Uma rede sem fio, Interface bidirecional para gravação na Vivo e estimulação da atividade Neural em livremente, comportando-se ratos

O objetivo geral deste estudo foi desenvolver um dispositivo telemétrico e bidirecional para realizar gravações neurais multicanal e estimulação em ratos de comportamento livre. Este novo dispositivo pode ajudar a responder a questões-chave no campo da neurociência comportamental, como as relações causais entre os padrões de ativação cerebral e o comportamento. Para validar o sistema telemétrico, escolhemos o colículo inferior como neuroestrutura alvo, porque uma resposta comportamental evidente pode ser provocada por sua estimulação elétrica.

É amplamente conhecido que a estimulação elétrica do colículo inferior provoca respostas comportamentais condicionadas semelhantes ao medo em ratos, como estado de alerta, congelamento e comportamento de fuga. Presumimos que ser capaz de obter um comportamento tão claro e inequívoco seria um verdadeiro desafio para nosso sistema telemétrico. O sistema telemétrico integrado consiste em um estágio de cabeça, bateria, receptor e uma unidade de microeletrodo a ser implantada durante a cirurgia estereotáxica.

Aqui é mostrado um sistema sem fio completamente integrado desenvolvido por nós, que consiste na gravação de eletrodo único, tetrodo, eletrodo de estimulação, placa de conexão de fibra de eletrodo, cabos de conexão flexíveis, fio terra, placa conectora, conector macho ou fêmea para TWS, unidade de microeletrodo TWS conectada ao pré-amplificador e o suporte para fixação a uma estrutura estereotáxica. Para iniciar este procedimento, fixe e alinhe horizontalmente a cabeça do animal no aparelho estereotáxico usando barras auriculares e barra incisiva superior. Em seguida, raspe o campo cirúrgico, usando tesouras cirúrgicas ou tesouras e esterilize o couro cabeludo com iodopovidona.

Coloque uma almofada de aquecimento sob o animal para evitar hipotermia e trate seu olho com dexpantenol para evitar que seque. Em seguida, injete xilocaína no centro do local da cirurgia. Depois, faça uma pequena incisão com o bisturi para expor o crânio.

Separe a pele suavemente e remova o tecido residual. Em seguida, limpe cuidadosamente o crânio usando cotonetes revestidos com peróxido de hidrogênio. Posteriormente, perfure quatro pequenos no crânio para fixação de parafusos de aço inoxidável.

Em seguida, faça um furo de aproximadamente sete milímetros no crânio acima da área alvo para fixação da unidade de eletrodo. Conecte a unidade de microeletrodo e o suporte do eletrodo ao pré-amplificador que está conectado ao micromanipulador estereotáxico. Absorva qualquer sangue com cotonetes.

Em seguida, introduza verticalmente a unidade de microeletrodo até que as pontas atinjam a área alvo. Posicione o cabo de aterramento ao longo dos parafusos de aço inoxidável e sob a pele. Depois disso, ajuste cuidadosamente o eletrodo com o micromanipulador até atingir uma zona de neurônios ativos na estrutura alvo.

Enquanto isso, monitore a atividade do pico e detecte a atividade neural com a relação sinal-ruído adequada para a classificação do pico. Em seguida, fixe a unidade de microeletrodo no crânio com cola ultravioleta. Cubra os parafusos e o cabo de aterramento com resina acrílica.

Depois disso, desconecte a unidade de microeletrodo do suporte do eletrodo. Cubra a placa de contato e os pequenos cabos com resina acrílica. Remova cuidadosamente o brad da estrutura estereotáxica e desconecte o pré-amplificador da unidade de microeletrodo.

Em seguida, conecte a proteção da tampa na unidade de microeletrodo implantada e desconecte-a apenas durante os procedimentos experimentais. Monitore o bem-estar animal e preencha uma planilha todos os dias até o final dos experimentos. Mantenha os ratos individualmente na gaiola doméstica por pelo menos um dia após a cirurgia para permitir a recuperação e, em seguida, alojar os ratos em pares.

As gaiolas individuais devem ser cobertas com tampas de acrílico altas. Evite tampas convencionais feitas de grade de metal, pois os implantes podem ficar presos e ficar danificados ou instáveis com o tempo. Abra o software TWS e conecte o transceptor à porta USB do computador.

O transceptor pode ser colocado a menos de cinco metros acima do animal. Uma vez que nenhuma barreira de metal é introduzida entre o transceptor e o estágio da cabeça do animal, o TWS é aplicável a um amplo conjunto de tarefas comportamentais. Conecte a bateria na parte superior do cabeçote.

Certifique-se de que uma luz verde acenda no head stage enquanto a bateria estiver conectada a ele. Em seguida, conecte o estágio da cabeça diretamente ao microeletrodo implantado. Como testes comportamentais exemplares, usamos o campo aberto para a medição da atividade comportamental geral e o labirinto em cruz elevado, um teste padrão para avaliar o comportamento semelhante à ansiedade em ratos.

Para o ensaio de campo aberto, coloque o rato no centro do campo aberto. Deixe o rato explorar o aparelho por pelo menos cinco minutos. Pressione o botão de conexão para conectar o computador host ao sistema telemétrico.

O status deve mudar de offline para online. Selecione o menu de configuração do parâmetro de estímulo. Selecione os parâmetros do gerador de estimulação de acordo com seu experimento de estimulação.

Por exemplo, amplitude de pulso um, amplitude de pulso dois, frequência de pulso e frequência de trem. Se todos os parâmetros de estimulação estiverem definidos para os valores necessários, mova o mouse para Stimulus Start e pressione o botão Stimulus Start. Mova o ponteiro do mouse para o botão Exibição inicial do gráfico.

Mova o ponteiro do mouse para o menu Graph View para selecionar os gráficos para exibir o sinal de estimulação. Para o ensaio do labirinto em cruz elevado, o labirinto em cruz usado nesses experimentos é feito de acrílico cinza e consiste em dois braços abertos e dois braços fechados que se estendem de uma plataforma central elevada 50 centímetros acima do chão. Coloque a taxa no centro mais o labirinto voltado para um braço aberto.

Deixe-o explorar livremente o aparelho por cinco minutos. Pressione o botão de conexão para conectar o computador host ao sistema telemétrico. O status deve mudar de offline para online.

A força de comunicação e a capacidade restante da bateria são exibidas pela barra verde no canto superior esquerdo. Pressione o menu de configuração para ver as opções do gráfico. Selecione o menu de caminho do arquivo para inserir o nome do arquivo e o caminho onde os dados gravados devem ser armazenados.

Pressione salvar para salvar o nome e o caminho do arquivo. Pressione iniciar o display para iniciar a exibição dos sinais detectados dos quatro canais de gravação. Preste atenção ao fato de que os sinais gravados ainda não estão armazenados.

Selecione o ganho do amplificador de estágio de cabeça TWS integrado. Inicie o monitor de áudio pressionando a seta verde e selecione um limite de sinal com o controle deslizante para reduzir o ruído de fundo e exibir acusticamente os picos gravados. Pressione o botão vermelho de gravação no menu de gravação.

Ao pressionar o botão de gravação, o sinal gravado é armazenado no disco rígido. O sinal gravado é exibido continuamente no lado direito. Aqui é mostrado o desempenho de gravação do TWS com um único eletrodo de registro bipolar implantado no colículo inferior.

Em seguida, desconecte o estágio principal da unidade de microeletrodo implantada e conecte a proteção da tampa. Em seguida, devolva o rato à sua gaiola de origem. A atividade extracelular de várias unidades foi registrada sucessivamente no colículo inferior a partir do mesmo eletrodo implantado usando TWS e um sistema de registro cativo convencional.

Esta figura mostra dados brutos representativos registrados usando ambos os sistemas enquanto o animal se movia livremente em campo aberto. Aqui, a comparação direta dos sinais sugere formas de onda de pico e níveis de ruído semelhantes. Aqui apresentamos nosso sistema de gravação e estimulação sem fio para estudos eletrofisiológicos e comportamentais em animais em movimento livre.

Nossa abordagem tem várias vantagens sobre as existentes. Em primeiro lugar, este sistema usa um único estágio de cabeça portátil. Mantenha-o com um pré-amplificador e uma bateria recarregável.

O estágio principal é leve e compacto, pesando 12 gramas incluindo bateria. Em segundo lugar, foi bem tolerado pelos animais e por isso pode ser usado para substituir o sistema cativo, uma vez que não restringe a mobilidade do animal. Em terceiro lugar, por meio de registro bidirecional simultâneo e estimulação da atividade neural, esse sistema fornece uma ferramenta sofisticada para avaliar as relações causais entre padrões específicos de ativação cerebral e comportamento.

Finalmente, desenvolvemos uma unidade de microeletrodo cronicamente implantável que pode ser facilmente implantada durante uma cirurgia estereotáxica convencional. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como implantar a unidade de microeletrodo e realizar estimulação elétrica e gravações neurais extracelulares. O sistema telemétrico é uma ferramenta útil para investigar os mecanismos de estimulação cerebral.

O sistema telemétrico é uma ferramenta importante que pode ser combinada com um amplo conjunto de testes de comportamento para investigar como a atividade elétrica em circuitos neurais definidos gera certas formas de comportamento, uma busca fundamental para a neurociência.