Беспроводной, двунаправленный интерфейс для записи в естественных условиях и стимуляции нейронной активности в свободно себя крысы

Общей целью данного исследования была разработка телеметрического двунаправленного устройства для выполнения многоканальной нейронной записи и стимуляции у свободно ведущих себя крыс. Это новое устройство может помочь ответить на ключевые вопросы в области поведенческой нейробиологии, такие как причинно-следственные связи между паттернами активации мозга и поведением. Для того, чтобы проверить телеметрическую систему, мы выбираем нижний холм в качестве целевой нейроструктуры, потому что явная поведенческая реакция может быть вызвана его электрической стимуляцией.

Широко известно, что электрическая стимуляция нижнего холмика вызывает у крыс условные поведенческие реакции, похожие на страх, такие как настороженность, замирание и поведение бегства. Мы предположили, что возможность вызвать такое ясное и недвусмысленное поведение станет настоящим вызовом для нашей телеметрической системы. Интегрированная телеметрическая система состоит из головного столика, аккумулятора, приемника и микроэлектродного блока, который будет имплантирован во время стереотаксической хирургии.

Здесь показана полностью интегрированная беспроводная система, разработанная нами, которая состоит из регистрирующего одного электрода, тетрода, электрода стимуляции, платы для подключения волокна электрода, гибких соединительных кабелей, провода заземления, соединительной платы, штекерного или гнездового разъема для TWS, блока микроэлектродов TWS, подключенного к предусилителю, и держателя для крепления к стереотаксической раме. Чтобы начать эту процедуру, зафиксируйте и выровняйте по горизонтали голову животного в стереотаксическом аппарате с помощью ушных планок и верхней планки резцов. Далее побрейте операционное поле с помощью хирургических машинок для стрижки или ножниц и простерилизуйте кожу головы повидон-йодом.

Подложите под животное грелку, чтобы предотвратить переохлаждение, и обработайте его глаза декспантенолом, чтобы предотвратить их высыхание. Затем введите ксилокаин в центр операционного поля. После этого сделайте небольшой надрез скальпелем, чтобы обнажить череп.

Аккуратно отделите кожу и удалите остатки ткани. Далее тщательно очистите череп с помощью ватных палочек, покрытых перекисью водорода. Затем просверлите в черепе четыре маленьких отверстия для фиксации винтов из нержавеющей стали.

После этого просверлите отверстие примерно на семь миллиметров в черепе над целевой областью для фиксации электродного блока. Подключите блок микроэлектродов и держатель электродов к предусилителю, который прикреплен к стереотаксическому микроманипулятору. Впитайте любую кровь ватными палочками.

Затем вертикально вводите микроэлектродный блок до тех пор, пока наконечники не достигнут целевой области. Расположите кабель заземления вдоль винтов из нержавеющей стали и под кожухом. После этого тщательно отрегулируйте электрод с помощью микроманипулятора до тех пор, пока он не достигнет зоны активных нейронов в целевой структуре.

В то же время отслеживайте активность спайков и обнаруживайте нейронную активность с соотношением сигнал/шум, подходящим для сортировки спайков. Далее закрепите микроэлектродный блок на черепе с помощью ультрафиолетового клея. Покройте винты и кабель заземления акриловой смолой.

После этого отсоедините микроэлектродный блок от электрододержателя. Покройте контактную пластину и небольшие кабели акриловой смолой. Осторожно снимите штыль со стереотаксической рамки и отсоедините предусилитель от микроэлектродного блока.

Затем подсоединяют колпачковую защиту на имплантированном микроэлектродном блоке и отсоединяют его только во время экспериментальных процедур. Следите за благополучием животных и заполняйте лист результатов ежедневно до конца экспериментов. Держите крыс по отдельности в домашней клетке не менее одного дня после операции, чтобы они могли восстановиться, а затем размещайте крыс парами.

Одинарные клетки должны быть накрыты высокими акриловыми крышками. Избегайте обычных крышек из металлической сетки, так как имплантаты со временем могут застрять и повредиться или стать нестабильными. Откройте программу TWS и подключите приемопередатчик к USB-порту компьютера.

Приемопередатчик может быть размещен в пределах пяти метров над животным. Поскольку между приемопередатчиком и ступенью для головы животного не создается металлический барьер, TWS применима для широкого набора поведенческих задач. Подключите аккумулятор к верхней части головного столика.

Убедитесь, что в головном модуле загорается зеленый свет, когда к нему подключен аккумулятор. Затем подключите головной столик непосредственно к имплантированному микроэлектроду. В качестве образцовых поведенческих тестов мы используем открытое поле для измерения общей поведенческой активности и лабиринт «повышенный плюс», стандартный тест для оценки тревожного поведения у крыс.

Для проведения анализа в открытом грунте поместите крысу в центр открытого поля. Дайте крысе изучить аппарат не менее пяти минут. Нажмите кнопку подключения, чтобы подключить главный компьютер к телеметрической системе.

Статус должен измениться с офлайн на онлайн. Выберите меню настройки параметров стимула. Выберите параметры генератора стимуляции в соответствии с вашим экспериментом по стимуляции.

Например, амплитуда импульса один, амплитуда импульса два, частота импульса и частота последовательности. Если все параметры стимуляции установлены на нужные значения, переместите мышь в положение Stimulus Start и нажмите кнопку Stimulus Start. Наведите указатель мыши на кнопку Начать отображение графика.

Переместите указатель мыши в меню «Представление графиков», чтобы выбрать графики для отображения сигнала стимуляции. Для анализа лабиринта с возвышенностью плюс, используемый в этих экспериментах, сделан из серого акрила и состоит из двух открытых рукавов и двух закрытых рукавов, которые простираются от центральной платформы, возвышающейся на 50 сантиметров над полом. Поместите ставку в центр и лабиринт лицом к открытой руке.

Позвольте ему свободно исследовать аппарат в течение пяти минут. Нажмите кнопку подключения, чтобы подключить главный компьютер к телеметрической системе. Статус должен измениться с офлайн на онлайн.

Мощность связи и оставшаяся емкость батареи отображаются зеленой полосой в левом верхнем углу. Нажмите на меню конфигурации, чтобы увидеть параметры графика. Выберите меню пути к файлу, чтобы ввести имя файла и путь, где должны храниться записанные данные.

Нажмите кнопку «Сохранить», чтобы сохранить имя файла и путь к нему. Нажмите кнопку запуска дисплея, чтобы начать отображение обнаруженных сигналов четырех каналов записи. Обратите внимание на то, что записанные сигналы еще не сохраняются.

Выберите коэффициент усиления встроенного усилителя головной сцены TWS. Запустите аудиомонитор, нажав на зеленую стрелку, и выберите порог сигнала с помощью ползунка, чтобы уменьшить фоновый шум и акустически отобразить записанные всплески. Нажмите красную кнопку записи в меню записи.

При нажатии кнопки записи записанный сигнал сохраняется на жестком диске. Записанный сигнал непрерывно отображается с правой стороны. Здесь показаны характеристики записи TWS с одним биполярным записывающим электродом, имплантированным в нижний холм

После этого отсоедините головной столик от имплантированного микроэлектродного блока и подсоедините защитный колпачок. После этого верните крысу в ее домашнюю клетку. Внеклеточную мультиъюнитовую активность последовательно регистрировали в нижнем бугорке с того же имплантированного электрода с использованием TWS и обычной привязной записывающей системы.

На этом рисунке показаны репрезентативные исходные данные, записанные с помощью обеих систем, когда животное свободно передвигалось по открытому полю. Здесь прямое сравнение сигналов позволяет предположить схожие формы спайковых волн и уровни шума. Здесь мы представили нашу беспроводную систему регистрации и стимуляции для электрофизиологических и поведенческих исследований у свободно движущихся животных.

Наш подход имеет ряд преимуществ перед существующими. Во-первых, в этой системе используется одна переносная головная сцена. Он держится на нем с помощью предусилителя и аккумуляторной батареи.

Головной стол легкий и компактный, весит 12 грамм вместе с батареей. Во-вторых, она хорошо переносилась животными и для этого может быть использована в качестве замены привязанной системы, так как не ограничивает подвижность животного. В-третьих, благодаря одновременной двунаправленной записи и стимуляции нейронной активности, эта система предоставляет сложный инструмент для оценки причинно-следственных связей между конкретными паттернами активации мозга и поведением.

Наконец, мы разработали хронически имплантируемую микроэлектродную единицу, которая может быть легко имплантирована во время обычной стереотаксической хирургии. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как имплантировать микроэлектродную единицу и выполнять электрическую стимуляцию и запись внеклеточных нейронов. Телеметрическая система является полезным инструментом для исследования механизмов стимуляции мозга.

Телеметрическая система является важным инструментом, который может быть объединен с широким набором поведенческих тестов для исследования того, как электрическая активность в определенных нейронных цепях порождает определенные формы поведения.