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Behavior

ワイヤレス、 In Vivo記録そして自由行動下ラットにおける神経活動の刺激のための双方向インタ フェース

doi: 10.3791/56299 Published: November 7, 2017

Summary

ワイヤレス、マルチ チャンネル記録と自由行動下ラットにおける刺激の双方向システムを導入します。システムは軽量でコンパクトなこのように animal´s の行動レパートリーに最小限の影響を持ちます。さらに、この双方向システムは、脳の活性化パターンと動作の因果関係を評価する洗練されたツールを提供します。

Abstract

体内電気生理学はミリ秒からマイクロ メートル スケールの動作と脳の活動の関係を調査するための強力な手法です。ただし、現在の方法はつなぎ縄でつながれたケーブル録音にほとんど依存またはのみ、記録または同じ時間や同じターゲットではなく神経活動の刺激のいずれか一方向システムを使用します。ここでは、新しいワイヤレス マルチ チャンネルの同時の録音そして自由行動下ラットにおける神経活動の刺激のための双方向デバイスが説明です。両方の記録されたアクティビティを送信との対象にすることができます単一のポータブル ヘッド ステージを通じて、システム動作脳刺激テレメトリ ベースのマルチ チャンネル ソフトウェアを使用してリアルタイム。ヘッド ステージはプリアンプと充電式電池は、重要な安定した長期的な録音や最大 1 h. のための刺激を許可する装備、ヘッド ステージはコンパクト 12 g (バッテリーを含む) の重量を量る、従って最小限の影響で、animal´s は、行動のレパートリーでは、メソッドを広範な行動のタスクに適用すること。また、メソッドは、ある神経活動と行動に及ぼす脳刺激が同時測定可能、特定の脳活性パターンと動作の因果関係を評価するためのツールを提供する主要な利点を持っています。この機能は、正確な評価、監視、および長期的な行動実験中刺激パラメーターの調整をできるように、脳深部刺激療法の分野の特に貴重なメソッドをなります。モデル構造として下の丘を使用してシステムの有効性が検証されました。

Introduction

神経科学における基本的な質問は定義された神経回路でどのように電気的活動の動作の特定のフォームを生成します。体内電気生理学は記録または動物は行動の特定のタスクを実行している間に、脳の電気的活動を刺激するためのツールを提供する、この問題に対処するための強力な手法です。ただし、現在のシステムが頻繁につなぎ縄でつながれたケーブル録音12、可能性があります移動を制限して、animal´s の行動レパートリーの完全な表現を防止する使用します。ほとんどの単方向システムの使用また、3,4,5または刺激67の神経活動を記録、ない同じ時間、同じターゲットでそれを作るのいずれかを許可します。特定の脳活性パターンと動作の因果関係を解きほぐすことは難しい。いくつか無線のみ体内の準備のための双方向システムが現在利用可能です。しかし、彼らは通常重い (40-50 g) から成っている 2 つ独立したポータブル ユニット、すなわちヘッド ステージとバッテリ ベースの電力供給8,9,10、以下のレンダリングに接続されているバックパックと柔軟なセルフ グルーミングの動作中に、例えばケーブル断線の危険性を高める。前述の無線システムのどれもは、実験条件の再現性の高い完全 ethologically 有効な動作の中に神経の活動の完全な統合の概念を取得する埋込型電極ユニットを提供しています。

ここでは、新しいワイヤレス、生体内での録音そして自由行動下ラットにおける神経活動の刺激のための双方向デバイスが登場です。単一リムーバブル ヘッド段階で最大 4 つの独立した記録するチャネルを使用してマルチ チャネルの活動を送信できます、ターゲットすることができますリアルタイムでの脳の電気的刺激のためにトーマス ・ ワイヤレス システム (TWS) が運営しています。また、トーキョーワンダー サイトと互換性のある慢性埋込型電極ユニットは神経刺激と記録の両方できるよう開発されました。また録音および刺激のトーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ユーザー インターフェイスが表示されます。本研究では、デバイス全体の生体内および検証の実装について説明します。

トーキョーワンダー サイト システムを検証するためにあからさまな行動応答することができますその電気刺激によって誘発されるので、下丘はターゲットの神経構造として選ばれました。下丘の電気刺激が覚醒、横向き姿勢、背中のアーチ、凍結 (飛行) 避難行動などのラットの無条件の恐怖のような行動応答を引き出すことを広く知られています。この応答パターン模倣知覚された有害事象、攻撃または生存11,12,13への脅威などの環境課題によって誘発恐怖に反応しています。このような明確かつ明確な動作を引き出すことがトーキョーワンダー サイトに本当の挑戦を提供することとしました。

Protocol

すべてのプロトコルおよび実験された現在のヨーロッパの指針に従って (2010/63/EU) と地方当局の承認を (Regierungspräsidium ギーセン、氏 20/35 Nr.25/2015).

1 です動物

  1. 家の男性大人 Wistar ラット (200-250 g) 順化するために手術の前に、少なくとも 1 週間の標準的な実験室の条件の下で 3-4 つのグループにします。
  2. 手術後 2 日間ペアの家ネズミ。高いアクリル蓋 1 つケージをカバーします。破損したおよび/または上不安定な時間なるリスクも増大して金属グリッド製インプラントが動けなくことができますので従来の蓋を避ける

2。定位脳手術

  1. 手術を始める前に整理し、次の装置および材料の準備: 滅菌はさみ、鈍端鉗子、手術用のへらから成る
    1. 取得無菌手術装置バリカン、歯科用ドリル、綿の芽
    2. 薬物やイソフルラン、キシロカイン、トラマドール塩酸塩、dexpantenol 眼軟膏、3% 過酸化水素、ポビドン ヨード、70% エタノールなど化学物質を取得します。
    3. ステンレス鋼製ネジ、アクリル樹脂、紫外線接着剤キャップ プロテクターなど固定材を取得します
    4. は、(i) 記録の単一電極から成る、電極ユニットを入手 (石英ガラス絶縁プラチナ タングステン電極、円錐形の先端形状、外径: 80 μ m があり、円錐形の先端、1 kHz: 500 k ω のインピー ダンス) または熱 (石英ガラスプラチナ/タングステン 4 コア電極、外径を絶縁: 100 μ m があり、円錐形の先端、インピー ダンスで 1 kHz: 500-800 k ω);(ii) 刺激電極 (プラチナ/イリジウム線 (プラチナ 90%、イリジウム 10%)、コア径 125µm、外径 150 μ m、インピー ダンス < 10 k ω) 白金線電極 (軸径、100 接触板、(iii) に接続されています。μ m; 図 1 a).
    5. 取得電極ホルダー電極ユニットに水溶性の接着剤で接着し、機能の少なくとも 2 時間を事前にテスト ( 図 1 b).
    6. 差動プリアンプから成る従来の係留システムを取得、主なアンプと、バンドパス フィルター録音アンプ
    7. 手袋、パッド、注射器と生理食塩水を加熱などの追加素材を入手します
    8. ホーム ケージを取得 (L h: 42 cm x W x 26 cm × 38 cm x).
  2. プロシージャ
    注: イソフルラン麻酔下で従来の定位脳手術中に電極の注入を実行します。
    1. 実験者が手袋、サージカル マスク、白衣を着ていることを確認します
    2. 誘導の部屋に動物を配置する麻酔を開始 (イソフルラン 4-5%、酸素の流れ 1 L/分、期間 ~ 5 分) です
    3. 鉗子で反射 (尾と足反射) の損失のための深い麻酔を確認するテストします
    4. 定位脳手術フレームの上顎切歯の棒に固定麻酔マスクに動物の頭を置き、麻酔を調整 (イソフルラン 2-3%、酸素流量 0.7 0.8 L/min).
    5. 修正動物を水平方向に配置、' イヤバーと上顎切歯バーを用いた定位放射線装置で頭
    6. 手術用バリカンやはさみを使用して手術野を剃るし、ポビドン ヨードで消毒します
    7. 加熱パッド低体温を防止し、乾燥を防ぐために dexpantenol 眼軟膏で眼の治療に動物を配置します
    8. キシロカインを注入 (0.3 0.4 mL、皮下、サウスカロライナ) 手術野の中心部にします
    9. 再び反射の損失をテストします
    10. は、頭蓋骨を公開する手術のフィールドの真ん中にメスで小切開 (1.5 cm) を作る。優しく皮膚を分離し、鉗子、はさみ、ヘラを使用して残存組織を削除します
    11. 慎重に過酸化水素コーティングの綿棒を使用して頭蓋骨をきれいします
    12. 4-5 小さな穴 (4.7 mm) ステンレス鋼製ネジの固定のため頭蓋骨をドリルします
    13. 電極ユニット/電極ホルダーをプリアンプに接続し、定位マイクロマニピュレーターを付ける ( 図 1B 1 C).
    14. は、使用される動物によると脳アトラスから座標を使用してターゲット領域の上の頭蓋骨の穴 (約 7 mm) を開けます。本研究では、参考資料として提供する前に次の座標を使用して下の丘を目指した電極先端の位置: 前方/後方、− 8.8 mm;内側/外側、1.5 mm;背/腹、3.5 mm 14
    15. 綿棒に血を吸収です
    16. 電極先端標的部位に到達するまで垂直方向に電極ユニットを紹介します
    17. ステンレス鋼製ネジに沿って、皮膚の下のアース ケーブルを配置します
    18. モニター活動のスパイクし慎重にターゲット構造のアクティブなニューロンのゾーンに到達するまでマイクロマニピュレーターに電極位置を調整し、スパイクの並べ替えに適した信号対雑音比と神経活動を検出します
    19. 紫外線接着剤で頭蓋骨に電極ユニットを固定し、接触板、アクリル樹脂がネジをカバーします
    20. 生理食塩水 1 mL (i. p.) とトラマドール (25 mg/kg、サウスカロライナ) 脱水症状を防ぐ、術後鎮痛をそれぞれを確認し注入します
    21. ブラシを使用して電極ホルダーから電極ユニットは、水に浸した切断します
    22. ストップ麻酔は、定位脳手術フレームからラットを慎重に取り外します。電極からプリアンプを切断ユニット
    23. 注入電極ユニットのキャップ保護を接続し、実験の手順の中にのみ切断します
    24. 手術後 2 日目からホーム ケージでペアで動物を維持します
    25. 。 手術後 7 日間の期間の
    26. モニター動物の可能な創傷感染、体重、健康状態、日常生活や一般的な動作です。この回復期間後 体内 電気生理学および行動実験を実行します
      。 注: 手術は 60-90 分間続きます。手術中尾フリック反射を継続的に監視する必要がありますが、麻酔は、必要に応じて調整します

3。生体内で電気生理学

  1. 機器と手順
    注: 電気生理学的記録と刺激はトーキョーワンダー サイトを使用して実行されます。
    1. 取得プリアンプ内蔵型と接続されているバッテリ ヘッド ステージ (4 つの録音チャンネル; アナログ入力範囲を記録: 0-12 mV pk pk; 刺激出力: ±625 μ A;L x 幅 22 mm × 12 mm × h: 24 ×体重: 6 g バッテリー、12 グラムで、バッテリ; なしバッテリ時間 1 h まで)。このヘッド ステージは小型多極コネクタ ( 図 2) を介して注入電極ユニットに直接接続するのに適しています
    2. 取得 (リチウム イオン蓄積装置、3.7 4.2 V DC、27 mm × 20 mm × 6 mm、1 h 操作時間 230 mAh) バッテリー ヘッド ステージ ( 図 2) の上にマウントされています。必要に応じて能力 450 の交換用充電式バッテリーを使用して約 2.5 h 操作時間の mA。くると確認する緑色の光頭の段階でバッテリーがそれに接続されている
    3. トランシーバー (機) 標準の USB ポート経由でパソコンに接続でき、( 図 2 e) 5 m までの無線操作を取得します
    4. 取得電気刺激の神経活動の記録 TWS ソフトウェアとパーソナル コンピューター ( 図 3 図 4 ).
    5. テザーのプリアンプと手術中に使用するデータ集録システムを取得 (参照項目 2.1.5) 録音、および刺激の刺激発生器は、トーキョーワンダー サイトでの efficaciousness を比較するために目がさめているラットの手術後 1 週間
      。 注: 電気刺激が提供され、両方のシステムを使用して同じ注入電極ユニットから単一ニューロンの細胞活動が記録されます。刺激パラメーター (電流、パルス、周波数) は、脳の領域をターゲットによるとそれぞれの動物に調整必要があります。現在の研究では、150-250 μ A 2500 Hz 電流は下丘を刺激するために使用されたします
  2. 試金の行動
    注: トランシーバーと動物の頭の段階の間導入される金属の壁はない、TWS は広範な行動のタスクに適用されます。模範的な行動テストとしてそれは測定行動の一般的な活動と高架プラス迷路、齧歯動物 15 の不安様行動を評価するため標準的なテストのためのオープン フィールドで使用されました。ビデオカメラはオープン フィールド上中央に配置され、高架式十字迷路行動の記録。
    1. , 行動実験前に連続 3 日間 (各日 5 分) 各動物を扱います。各処理期間前に以前注入電極ユニットにバッテリーとヘッドのステージを接続します。録音または処理中の刺激を実行しないでください
    2. オープン フィールド
      1. オープン フィールドの中心にラットを配置 (40 cm × 40 cm × 40 cm; ~ 30 ルクスの光赤)、神経細胞記録の下で、少なくとも 5 分の装置を探索すること
      2. は、エスケープの閾値 - ランニングまたはジャンプを作り出す現在の最低の強度を決定します。本研究では高周波 2500 Hz 刺激を提供 (パルス幅: 100 μ s; パルス間隔: 100 μ s) ラット示したまで、手順 20 50 μ A の電流の強さの増 1 分間隔で下丘に逃避行
      3. ラットをホーム檻に戻り、オープン フィールド (0.1% 酢酸溶液) をきれいに、それを乾燥
        注: 上記の手順で説明した従来の係留システムと TWS の刺激効果を比較するために行った両方のシステムを使用しています
    3. 高架式十字迷路
      注: これらの実験で使用されるプラス迷路だったグレーのアクリル製し、から成っていた 2 つの開いた腕 (50 cm × 10 cm くらい) 2 つの閉じた腕と (50 cm 長さ 10 cm、幅 40 cm 高い壁 x) 中央 pla からtform の上昇床 16 上 50 cm。
      1. 腕が開いて向きプラス迷路の中心にラットを置き 5 分間に継続的な記録の下で装置を自由に探索すること
      2. に、エントリの数を記録し、5 分にわたって時間オープンとクローズの腕の中です
      3. その家のケージ、クリーン (0.1% 酢酸溶液) ラットを返し各試験前に迷路を乾燥
    4. 血流と組織学
      1. キシラジン/ケタミンを用いたラットの麻酔 (150 mg/kg と 100 mg/kg、それぞれ i. p.).
      2. 刺激ケーブルに注入電極ユニットを接続して電気刺激を適用 (現在強度 50 μ A、パルス幅: 100 μ s; パルス間隔: 100 μ s) 90 の中に電極先端近傍の小病変を生成するために s
      3. 刺激ケーブルを外し、左心室を通して動物を灌流と 0.1 M リン酸ナトリウム緩衝、pH 7.3 で 4% パラホルムアルデヒドの 200 mL に続いて生理食塩水 (詳細な説明は、リファレンスを参照してください 17。).
      4. 脳を取り外して 4 で新鮮な固定液で 4 時間にそれを浸す ° C
      5. メイン クリオスタットチャンバーの温度が-20 に確認 ° C
      6. ドライアイスに頭脳を凍結し、50 μ m シリアル コロナ セクション クライオスタットを使用にそれらをカットします
      7. Paxinos とワトソン 14 でアトラスによると電極先端の位置を特定するために cresylviolet のセクションを染色します

Representative Results

TWS テクニカル データ

無線システムでは、4 の独立した録音チャンネル、1 刺激チャンネルを提供しています。細胞活動が記録シングルコア電極によって拾われ、無線システムの高インピー ダンス信号入力に渡されます。記録された信号は AC 結合、差動入力プリアンプとバンドパス フィルター (固定信号帯域幅、500 Hz... 中古増幅 (x200)5 kHz) ため、本研究での主な関心はレコード単位の活動とないローカル フィールド電位、マルチ ユニット活動のみを記録します。統合されたプログラム可能なゲインの主なアンプは、4 チャンネルの録音 (x1、x2、x4、x8、x16、x32、x64) ソフトウェア可変利得を提供しています。X200, x400, x800, x1600, 3200, x の全体的なゲイン値を提供される無線システムの完全な信号チェーン x6400 と x12800。増幅、フィルタ リング後、アナログ信号はアナログ デジタル変換器によってデジタル化され、高周波キャリア変調、2.4 2.5 GHz ISM バンドを使用した無線機で送信。同じトランシーバーの種類は、伝送路の反対側に使用されました。この 2 番目のトランシーバーは、USB ポート経由でパソコンに接続されていた。伝送路は、信号増幅と動物にコンピューターから刺激の制御パラメーター コンピューターと逆の動物から細胞外記録された信号を送信する双方向データ伝送に使われました。

トーキョーワンダー サイトを使用して、マルチ ユニットの脳活動を記録し、下丘ラットはオープン フィールドで自由に移動しながら刺激することによって動物の動作を変更することは不可能だった。トランシーバー動物から 5 m までを置かれ、USB 経由でコンピューターに接続されていたポート (図 2を参照)。記録される信号の品質の比較、テザーとし無線システム、図 5に示します。トーキョーワンダー サイトは、有線録音システムとして同様の信号品質マルチ ユニットの活動を記録します。マイクロ刺激はトーキョーワンダー サイト ソフトウェアのパラメーターは刺激信号すなわち、リアルタイムで刺激パラメーターを更新する true 無線刺激はいくつかの頭の段階に接続された刺激電極に渡されます刺激ボタンを押すまでのミリ秒。したがって、ケージから出して、動物を取ることがなく刺激パラメーターを変更することが可能だった。この機能には、刺激の実験のための時間を最小限に抑えることができます 1 つ利点があります。

トーキョーワンダー サイトのソフトウェアは、1 つのグラフィカル ユーザー インターフェイス (図 3および図 4) を介して無線システム (録音や刺激など) のすべての機能の制御を許可するように特別設計されました。マイクロ-刺激、刺激信号を用いてトーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ユーザー インターフェイスを使用して開発されました。TWS の刺激は、電荷バランスの取れた定電流刺激モードで使用されました。刺激パターンは、ヘッド ステージの無線ユニットに統合された定電流刺激装置に無線で送られました。現在の刺激 (例えば本研究では下丘) 関心とトーキョーワンダー サイトの地面または参照電極として役立った大きい遠いカウンター電極のターゲットの配置作業電極間適用されました。刺激電極インピー ダンスおよび電圧定電流刺激装置のコンプライアンス、によって、本実験で必要になったくらいに低い電流のしきい値が ±625 μ A の最大刺激電流範囲を使用することが可能です。ここでは、バランスの取れた定電流刺激が 300 μ A までのピーク電流を併用した相性無料。相性刺激の場合最初のパルスが生理学的な効果を引き出すために使用される、2 番目のパルスは通常刺激パルス18の間に発生する電気化学的プロセスを反転させます。TWS ヘッド ステージ供給トーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ・ ユーザー インターフェイスを介して設定リアルタイム刺激パターン (図 4を参照)。

TWS ソフトウェアは 3 つの主なセクションに分かれています: (i) 刺激信号パラメーターと (iii) replayer ウィンドウを再生するためのすべての設定オプションで記録と刺激、(ii) 刺激発生器ウィンドウ コントロールでメイン ウィンドウ、記録されたデータ ファイル。メイン ウィンドウでは、最大 4 チャンネルの録音の記録された信号を表示、すべてのチャンネルのゲインを設定し、表示されている信号の記録を開始/停止することができます。信号データは、コンピューターのハード ディスク上のファイルに格納されます。ファイルのパスは、設定メニューで設定されます。録音パラメーター以外にもメイン ウィンドウは開始および刺激のプロセスを停止することができます。動物の脳に刺激電極を通過する現在の絶え間ない刺激がメイン ウィンドウの画面上でリアルタイムに表示されます。刺激信号のパラメーターは刺激パラメーター設定ウィンドウで調整済みです。モノラルまたは二相性の刺激パルス列を定義し、すべての一般的に使用される刺激のようにたとえばパルス幅、パルス振幅、パルス ・ パラメーターを設定するのには (詳細については図 4を参照) のパルス等の時間することが可能です。事前に選択されたパラメーター値に起因刺激パルス機能が刺激発生器ウィンドウのグラフィック表示で表示されます。

トーキョーワンダー サイトのソフトウェアは、ユーザビリティの側面に従って設計されました。ソフトウェアの使いやすさは、無線刺激/記録実験と安全で快適な作業環境の円滑な進行を保証する重要な要因です。また、実験の再現性を改善するために役立ちます。

単一ユニットの録音データと電気刺激

細胞外のマルチ ユニットの活動はトーキョーワンダー サイトと従来のつながれた記録システムを使用して同じ注入電極から下丘で連続して記録されました。動物はオープン フィールドで自由に動いていた中、両方のシステムを使用して記録された代表的な raw データを図 5に示します。信号の直接の比較では、同じようなスパイク波形と騒音レベル (図 5 a5 b) を示唆しています。スパイク フォームのデモは A に描かれている 'と B'。

以来、ラットでは、手術後とそれに続く日の間に TWS ヘッド ステージを削除しようとはしなかった、彼らの動きを著しく妨害しなかったし、不快感が発生するいないとしました。したがって、トーキョーワンダー サイトでは、ラットのテザーの録音に共通の問題だった除去など回避とコネクタおよびケーブルの咀嚼。確かに、ラット TWS ヘッド ステージはオープン フィールドを探索できたと迷路 (s プラスee 映画 1) 出展通常交差、飼育と行動をグルーミングします。

また、トーキョーワンダー サイトまたは従来のテザー システムで使用される刺激パラメーターが同じ行動結果を誘発、ここで逃避行。100 μ A から始まって、刺激電流振幅はステップバイ ステップで増加した - 最小電流の強さはランニングまたはジャンプを生産 - エスケープしきい値に達したし、避難行動が誘発されました。4 ラットの個々 のエスケープのしきい値は、両方のシステム (図 5) を使用する場合に似ていた。

Figure 1
図 1:TWS 電極ユニット(・ テトロード単一電極/記録 1)、(2) 刺激電極、電極 (3) 光ファイバー接続ボード、(4) 柔軟な接続ケーブル、(5) 接地線、(6) コネクタ基板、トーキョーワンダー サイト システム (A) の (7) オスかメス コネクタプリアンプ (8) と (9); ホルダーに接続されている TWS 電極ユニット(B) 固定フレーム (C) に接続する準備ができています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2: TWS ヘッド ステージの平面図は、アキュムレータ電源なしモジュール (A) を搭載しました。合計寸法: 高さ 12.5 m、奥行 24 mm (19.3 mm + 4.7 mm) 幅 22.1 mm、重量: 5.96 g. 下部表示 (B) 電極ユニット コネクタアキュムレータの電源、高さ 9 mm、奥行き 26 mm、幅 20 mm、重量 6 g (C);このテストに使用する TWS コンポーネントの概要: (1) 頭 (2) トランシーバー ユニットに接続して、コンピューターの USB ポート、TWS (3) ソフトウェア (D); animal´s プリントオンスカルミディアム マウント アキュムレータとのユニットのステージ自由に移動し、TWS ヘッド ステージを示すラットの写真は電極ユニット以前注入 (E) および模範的な記録された信号 (F) を示す TWS ソフトウェアに接続されています。TWS ヘッド ステージは、トーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ・ ユーザー インターフェイスを介して設定リアルタイム刺激パターンを提供します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3: トーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ユーザー インターフェイス、画面を記録します。下丘で注入した一つのバイポーラ記録電極と TWS の録画性能は、画面に描かれています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4: トーキョーワンダー サイト ソフトウェアのグラフィカル ユーザー インターフェイスです。刺激画面 (A) と (B) 刺激パラメーター仕様。パルス幅 (PxW)、パルス振幅 (PxA) などの刺激信号パラメーター (C) インター パルス遅延 (IPD)、パルス (TBP) 電車 (PPT) や電車 (TBT) 間の時間当たりのパルス間の時間は TWS ソフトウェア グラフィカル ユーザー インターフェイスを介して調整可能です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 5
図 5:マルチ ユニットの信号の品質比較は、TWS (A) と (B) 有線録音セットアップ細胞外記録されます。両方の録音は、下丘で注入した同じ TWS 電極ユニット (インピー ダンス 0.5MOhm) から得られました。軸の 2 つの記録電極接点間の距離は約 400 μ m だった。有線システムとトーキョーワンダー サイトの記録帯域が同一 (500 Hz.5 kHz)、(有線システム) 40 kHz と 32 kHz (TWS) サンプリングされた信号。両方のシステムでは、同様の信号品質マルチ ユニット活動を記録しました。発火率トーキョーワンダー サイトと有線の録音の間に明確な違いはありません。A の両方の録音からニューロンの活動電位波形が表示されます 'と B'。同様の刺激パラメーターが 4 ラット テザー システム (TS) を使用してエスケープしきい値に到達するために必要なまたは TWS (C)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Movie
映画 1:プラス迷路テスト中に通常の探索行動を示す模範的なラットトーキョーワンダー サイトでは、まだそれは小さなテスト装置をもつれさせて得ること、それは最小限しかタスク自体に干渉するので、十分に軽いワイヤーなしオープンとクローズの腕を入力する動物をことができます。してくださいここをクリックしてこのビデオを表示します。(右クリックしてダウンロード)

Discussion

ここでは、広くアクセス可能な記録と刺激の無線システムの動物を自由に移動で電気生理学的行動学的研究が発表されました。トーキョーワンダー サイトは、モデル構造として下の丘を使用して行動の実験で検証されています。TWS アプローチには、既存の機能をいくつかの利点があります。まず、システムを使用して、1 つのポータブル TWS 頭-ステージ プリアンプとワイヤレス操作距離 5 メートル第二に同じバッテリーで 1 時間まで安定した長期的な録音ができ、充電式バッテリー搭載、TWS ヘッド ステージは軽量・ コンパクト、バッテリを含め 12 グラムの重量を量る、ヘッドのステージを取り外して配線を噛むからネズミを防ぐために開発されました。それはよく animal´s 行動のレパートリーに影響を及ぼすので動物が容認され、トーキョーワンダー サイトなしヘッド ステージが認め、広範な行動のタスクに適用できるシステムを作るします。第三に、システムは、リアルタイムで送信します。第四に、同時双方向記録、神経活動の刺激を通じてシステムは特定の脳活性パターンと動作、欠点を克服するための因果関係を評価するための高度なツールを提供します逆回転防止システム。この機能は、通常正確な評価、監視、および長期的な行動実験中刺激パラメーターの調整を必要とする脳深部刺激療法の分野の特に貴重なメソッドをなります。最後に、統合の記録、刺激と従来の定位手術中に簡単に埋め込むことができる参照電極と慢性埋込型電極ユニットが開発されました。このような観点からトーキョーワンダー サイトは刺激および記録の実験の再現性を高める統合された無線システムです。トーキョーワンダー サイトの録音の質は市販の有線計測システムで得られた記録品質のようなことが示された (図 5参照)。

ラット下丘の電気刺激を引き出す明確な避難行動に環境課題11,12の誘発を恐れる反応を模倣したランニングまたはジャンプ、によって特徴付けられることを広く知られています。 13。この現象は下丘トーキョーワンダー サイトまたは伝統的なテザー システムを使用して刺激することによって本研究に誘導されました。TWS の刺激の有効性をテストするためにエスケープしきい値-最小電流の強さはランニングまたはジャンプを生産-は、両方のシステムを用いて比較した.TWS ヘッド ステージでラットが迅速に実行できる、典型的な避難行動表示動きの自由すなわちジャンプ、オープン フィールドの外に登山します。重要なは、エスケープのしきい値は、従来システムと比較して似ていた。一緒に、むしろ挑戦的なパラダイムは、それは手間のかからない方法で習得する TWS の弾力性をテストするため使用されました。

トーキョーワンダー サイトは、注入電極ユニットは慢性的な使用を可能にするので慢性電気刺激実験に適しています。トーキョーワンダー サイトでは、頻度と行動応答を引き出すために有効である現在の刺激の量を正確に検出する方法で非常に正確に刺激の現在のパラメーターを調整することができます。また、同じ動物は 3 日後に同じ電流のしきい値と刺激された、同じ目的の行動が誘発されました。これは通常同じ行動応答を引き出すために繰り返される刺激と増加刺激電流振幅が必要です、現在の刺激による刺激電極周囲の組織が破損していないことを示唆しています。

さらに、実験者は、グラフィカル ユーザー インターフェイスでそれらを変更したときに TWS マイクロ刺激が刺激パラメーターのリアルタイムを更新するため、実験の時間を大幅に削減することが可能です。19他の電気刺激は、刺激パラメーター更新を再プログラムする前臨床研究の必要性に使用されます。その場合は、デバイスをプログラミングして、プログラミング ユニットにケーブルを介して動物をテザリング。トーキョーワンダー サイトを使用する場合、これは必須ではありません。

最後に、バッテリーは、バッテリーの交換も簡単に 2 ピン マグネット コネクタを介してヘッド ステージへの電気的接続、TWS ヘッド ステージの上に固定されます。利点は、実験中にある動物にはるかに快適である注入電極ユニットからトーキョーワンダー サイト ヘッド ステージを切断せず、バッテリーを変更することが可能です。本研究中にバッテリの動作時間は 1 h だけを使用しました。実験 1 h よりも時間がかかっている場合に、利用可能な充電済みのバッテリーを持っていることをお勧めします。トーキョーワンダー サイトは、(i) 230 mA 1 h 操作時間または約 2.5 h 操作時間 (ii) 450 mA の容量で交換用充電式バッテリーに接続できます。電池の両方のタイプは、15 分で完全に充電できます。

要約すると、神経を刺激するように設計し、自由に小動物の行動から記録はトーキョーワンダー サイトの運営について検討しました。埋込型電極ユニット、ヘッド ステージ、受信機、ソフトウェアの完全に統合されたセットは、同様に提示されます。無線の録音と刺激の質は、テザーの記録より、快適な光と動物に安全であることの優位性を持つシステムであることに似ています。したがって、他のアプローチは困難または不可能だろうトーキョーワンダー サイトを使用して、それは動物の移動を制限せず、刺激や状況下で神経細胞記録を制御する柔軟な方法を提供するので、テザー システムを交換できます。したがって、TWS は、定義された神経回路でどのように電気的活動を調査するための重要なツールが行動、神経科学における基本的な問題のある特定の形態を生成することができます。

Disclosures

共著者 Uwe トーマスとトーマス ・ サシャ「トーマス記録 GmbH」本研究で使用される、このペーパーで説明した一般的な研究トピックに関連する製品を開発しているの所有者であります。また、共同著者 Dirk Hoehl は、「トーマス ・記録 GmbH」から収入を受け取ります。財政的には、このような状況、会社がこの研究に関連している自社の製品のマーケティングで成功した場合。本研究で使用される「トーマス ・記録する」機器は、行動神経科学、実験的および生物学的心理学 - 任意の料金なしマールブルク大学マールブルク部に捧げられました。

Acknowledgments

この作品は、ドイツ産業研究連合会から助成金研究によって支えられた (AiF; 許可番号: KF2780403JL3)。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 M1.2x5; 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.

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References

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ワイヤレス、 <em>In Vivo</em>記録そして自由行動下ラットにおける神経活動の刺激のための双方向インタ フェース
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Melo-Thomas, L., Engelhardt, K. A., Thomas, U., Hoehl, D., Thomas, S., Wöhr, M., Werner, B., Bremmer, F., Schwarting, R. K. W. A Wireless, Bidirectional Interface for In Vivo Recording and Stimulation of Neural Activity in Freely Behaving Rats. J. Vis. Exp. (129), e56299, doi:10.3791/56299 (2017).More

Melo-Thomas, L., Engelhardt, K. A., Thomas, U., Hoehl, D., Thomas, S., Wöhr, M., Werner, B., Bremmer, F., Schwarting, R. K. W. A Wireless, Bidirectional Interface for In Vivo Recording and Stimulation of Neural Activity in Freely Behaving Rats. J. Vis. Exp. (129), e56299, doi:10.3791/56299 (2017).

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