglio craniano em camundongos foi ilustrada.
Todos os componentes do dispositivo estão disponíveis online. O custo total de todos os componentes é inferior a US$ 100. Ferramentas comumente disponíveis são usadas para construir a unidade. Nenhuma habilidade especializada, além de soldagem rudimentar, é necessária para construir o dispositivo. A almofada de aquecimento é alimentada por uma bateria LiPo de alta capacidade, comumente usada para drones. Finalmente, todo o dispositivo pode ser montado em menos de 30 minutos quando as peças são dispostas conforme descrito. Esta pequena almofada de aquecimento homeotérmico alimentada por bateria é especialmente útil para situações experimentais em que animais anestesiados são preparados em um local (como uma sala cirúrgica) e transportados para outro (como um equipamento de imagem) para procedimentos experimentais. Como o dispositivo é alimentado por bateria, não há cabos de alimentação para desconectar e nenhuma unidade termocontroladora separada para mover. Além disso, por ser alimentado por bateria, não gera ruído elétrico para gravações eletrofisiológicas, um problema incômodo com dispositivos comerciais alimentados por 120/240 V. Finalmente, a almofada de aquecimento pode ser facilmente adaptada a estruturas estereotáxicas personalizadas, caixas de retenção, gaiolas de animais ou outras situações.
A principal limitação da almofada de aquecimento térmico é que a carga da bateria LiPo pode não durar a duração de um experimento. Normalmente, uma bateria de 1200 mAh totalmente carregada alimenta a unidade por 4-6 h, dependendo do diferencial de temperatura entre o animal e a sala. Uma solução simples é ter uma bateria de backup pronta e/ou usar uma bateria LiPo de 2200 mAh de maior capacidade.
Apesar de sua facilidade de construção e conveniência, existem armadilhas em torno deste dispositivo. As baterias LiPo, como as usadas para alimentar a almofada de aquecimento, podem ser perigosas40,41. Embora sejam comumente usadas para alimentar drones e brinquedos, as baterias LiPo apresentam certos riscos. Notavelmente, sobrecarregar as baterias LiPo é um sério risco de incêndio42. Os usuários são avisados para não deixar a bateria LiPo carregando durante a noite ou mais. Outra preocupação é a possibilidade de curto-circuito acidental da bateria durante a construção, conectando inadvertidamente os terminais 1 e 2 com o fio de conexão curto (Figura 3). Além disso, é fundamental manter a polaridade correta nos fios do conector da bateria, de modo que o fio vermelho (positivo) seja conectado ao terminal 1 e o fio preto (negativo) seja conectado ao terminal 2 (Figura 3) do circuito de controle de temperatura. Inverter a polaridade pode destruir o circuito elétrico. Finalmente, os usuários são incentivados a estanhar os fios antes de inseri-los no circuito de controle de temperatura. Isso ajudará a evitar que os fios se soltem acidentalmente durante o uso.
Em resumo, a almofada de aquecimento homeotérmica alimentada por bateria descrita aqui beneficiará muito os estudos que usam camundongos ou ratos anestesiados.
Este trabalho foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde Grant números DC018733 e DC017303
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