En trådlös, dubbelriktad system för Multi-Channel neurala inspelningar och stimulering i fritt bete råtta introduceras. Systemet är lätt och kompakt, därmed få minimal inverkan på animal´s beteendemässiga repertoaren. Dessutom ger denna dubbelriktade system en sofistikerad verktyg för att bedöma kausala relationer mellan hjärnans aktivering mönster och beteende.
In vivo elektrofysiologi är en kraftfull teknik för att undersöka sambandet mellan hjärnaktivitet och beteende på en millisekund och mikrometer skala. Men nuvarande metoder åberopa mestadels uppbundna kabel inspelningar eller bara använda enkelriktade system, vilket möjliggör antingen inspelning eller stimulering av neural aktivitet, men inte på samma tid eller samma mål. Här en ny trådlös, dubbelriktad enhet för samtidig flerkanalig inspelning och stimulering av neural aktivitet i fritt bete råtta är beskrivna. Systemet fungerar genom en enda portabel huvud scen som både sänder inspelade aktivitet och kan riktas i realtid för hjärnstimulering med en telemetri-baserade flerkanaliga programvara. Head scenen är utrustad med en förförstärkare och ett laddningsbart batteri, vilket ger stabila långsiktiga inspelningar eller stimulering för upp till 1 h. allt, huvudet scenen är kompakt, väger 12 g (inklusive batteri) och därmed har minimal påverkan på animal´s beteendemässiga repertoaren, vilket gör metoden gäller för en bred uppsättning av beteendemässiga uppgifter. Metoden har dessutom den stora fördelen att effekten av hjärnstimulering på neural aktivitet och beteende kan mätas samtidigt, ger ett verktyg för att bedöma de kausala relationerna mellan specifika hjärnans aktivering mönster och beteende. Denna funktion gör metoden särskilt värdefulla för fältet av Djup hjärnstimulering, möjliggör exakt bedömning, övervakning och justering av stimulering parametrar under långsiktigt beteende experiment. Tillämpligheten av systemet har validerats med den sämre colliculus som en mall.
En grundläggande fråga i neurovetenskap är hur elektrisk aktivitet i definierade neurala kretsar genererar vissa former av beteende. In vivo elektrofysiologi är en kraftfull teknik för att ta itu med denna fråga, som tillhandahåller ett verktyg för att spela in eller stimulera elektrisk aktivitet i hjärnan medan djur utför vissa beteendemässiga uppgifter. Dock är att nuvarande system ofta förlita sig på uppbundna kabel recordings1,2, sannolikt begränsar rörligheten och förhindra fullt uttryck av animal´s beteendemässiga repertoaren. Dessutom används mestadels enkelriktad system, så att antingen spela in3,4,5 eller stimulering6,7 av neural aktivitet, men inte på samma tid eller samma mål, att göra det svårt att särskilja de kausala relationerna mellan specifika hjärnans aktivering mönster och beteende. Endast ett fåtal trådlösa, dubbelriktad system för in-vivo preparat finns tillgängliga. Men de är oftast tunga (40-50 g) och består av två separata bärbara enheter, dvs ett huvud skede och en ansluten ryggsäck för batteri-baserade power supply8,9,10, gör dem mindre flexibel och ökar risken för kabel urkoppling e.g. under själv grooming beteende. Ingen av de ovannämnda trådlösa system erbjuda implanterbara mikroelektrod enheter för att förvärva en komplett integrerat koncept av neurala aktiviteten under full ethologically giltig beteende med hög reproducerbarhet av experimentella villkor.
Här introduceras en ny trådlös, dubbelriktad enhet för in vivo -inspelningar och stimulering av neural aktivitet i fritt bete råtta. Den Thomas trådlösa System (TWS) driver via en enda flyttbara huvud scenen som kan överföra flerkanaliga aktivitet med upp till fyra oberoende inspelning kanaler och kan riktas för elektrisk hjärnstimulering i realtid. Dessutom utvecklades en kroniskt implanterbara mikroelektrod enhet kompatibel med TWS som tillåter både neural stimulering och inspelning. En TWS programvara grafiskt användargränssnitt, för inspelning och stimulering presenteras också. Denna studie beskriver validering och i vivo genomförandet av hela enheten.
För att validera TWS systemet valdes den sämre colliculus som en neural målstrukturen eftersom en overt beteendemässiga svar kan vara framkallas av dess elektrisk stimulering. Det är allmänt känt som elektrisk stimulering av de sämre colliculus framkallar obetingade ‘rädsla-liknande’ beteendemässiga Svaren hos råttor, såsom vakenhet, sidledes ställningar, arching av ryggen, frysning och fly (flyg) beteende. Detta svar mönster härmar reaktioner att frukta frammanas av miljömässiga utmaningar, såsom en upplevda skadan, angrepp eller hot mot överlevnaden11,12,13. Det antogs att kunna framkalla sådana ett klart och entydigt beteende skulle ge en verklig utmaning för TWS.
Här, presenterades ett brett tillgängligt trådlöst inspelning och stimulering system för elektrofysiologiska och beteendevetenskapliga studier i fritt rörliga djur. TWS har validerats i behavioral analyser med den sämre colliculus som en mall. Metoden med TWS har flera fördelar jämfört med befintliga. För det första systemet använder en bärbar TWS huvud-enstegs utrustad med en förförstärkare och ett laddningsbart batteri, så att stabila långsiktiga inspelningar för upp till 1 h med samma batteri och trådlös verksamhet avstånd för upp till 5 m. för det andra, TWS huvud scenen är lätt och kompakt, väger 12 gram inklusive batteri, och utvecklades för att förhindra råttan från att ta bort huvudet scenen och tugga trådarna. Det var tolereras väl av djuren sedan ingen påverkan på animal´s beteendemässiga repertoaren med och utan TWS huvud scenen observerades, vilket gör systemet gäller för en bred uppsättning av beteendemässiga uppgifter. För det tredje sänder systemet i realtid. För det fjärde genom samtidig dubbelriktad inspelning och stimulering av neural aktivitet ger systemet en sofistikerad verktyg för att bedöma kausala relationer mellan specifika hjärnans aktivering mönster och beteende, således övervinna bristerna enkelriktade system. Denna funktion gör metoden särskilt värdefulla för fältet av Djup hjärnstimulering, vilket oftast kräver noggrann bedömning, övervakning och justering av stimulering parametrar under långsiktigt beteende experiment. Slutligen utvecklades en kroniskt implanterbara mikroelektrod enhet med integrerad inspelning, stimulering och referenselektrod som enkelt kan implanteras under en konventionell stereotaxic kirurgi. Från denna synpunkt är TWS ett integrerat trådlöst system som ökar reproducerbarheten för stimulering och inspelning experiment. Inspelningskvalitet av TWS visade sig vara liknar inspelningskvalitet gav med en kommersiellt tillgänglig fast inspelningssystem (se figur 5).
Det är allmänt känt som elektrisk stimulering av de sämre colliculus hos råtta framkallar tydliga flykt beteende kännetecknas av kör eller hoppning, som härmar reaktioner att frukta framkallade av miljömässiga utmaningar11,12, 13. Detta beteende var induceras i den aktuella studien genom att stimulera de sämre colliculus använder TWS eller traditionella uppbundna systemet. För att testa stimulering effekten av TWS, jämfördes fly tröskelvärdena – minsta strömstyrkan som producerar kör eller hoppa – med båda systemen. Råttor med TWS huvud scenen är kapabel att köra snabbt, hoppa och klättra ur det öppna fältet, Visa dvs typiska flykt beteende, med större rörelsefrihet. Ännu viktigare, var fly trösklarna likartade jämfört med traditionella uppbundna systemet. Tillsammans användes en ganska utmanande paradigm för att testa motståndskraften i den TWS, som det behärskar på ett komfortabelt sätt.
TWS lämpar sig också för kronisk elektrisk stimulering experiment eftersom mikroelektrod enheten implanteras tillåter kronisk användning. TWS kan justera parametrarna stimulering nuvarande mycket exakt i ett sätt att korrekt upptäcka frekvens och mängden stimulering nuvarande som är effektiv för att framkalla en beteendemässig reaktion. Dessutom samma djur stimulerades med samma nuvarande tröskelvärdet 3 dagar senare och samma önskat beteendemässiga svar var framkallade. Detta tyder på att vävnaden runt stimulering elektrod spetsen inte skadad av stimulering nuvarande som vanligtvis kräver ökad stimulering nuvarande amplituder med upprepad stimuli för att framkalla samma beteendemässiga svar.
Dessutom är det möjligt att avsevärt minska den experimentella tid eftersom den TWS mikro-stimulatorn uppdaterar stimulering parametrar i realtid när experimenter ändrar dem i det grafiska användargränssnittet. Andra elektriska muskelstimulatorer19 används för preklinisk forskning behöver omprogrammeras för stimulans parametern uppdatering. I dessa fall programmeras enheten genom tjudra djuret via kabel till en programmeringsenhet. Detta krävs inte när du använder TWS.
Slutligen, fast batteriet till toppen av TWS huvud scenen och elektriskt kopplade till huvudet scenen via en två-pins magnet kontakt för lätt utbyte av batteriet. Fördelen är att det är möjligt att byta batteri utan att koppla bort TWS huvud scenen från implanterade elektroden enheten, som är mycket mer bekväm att djuret under experimentet. Under den aktuella studien använde vi ett batteri vars operationstiden är endast 1 h. Ifall experimentet tar längre tid än 1 h, är det rekommenderat att ha ett extra batteri som är tillgängliga. TWS kan anslutas till ersättare uppladdningsbara batterier med kapacitet på (i) 230 mA för 1 h operationstid eller (ii) 450 mA för ca 2,5 h operationstid. Båda typer av batterier kan laddas fullt i 15 min.
Sammanfattningsvis beskriver den aktuella studien driften av TWS utformad för nervstimulering och inspelning från fritt bete små djur. En helt integrerad uppsättning implanterbara mikroelektrod enhet, huvudet scenen, mottagare och programvara presenteras också. Kvaliteten på den trådlösa inspelning och stimulering är liknar att av den uppbundna inspelning system med fördelen av att vara mer bekväma, lätta och säkra att djuret. Därför kan TWS användas för att ersätta det uppbundna systemet eftersom det begränsar inte djurets rörlighet och ger en flexibel metod för att styra stimulering och neurala inspelning under omständigheter där andra metoder skulle vara svårt eller omöjligt. TWS kan därför vara ett viktigt verktyg för att undersöka hur elektrisk aktivitet i definierade neurala kretsar genererar vissa former av beteende, en grundläggande fråga i neurovetenskap.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöds av en grant forskning från den tyska federationen av industriell forskning föreningar (AiF; bevilja 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. |