En trådløs, tovejs system for multi-kanal neurale optagelser og stimulation i frit opfører rotter er indført. Systemet er let og kompakt, således at have minimal indflydelse på animal´s adfærdsmæssige repertoire. Desuden, denne tovejs system giver et sofistikeret værktøj til at vurdere årsagssammenhænge mellem hjernen aktivisering mønstre og adfærd.
In vivo Elektrofysiologi er en kraftfuld teknik til at undersøge forholdet mellem hjerneaktivitet og adfærd på et millisekund og mikrometer skala. Men nuværende metoder for det meste stole på tøjret kabel optagelser eller kun bruge envejs systemer, så enten optagelse eller stimulation af neurale aktivitet, men ikke på samme tid eller samme mål. Her, en ny trådløs tovejs enhed for samtidige multikanals optagelse og stimulering af neurale aktivitet i frit opfører rotter er beskrevet. Systemet fungerer ved hjælp af en enkelt bærbar hoved fase, der både sender registrerede aktivitet og kan være målrettet i realtid for brain stimulation ved hjælp af en telemetri-baserede multikanals software. Hoved scenen er udstyret med en forforstærker og et genopladeligt batteri, så stabil langsigtet optagelser eller stimulation for op til 1 h. vigtigere, hoved scenen er kompakt, vejer 12 g (inkl. batteri) og dermed har minimal indvirkning på animal´s adfærdsmæssige repertoire, hvilket gør metoden anvendes til en bred vifte af adfærdsmæssige opgaver. Metoden har endvidere den store fordel, at effekten af brain stimulation på neurale aktivitet og adfærd kan måles samtidigt, giver et værktøj til at vurdere årsagssammenhænge mellem specifikke hjernen aktivisering mønstre og adfærd. Denne funktion gør metoden særligt værdifulde for feltet af dyb brain stimulation, giver mulighed for præcis vurdering, overvågning og tilpasning af stimulation parametre under langsigtede adfærdsmæssige eksperimenter. Anvendeligheden af systemet er valideret ved hjælp af den ringere colliculus som en modelstruktur.
Et grundlæggende spørgsmål i neurovidenskab er hvordan elektriske aktivitet i definerede neurale kredsløb genererer visse former for adfærd. In vivo Elektrofysiologi er en kraftfuld teknik til at behandle dette spørgsmål, giver et værktøj til at optage eller stimulere elektriske aktivitet i hjernen, mens dyr klarer sig visse adfærdsmæssige opgaver. Men, nuværende systemer ofte stole på tøjret kabel optagelser1,2, sandsynligvis begrænse mobiliteten og forhindrer fuld udtryk for animal´s adfærdsmæssige repertoire. Desuden er overvejende envejs systemer brugt, tillade enten optagelse3,4,5 eller stimulation6,7 af neurale aktivitet, men ikke på samme tid eller samme mål, gør det vanskeligt at udrede årsagssammenhænge mellem specifikke hjernen aktivisering mønstre og adfærd. Kun et par trådløse, tovejs systemer for i vivo præparater er i øjeblikket tilgængelige. Men de er normalt tunge (40-50 g) og består af to separate bærbare enheder, dvs en hoved fase og en tilsluttet rygsæk til batteri-baserede power supply8,9,10, gør dem mindre fleksibel og øger risikoen for kabel frakobling fx under selvstændige grooming adfærd. Ingen af de ovennævnte trådløse systemer tilbyder implantable mikroelektrode enheder for at erhverve en komplet integreret begrebet den neurale aktivitet under fuld ethologically gyldig adfærd med høj reproducerbarhed af de eksperimentelle betingelser.
Her, er en ny trådløs, tovejs enhed i vivo optagelser og stimulering af neurale aktivitet i frit opfører rotter indført. Thomas trådløse System (TWS) opererer gennem en enkelt flytbare hoved fase, som kan overføre multikanals aktivitet ved hjælp af op til fire uafhængige optagelse kanaler og kan være målrettet for elektriske hjernestimulation i realtid. Derudover blev en kronisk implantable mikroelektrode enhed kompatibel med TWS udviklet at tillader både neurale stimulation og optagelse. En TWS software anskuelighed brugergrænseflade, for optagelse og stimulation er også præsenteret. Denne undersøgelse beskriver en validering og i vivo gennemførelse af hele enheden.
For at validere TWS system blev den ringere colliculus valgt som en neurale målstrukturen, fordi en åbenlys adfærdsmæssige reaktion kan være fremkaldt af dens elektrisk stimulation. Det er almindeligt kendt, at den elektriske stimulation af den ringere colliculus fremkalder ubetingede “frygt-lignende” adfærdsmæssige reaktioner hos rotter, som årvågenhed, sidelæns arbejdsstillinger, magnetisek af ryggen, frysning og flugt (fly) adfærd. Dette svar mønster efterligner reaktioner at frygte evoked af miljømæssige udfordringer, såsom opfattede skadevoldende begivenhed, angreb eller trussel mod overlevelse11,12,13. Det blev antaget, at være i stand til at fremkalde sådan en klar og utvetydig adfærd ville give en reel udfordring til TWS.
Her, blev et bredt tilgængelige trådløse optagelse og stimulation system for elektrofysiologiske og adfærdsmæssige undersøgelser i frit flytte dyr præsenteret. TWS er blevet valideret i adfærdsmæssige assays ved hjælp af den ringere colliculus som en modelstruktur. TWS tilgang har flere fordele sammenlignet med eksisterende. For det første, bruger systemet en enkelt bærbar TWS hoved-fase udstyret med en forforstærker og et genopladeligt batteri, så stabil langsigtet optagelser i op til 1 time med det samme batteri og trådløs operationer afstand for op til 5 m. for det andet, TWS hoved fase er lys og kompakt, vejer 12 gram inklusive batteriet, og blev udviklet for at forhindre rotte fra at fjerne hovedet scenen og tygge ledningerne. Det var veltolereret af dyr siden ingen indvirkning på animal´s adfærdsmæssige repertoire med og uden TWS hoved fase blev observeret, at gøre ordningen gældende for en bred række adfærdsmæssige opgaver. For det tredje sender systemet i realtid. For det fjerde, gennem samtidige tovejs optagelse og stimulering af neurale aktivitet, systemet giver et sofistikeret værktøj til at vurdere årsagssammenhænge mellem specifikke hjernen aktivisering mønstre og adfærd, således at overvinde manglerne envejs systemer. Denne funktion gør metoden særligt værdifulde for feltet af dyb brain stimulation, som normalt kræver nøjagtig vurdering, overvågning og tilpasning af stimulation parametre under langsigtede adfærdsmæssige eksperimenter. Endelig, en kronisk implantable mikroelektrode enhed blev udviklet med integreret optagelse, stimulation og referenceelektrode, der nemt kan implanteres i løbet af en konventionel stereotaxisk kirurgi. Fra dette synspunkt er TWS et integreret trådløst system, hvilket øger reproducerbarhed af stimulation og optagelse eksperimenter. Optagelsen kvalitet af TWS viste sig at være lig den optagelseskvalitet givet med en kommercielt tilgængelig via kabel registreringssystem (Se figur 5).
Det er almindeligt kendt, at elektrisk stimulation af den ringere colliculus i rotter fremkalder klart undslippe adfærd kendetegnet ved løb eller spring, der efterligner reaktioner at frygte elicited af miljøudfordringer11,12, 13. Denne adfærd er fremkaldt i den nuværende undersøgelse ved at stimulere den ringere colliculus benytter TWS eller den traditionelle tøjret system. For at teste stimulation effekten af TWS, blev undslippe tærskler – minimum nuværende intensitet producerer kører eller hoppe – sammenlignet ved hjælp af begge systemer. Rotter med TWS hoved scenen er i stand til at køre hurtigt, hoppe og klatre ud af det åbne område, vise dvs typiske undslippe adfærd, med større bevægelsesfrihed. Vigtigere, var undslippe tærskler ens i forhold til traditionelle tøjret system. Sammen, blev en temmelig udfordrende paradigme brugt til at teste modstandsdygtighed af TWS, som det mestrede på en problemfri måde.
TWS er også velegnet til kronisk elektrisk stimulation eksperimenter da mikroelektrode enhed implanteret giver kronisk brug. TWS giver mulighed for at justere parametrene stimulation nuværende meget præcist i en måde at præcist afsløre hyppighed og mængde af stimulation nuværende som er effektiv til at fremkalde en adfærdsmæssige reaktion. Derudover samme dyr blev stimuleret med den samme aktuelle tærskel 3 dage senere og de samme ønskede adfærdsmæssige reaktion blev fremkaldt. Dette tyder på, at vævet omkring stimulation elektrode tip ikke blev beskadiget af stimulation nuværende, der normalt kræver øget stimulation nuværende amplituder med gentagne stimulering for at fremkalde de samme adfærdsmæssige reaktion.
Derudover er det muligt at reducere den eksperimentelle tid betydeligt, fordi TWS mikro-stimulator opdaterer stimulation parametre i realtid, når eksperimentatoren ændres dem i den grafiske brugergrænseflade. Andre elektriske Stimulatorer19 bruges til prækliniske forskning behovet skal omprogrammeres til stimulus parameter opdatering. I disse tilfælde er enheden programmeret af tethering dyr via kabel til en programmerings enhed. Dette er ikke påkrævet, når du bruger TWS.
Endelig, batteriet er fastgjort til toppen af TWS hoved scenen og elektrisk tilsluttet hoved op via en to-pins magnet stik til nem udveksling af batteriet. Fordelen er, at det er muligt at skifte batteri uden at frakoble TWS hoved scenen fra enheden, indopereret elektrode, der er meget mere behageligt at dyret under eksperimentet. Under den nuværende undersøgelse brugte vi et batteri, hvis drift tid er kun 1 h. I tilfælde af eksperimentet tager længere tid end 1 h, anbefales det at have en ekstra opladet batteri tilgængelige. TWS kan tilsluttes udskiftning genopladelige batterier med kapacitet på (i) 230 mA i 1 h drift tid eller (ii) 450 mA for ca 2,5 h operationstid. Begge typer batterier kan genoplades fuldt i 15 min.
I Resumé beskriver den nuværende undersøgelse driften af TWS designet til neurale stimulation og optagelse fra frit opføre smådyr. En helt integreret sæt af implantabelt mikroelektrode enhed, hoved fase, modtager og software præsenteres så godt. Kvaliteten af den trådløse optagelse og stimulation er lig at af de tøjrede optagelse system med fordelen af at være mere behagelig, let og sikkert at dyret. TWS kan derfor bruges til at erstatte den tøjret system, da det begrænser ikke dyrets mobilitet og giver en fleksibel metode til at styre stimulation og neurale optagelse under omstændigheder hvor andre metoder ville være vanskeligt eller umuligt. TWS kan derfor være et vigtigt redskab til at undersøge hvordan elektriske aktivitet i definerede neurale kredsløb genererer visse former for adfærd, et grundlæggende spørgsmål i neurovidenskab.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af en grant forskning fra tysk sammenslutning af industriel forskning foreninger (AiF giver nummer: KF2780403JL3).
Thomas Wireless System (TWS) version 2.0 | Thomas RECORDING GmbH | AN001165 | The Thomas Wireless System (TWS) version 2.0 is a portable multichannel telemetry system with laptop computer, a preinstalled Microsoft Windows operating system and TWS control software. The TWS includes: low noise 4 channel pre– and programmable main amplifier with fixed bandwidth, single channel constant–current stimulator for application of biphasic current pulses, software programmable micro stimulator, implantable connector system and a basic head stage unit for mounting to an animal. The system is delivered with a transceiver with USB port connection for laptops or desktop personal computers, the control software running under Microsoft operating system Windows. The TWS system can be used for extracellular neural stimulation and recording in freely behaving small animals (e.g. rats, guinea pigs). This system can be adapted to be used in larger animals (e.g. primates) as well. |
Software for Thomas Wireless System (TWS) | Thomas RECORDING GmbH | inlcuded in AN001165 | The software for the Thomas wireless system is running under Microsoft Windows operating system and provides the graphical user interface (GUI) for the Thomas Wireless System (TWS). The TWS GUI offers complete control of the TWS functions 4 channel recording and 1 channel stimulation. |
Implantable tetrode for recording (4 channels) and stimulation (single channel) | Thomas RECORDING GmbH | AN001132 | Implantable tetrode for recording (4 channels) and stimulation (single channel) for use with Thomas Wireless Systems (TWS). Recording tetrode specifications: tetrode fiber material: quartz glass insulated platinum tungsten fiber, tetrode fiber outer diameter: 100µm, tip shape D, impedance 0.5-0.8MOHm; Reference electrode: tip shape: D; Impedance: 300-500kOhm; Material: quartzglass insulated platinum/tungsten; Stimulation electrode specification: fiber material: platinum/iridium, diameter: 125µm, lacquer insulated, tip shape : D, impedance: < 10kOhm, dimensions of the electrode can be specified by the end user |
Implantable microelectrode for recording (single channel) and stimulation (single channel) | Thomas RECORDING GmbH | AN001118 | Implantable microelectrode for recording (single channel) and stimulation (single channel) for use with Thomas Wireless Systems (TWS). Recording electrode specifications: electrode fiber material: quartz glass insulated platinum tungsten fiber, electrode fiber outer diameter: 80µm/250µm (please specify), tip shape D, impedance 0.5-0.8MOHm; Reference electrode: tip shape: D; Impedance. 300-500kOhm; Material: quartzglass insulated platinum/tungsten; Stimulation electrode specification: fiber material: platinum/iridium, diameter: 125µm, lacquer insulated, tip shape : D, impedance: < 10kOhm |
Holder for electrode implantation | Thomas RECORDING GmbH | AN000838 | Special bent metal rod for microelectrode implantation for standard electrode holders. The rod is used to hold an implantable electrode. The implantable electrode is fixed to the rod with special Thomas RECORDING water soluable glue (AN001080). (Electrode holder is not included) |
Replacement accumulator power supply for the Thomas Wireless System (3,7V/230mAh) | Thomas RECORDING GmbH | AN001208 | Replacement rechargeable battery (accumulator) for Thomas Wireless System with a capacity of 230mA for approximately 1h operation time. (size: 27mm x 20mm x 6mm, weight app. 6g) |
Replacement accumulator power supply for the Thomas Wireless System (3,7V/450mAh) | Thomas RECORDING GmbH | AN001209 | Replacement rechargeable battery (accumulator) for Thomas Wireless System with a capacity of 450mA for more than 1h operation time. (size: 48mm x 30mm x 4mm, weight app. 11g) |
Accumulator charger for Thomas Wireless System (TWS) rechargable accumulator | Thomas RECORDING GmbH | AN001207 | Mains powered charger for the Thomas Wirless System (TWS) rechargable accumulators (AN001209 and AN001209) |
Water soluble glue | Thomas RECORDING GmbH | AN001080 | Thomas RECORDING water soluble electrode glue is a specially selected product for use with implantable microelectrodes in neuroscientific research. Its unique properties ensure a rigid connection between electrode and mounting device although it is easily removable with warm water. The Thomas RECORDING water soluble electrode glue can be used out-of-the-box, without any time consuming preparation. Thomas RECORDING water soluble electrode glue is not harmful to humans, animals or the environment. Quantity: 1 box of 10 gramms |
Miniature differential preamplifier | Thomas RECORDING GmbH | AN000329 | The Miniature Differential Pre-Amplifier, Model MDPA-2 is a 2-channel, differential input preamplifier that is designed for low noise recordings from excitable tissue. It is intended for extracellular recording in conjunction with the implantation of implantable microelectrodes for freely moving animal appliactions with the Thomas Wireless System (TWS). The 2-Channel Miniature Differential Preamplifier (MDPA-2) is connected to the implantable microelectrodes for providing the initial tenfold amplification stage. Ideally Thomas RECORDING quartz glass insulated platinum/tungsten electrodes are used to yield optimal recording results with high signal amplitudes and low noise levels. The MDPA-2 has additional common ground and reference electrode inputs. |
Connection cable | Thomas RECORDING GmbH | AN000330 | Connection cable to connect the Thomas Miniature differential preamplifier (MDPA-2) to a main amplifier and an accumulator power supply. |
Rechargeable power supply for the miniature preamplifier | Thomas RECORDING GmbH | AN000328 | Rechargeable accumulator power supply for the Miniature differential preamplifier (MDPA-2). |
Accumulator charger (US) | Thomas RECORDING GmbH | AN000167 | Accumulator charger for the power supply AN000328 (US mains power outlet conenctor) |
Accumulator charger (EU) | Thomas RECORDING GmbH | AN000168 | Accumulator charger for the power supply AN000328 (EU mains power outlet connector) |
Differential preamplifier/main amplifier/bandpass filter | Thomas RECORDING GmbH | AN000677 | TREC AC Main Amplifier (LabAmp-03) is a single-channel, differential main amplifier for neurophysiological applications (e.g. extracellular recording with microelectrodes). This Instrument is designed to work with the miniature Differential Pre-Amplifier, Model MDPA-2. The single channel of the LabAmp-03 contains a high-gain, low-noise differential amplifier stage followed by low frequency and high-frequency filters. The amplifier has two different filter amplifiers, a single unit activity (SUA) filter –amplifier and a local field potential (LFP) filter amplifier, both are connected parallel in the signal path. Record Mode offers two levels of signal gain (x10, x100) in a first stage and 4 additional levels (x5, x10, x25 and x50) in a final amplifier stage. Each amplifier has different bandpass characteristics for single unit activity (SUA) 500Hz…20kHz and local field potentials (LFP) 0,1Hz…140Hz. An audio monitor and a window discriminator is integrated in the device. The LabAmp-03 has an integrated audio monitor with loudspeaker. This unit provides audio reproduction of electrophysiological signals. The unit combines an audio amplifier in a compact, rugged package. This is especially suited to monitoring neural firing and muscle contractions. The audio monitor input is internally connected to the SUA-Filter amplifier output. The LabAmp-03 is delivered with external power supply for a mains power operation voltage range of 100-240V AC/50-60Hz. |
USB Oscilloscope | Thomas RECORDING GmbH | AN001096 | USB PC Oszilloskop, 2 Kanal. This 2-channel PC oscilloscope is perfect suitable for mobile use on a laptop and permanent installation in control cabinets, industrial equipment and many other applications where a small, lightweight and powerful oscilloscope is required. This oscilloscope is connected to the signal output of the main amplifier is for display of recorded extracellular activity during the implanation of the implantable microelectrodes for the Thomas Wireless System (TWS). The user can acquire the measurement data over the several data-interfaces directly on the PC with includes PC software. |
Stimulus generator | Multichannel Systems | STG3008-FA | Stimulus Generator for Current (STG) and Voltage Driven Stimulation fulfill three functions: current driven stimulation, voltage driven stimulation, controlling and timing. The STG is available with 2, 4 or 8 independet output channels. Featuring integrated isolation units for each output channel, the STG is able to provide any arbitrary waveform. |
Cap protector for the electrode | Thomas RECORDING GmbH | AN001193 | Protective cap for implantable electrode unit for the Thomas Wireless System |
Surgical equipment | Scissors, blunt-end forceps, spatulas, surgical clippers, dental drill, and cotton buds | ||
Drugs and chemicals | Isoflurane, xylocaine, tramadol hydrochloride (Tramadol-CT, AbZ-Pharma GmbH, Ulm, Germany), dexpantenol eye salve (Bepanthen, Bayer AG, Leverkusen, Germany), 3% hydrogen peroxide, povidone-Iodine (Betaisodona, Mundipharma GmbH, Limburg, Germany) and 70% ethanol; | ||
Fixation material including | Stainless steel screws (BN650 M1.2×5; 4.7 mm ), acrylic resin (Paladur, Heraeus Holding GmbH, Hanau, Germany), ultraviolet glue (Cyberbond U3300, Cyberbond Europe GmbH, Germany) and cap protector (Thomas Recording GmbH, Giessen, Germany); | ||
Additional material | Gloves, heating pad, syringes, and physiological saline. | ||
Small Animal Stereotaxic Instrument (SASI) | Thomas RECORDING GmbH | AN000287 | The model should be chosen according to the animal (rat, guinea pig, monkeys, etc) used in the study |
Video camera | EverFocus | EverFocus, model: EQ150 | |
Open field | Made of transparent or gray acrylic, having round shape measuring 40x40x40cm | ||
Elevated plus maze | Made of gray acrylic and consisted of two open arms (50 cm long x 10 cm wide) and two closed arms (50 cm long x 10 cm wide, with 40 cm high walls) that extended from a central platform elevated 50 cm above the floor. |