Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
alla protokoll och experiment var enligt de nuvarande europeiska riktlinjerna (2010/63/EU) och godkänts av de regionala myndigheterna (Regierungspräsidium Gießen, herr 20/35 Nr.25/2015).
1. djur
- hus manliga vuxna Wistar råttor (200-250 g) i grupper om 3-4 standard laboratorium villkor under minst en vecka före operationen att tillåta acklimatisering.
- Två dagar efter operationen, hus råttor parvis. Täcka enda burar med hög akryl lock. Undvika konventionella locken gjorda av metallgaller eftersom implantaten kan fastna, ökar risken att de blir skadade eller instabil över tid.
2. Stereotaktisk kirurgi
- innan operationen, organisera och förbereda följande utrustning och material:
- Hämta sterila kirurgiska utrustning bestående av steril sax, blunt-end pincett, spatlar, kirurgiska Clippers, dental borr och bomull knoppar.
- få droger och kemikalier inklusive isofluran, Xylocain, tramadol hydrochloride, dexpantenol ögat salve, 3% väteperoxid, povidon jod och 70% etanol.
- Erhålla fixering material inklusive rostfria skruvar, akrylharts, ultraviolett lim och cap protector.
- Erhålla en mikroelektrod enhet, bestående av (i) en inspelning enda elektrod (kvartexponeringsglas isolerade platina volfram mikroelektrod, med konisk form, yttre diameter: 80 µm, konisk spets, impedans vid 1 kHz: 500 kOhm) eller en tetrod (kvartexponeringsglas isolerade platinum/volfram 4 kärnor mikroelektrod, yttre diameter: 100 µm, konisk spets, impedans vid 1 kHz: 500-800 kOhm); (ii) en stimulering elektrod (platina/iridium tråd (90% platina, 10% iridium), core diameter 125µm, yttre diameter 150 µm, impedans < 10 kOhm) ansluten till en kontakt tallrik och (iii) en referenselektrod av platina tråd (axeldiameter, 100 µm; figur 1A).
- Skaffa elektrodhållare limmade med vattenlösligt lim till mikroelektrod enheten och testade för funktionalitet i minst 2 h i förväg ( figur 1B).
- Få en konventionell uppbundna system bestående av en differential förförstärkare, en viktigaste förstärkare och en bandpass filtrera förstärkare för inspelningar.
- Erhålla ytterligare material, såsom handskar, värme pad, sprutor och fysiologisk koksaltlösning.
- Få hem burar (L x b x H: 42 cm x 26 cm x 38 cm).
- Förfarande
Obs: elektroden implantation utförs under en konventionell stereotaktisk operation under isofluran anestesi.- Se till att experimenter bär handskar, kirurgisk mask och labbrock.
- Initiera anestesi att placera djuret i en induktion kammare (isofluran 4-5%, syre flöde 1 L/min, längd ~ 5 min).
- Test för förlust av reflexer (svans och tå reflexer) med pincett för att bekräfta djup anestesi.
- Placera huvudet av djuret i en anestesi mask fast runt övre framtand baren av stereotaktiska ramen och justera anestesi (isofluran 2-3%, syre flöde 0,7-0,8 L/min).
- Fixa och horisontellt anpassa djuret ' s huvud i den stereotaktiska apparaten använda örat barer och övre framtand baren
- Raka operationsområdet med kirurgisk clippers eller en sax och sterilisera med povidon jod.
- Placera djuret på en värmedyna att förhindra hypotermi och behandla ögon med dexpantenol ögat salve att hindra dem från uttorkning.
- Injicera Xylocain (0,3-0,4 mL subkutant, s.c.) i mitten av operationsområdet.
- Test för förlust av reflexer igen.
- Göra ett litet snitt (1,5 cm) med en skalpell i mitten av kirurgiska fältet att exponera skallen. Separera huden försiktigt och ta bort kvarvarande vävnad med pincett, sax och spatel.
- Rengör försiktigt skallen med väteperoxid-belagd bomullspinnar.
- 4-5 små hål (4,7 mm) i skallen för fixering av rostfritt stål skruvar.
- Ansluta mikroelektrod enhet/elektrodhållare till förförstärkare och bifoga till den stereotaktiska micromanipulator ( figur 1B och 1 C).
- Borra ett hål (ca 7 mm) i skallen ovanför målområdet med koordinater från en hjärna atlas enligt djuret används. I den aktuella studien, placera elektroden tips syftar till den sämre colliculus använder följande koordinater, med den bregma som tjänar som referens: främre/bakre, − 8,8 mm; medialt/lateralt, 1,5 mm; och dorsala/ventrala, 3,5 mm 14.
- Absorbera blod med bomullspinnar.
- Vertikalt införa mikroelektrod enheten tills elektrod tips når målområdet.
- Marken kabeln längs de rostfria skruvarna och under flå.
- Monitor spike aktivitet och noggrant justera elektrod position med micromanipulator tills de når en zon av aktiva nervceller i målstrukturen och upptäcka neural aktivitet med en signal-brus-förhållande som passar spike sortering.
- Fäst mikroelektrod apparaten i skallen med ultraviolett lim och täcka kontakt platta och skruvar med akrylharts.
- Injicera fysiologisk koksaltlösning (1 mL i.p.) och tramadol (25 mg/kg, s.c.) för att förhindra uttorkning och säkerställa postoperativ smärtlindring, respektive.
- Koppla från mikroelektrod enheten från elektrodhållare med en borste indränkt i vatten.
- Stop anestesi, ta försiktigt bort råtta från stereotaktiska ramen. Koppla förförstärkare från mikroelektrod affärsenhet
- Ansluta cap skydd på mikroelektrod enhet implanteras och koppla från det endast under de experimentella rutiner.
- Hålla djuren i par i hem-buren från den andra dagen efter operationen.
- Monitor djur dagligen för möjliga sårinfektion, kroppsvikt, hälsotillstånd och allmänna beteende under en period av 7 dagar efter operation. Efter denna återhämtningsperiod, utföra i vivo elektrofysiologi och beteendemässiga experiment.
Obs: Det kirurgiska ingreppet varar mellan 60-90 min. Under operation, svans flick reflexer måste övervakas kontinuerligt och narkos justeras om nödvändigt.
3. In Vivo Elektrofysiologi
- utrustning och förfarande
Obs: elektrofysiologiska inspelningar och stimulering utförs med TWS.- Erhåll en huvud scen med en integrerad förförstärkare och anslutna batteriet (fyra inspelning kanaler; analog inspelning indataområdet: 0-12 mV pk-pk; stimulering utdata: ±625 µA; L x b x H: 24 x 22 x 12 mm; Vikt: 6 g utan batteri, 12 g med batteri; batteri tid upp till 1 h). Detta huvud skede är lämplig att anslutas direkt till den implanterade mikroelektrod enheten via en miniatyr flerpolig kontakt ( figur 2).
- Skaffa ett batteri (lithium ion ackumulatorn, 3.7-4.2 V DC, 230 mAh, 27 mm x 20 mm x 6 mm, 1 h drifttid) monterad ovanpå huvudet scenen ( figur 2 c). Vid behov använder uppladdningsbart batteri med kapacitet på 450 mA för ca 2,5 h operationstid. Kontrollera att en grön tänds i huvudet scenen medan batteriet är ansluten till den.
- Skaffa en transceiver (mottagare-sändare) ansluten till en dator via standard USB-porten och tillåter trådlös operation för upp till 5 m ( figur 2E).
- Erhålla en persondator med TWS programvara för elektrisk stimulering och registrering av neural aktivitet ( figur 3 och figur 4 < / strong>).
- Få en tjudrad förförstärkare och en datainsamlingssystemet som används under operation (se punkt 2.1.5) för inspelningar, och en stimulans generator för stimulering, för att jämföra efficaciousness av TWS i vaken råttor en vecka efter operationen.
Obs: Elektrisk stimulering tillhandahålls och extracellulära aktivitet från enda nervceller är inspelade från samma implanterade mikroelektrod enheten med båda systemen. Parametrarna för stimulering (nuvarande intensitet, puls och frekvens) bör anpassas till varje djur enligt hjärnregionen riktade. I den aktuella studien, en 150-250 µA, 2500 Hz ström användes för att stimulera den sämre colliculus.
- Behavioral analyser
Obs: när ingen metall barriär introduceras mellan sändtagaren och den djura huvud, TWS är tillämplig på en bred uppsättning av beteendemässiga uppgifter. Som exemplariska beteendemässiga tester användes det i det öppna fältet för mätning av allmänna beteendemässiga verksamhet och på högstämt plus labyrint, en standard test för att bedöma ångest-liknande beteende i gnagare 15. En videokamera var placerad centralt över öppet fält och förhöjda plus labyrint för beteendemässiga inspelningar.- Före beteendemässiga testning, hantera varje djur på tre dagar (5 min varje dag). Innan varje hantering period Anslut huvud scenen med batteri till mikroelektrod enheten tidigare implanteras. Utför inte någon inspelning eller stimulering under hantering.
- Öppna fältet
- Placera råtta in i centrera av det öppna fältet (40 x 40 cm x 40 cm, rött ljus ~ 30 Lux) och gör det möjligt att utforska apparaten för minst 5 min under neurala inspelning.
- Bestämma tröskelvärdet escape - minsta strömstyrkan producerar kör eller hoppa. I den aktuella studien, levererar en högfrekvent 2500 Hz stimulering (puls bredd: 100 µs; puls intervall: 100 µs) till den sämre colliculus i 1 min intervall öka nuvarande intensiteten av 20-50 µA steg tills råttor visade fly beteende.
- Återvända råtta till dess buren, rengör det öppna fältet (0,1% ättiksyralösning) och torka den.
Obs: För att jämföra stimulering effekten av TWS med traditionella uppbundna systemet förfaranden som beskrivs ovan utfördes med hjälp av båda systemen.
- Förhöjda plus maze
Obs: plus-labyrinten används i dessa experiment var gjord av grå akryl och bestod av två öppna armar (50 cm lång x 10 cm bred) och två slutna armar (50 cm lång x 10 cm bred, med 40 cm höga murar) som sträckte sig från en central pla tform förhöjda 50 cm ovanför golvet 16.- Placera råtta in i centrera av de plus-labyrint vetter mot en öppen arm och gör det möjligt att fritt utforska apparaten under fortsatt inspelning under 5 min.
- Registrera antalet inträden i, och tid som tillbringas i öppna och slutna armar under 5 min.
- Returnera råttan att dess buren, ren (0,1% ättiksyra lösning) och torka labyrinten innan varje test.
- Perfusion och histologi
- söva råtta med xylazin/ketamin (150 mg/kg och 100 mg/kg, respektive; i.p.).
- Anslut enheten inopererade elektroden till stimulering kabeln och tillämpa elektrisk stimulering (nuvarande intensitet 50 µA, pulsbredd: 100 µs; puls intervall: 100 µs) under 90 s för att producera en liten lesion runt elektroden spetsen.
- Stimulering kabeln och BEGJUTA djuret genom vänster kammare med fysiologisk koksaltlösning följt av 200 mL 4% PARAFORMALDEHYD i 0,1 M natriumfosfat buffert, pH 7,3 (en detaljerad beskrivning finns i referens 17 ).
- Ta bort hjärnan och fördjupa det för 4 h i färska fixativ vid 4 ° C.
- Kontrollera temperaturen på huvudsakliga kryostatkammaren är vid -20 ° C.
- Frysa hjärnor på torris och skär dem i 50 µm seriell koronalt avsnitt använder en kryostaten.
- Stain avsnitten med cresylviolet för att lokalisera ståndpunkter elektrod tips, enligt atlas av Paxinos och Watson 14.
Representative Results
TWS tekniska data
Det trådlösa systemet erbjuder 4 oberoende inspelning kanaler och 1 stimulering kanal. Extracellulära aktivitet var plockas upp av inspelning borrkärna elektroden och passerade hög impedans signal ingång det trådlösa systemet. Inspelade signalen var pre förstärkta (x200) av en AC-tillsammans, differentiell ingående förförstärkare och bandpass filtreras (fast signal bandbredd, 500 Hz... 5 kHz) att registrera endast multi unit aktivitet, eftersom i den aktuella studien var den huvudsakliga intressen att postens förbandsverksamheten och inte lokala fältet potentialer. Integrerad programmerbar vinst main-förstärkaren erbjuder programvara-justerbar vinst för de fyra inspelning kanalerna (x1, x2, x4, x8, x16, x32, x64). Komplett signal kedjan av det trådlösa systemet erbjuds total vinst värden av x200, x400, x800, x1600, x 3200, x6400 och x12800. Efter förstärkning och filtrering, var den analoga signalen digitaliserade av en analog till digital omvandlare, moduleras på en hög frekvens bärare och överförs via en radiosändaren som använder 2,4-2,5 GHz ISM-bandet. Samma sändare typ användes på andra sidan av överföringsbanan. Denna andra sändtagaren var ansluten till en dator via en USB-port. Överföringsbanan användes för dubbelriktad dataöverföring för att skicka extracellulära inspelade signaler från djuret till datorn och vice versa kontrollparametrar för signal amplifiering och stimulans från datorn till djuret.
Använder TWS, var det möjligt att framgångsrikt spela in flera enheter hjärnaktivitet och ändra djurets beteende genom att stimulera de sämre colliculus medan råtta rörde sig fritt i det öppna fältet. Sändtagaren placerades upp till 5 m från djuret och var ansluten till datorn via en USB port (se figur 2). En jämförelse av de inspelade signal egenskaperna gav med den uppbundna och det trådlösa systemet demonstreras i figur 5. TWS records flera enheter aktiviteten med en liknande signalkvalitet som en fast inspelningssystem. Den micro-stimulatorn är en sann trådlösa stimulator som uppdaterar stimulering parametrar i realtid, dvs stimulering signalen, vars parametrar definieras med TWS programvaran överförs till stimulering elektroden är ansluten till huvudet scenen inom vissa millisekunder efter trycka knappen stimulering. Det var därför möjligt att ändra parametrarna stimulering utan att ta djuret ut ur buren. Denna funktion har fördelen att man kan minimera tiden för stimulering experiment.
En TWS programvara var utformad för att möjliggöra kontroll av alla funktioner i det trådlösa systemet (t.ex. inspelning och stimulering) via ett grafiskt användargränssnitt (figur 3 och figur 4). För mikro-stimulering, en stimulering signal användes som utvecklades med hjälp av det grafiska användargränssnittet av programvaran TWS. Stimulatorn av TWS användes i en balanserad konstant-ström stimulering laddningsläge. Stimulering mönstret skickades trådlöst till den konstant-ström stimulator integrerad i huvudet scenen trådlösa enheten. Stimulering nuvarande tillämpades mellan en arbetande mikroelektrod placeras i målet av intresse (för anföra som exempel den sämre colliculus i föreliggande studie) och en större avlägsen counter-elektrod som tjänade som grund eller referens elektroden av TWS. Beroende på stimulering elektrod impedans och spänning efterlevnad av den konstant-ström-stimulatorn är det möjligt att använda en maximal stimulering nuvarande utbud av ±625 µA, trots en mycket lägre nuvarande tröskel var nödvändigt i förevarande experimenten. Här, biphasic kostnad balanserad konstant-ström stimulering användes med toppströmmar upp till 300 μA. Vid bifasisk stimulering, första pulsen används för att framkalla den fysiologiska effekten och andra pulsen vänder vanligen elektrokemiska processer som sker under stimulering puls18. TWS huvud scenen levererar realtid stimulans mönster in via det grafiska användargränssnittet av TWS programvaran (se figur 4).
TWS programvaran är uppdelad i tre huvuddelar: en (i) huvudfönstret med kontroller för inspelning och stimulering, en fönstret generator för (ii) stimulus med alla inställningsalternativ för stimulering signal parametrar och ett III replayer fönster för att spela upp den inspelade datafiler. Huvudfönstret tillåter användaren att visa inspelade signalerar av upp till 4 inspelning kanaler, ställa in känsligheten för alla kanaler och startar/stoppar inspelning av signalerna som visas. Signal data lagras i en fil på datorn hårddisk. Filsökvägen är inställd i konfigurationsmenyn. Förutom inspelning parametrar tillåter huvudfönstret att starta och stoppa processen stimulering. Konstant stimulering nuvarande som leds genom stimulering elektroden i djurens hjärnan visas i realtid på skärmen huvudfönstret. Parametrarna för stimulering signalen är redan justerade i fönstret stimulans parameter inställningar. Det är möjligt att definiera mono- eller bifasisk stimulering puls tåg och Ställ alla vanliga stimulering puls parametrar som till exempel puls bredd, pulsamplitud, tid mellan pulser, etc. (för detaljer se figur 4). Stimulering pulsfunktionen som resulterar från de förvalda parametervärdena visas i en grafisk display i fönstret stimulering generator.
TWS programvaran har utformats enligt användbarhet aspekter. Användbarheten av programvaran är en viktig faktor att garantera smidig utveckling av trådlösa stimulering/inspelning experimentet och en säker och bekväm arbetsmiljö. Det hjälper också för att förbättra reproducerbarheten av experimentet.
Enstaka inspelning av data och elektrisk stimulering
Extracellulära multi förbandsverksamheten spelades successivt i den sämre colliculus från samma inopererade elektroden använder TWS och en konventionell uppbundna inspelningssystem. Figur 5 visar representativa rådata som spelats in med båda systemen medan djuret var fritt rörliga på ett öppet fält. Direkt jämförelse av signalerna som tyder på liknande spike vågformer och bullernivåer (figur 5A och 5B). En demonstration av spike form skildras i A 'och B'.
Eftersom råttorna inte försöka ta bort TWS huvud scenen efter operationen och under efterföljande dagar, antogs det att det hindrade inte betydligt deras rörelser och inte orsaka obehag. Således, genom att använda TWS, ett vanligt problem i uppbundna inspelningar av råttor var undvikas såsom avlägsnande och tugga av kontaktdon och kablar. Råttor med TWS huvud scenen var faktiskt kunna utforska det öppna fältet och plus labyrint (see film 1) uppvisar normala korsningar, uppfödning och grooming beteenden.
Dessutom de stimulering-parametrar som används med TWS eller konventionella uppbundna systemet framkallat samma beteende resultat, fly här beteende. Start från 100 µA, ökade stimulering aktuella amplituden steg tills tröskelvärdet escape - minsta strömstyrkan som producerar kör eller hoppa - nåddes och flykt beteende var framkallade. De enskilda fly tröskelvärdena för 4 råttor var liknande när du använder båda systemen (figur 5 c).
Figur 1: TWS mikroelektrod affärsenhet (1) inspelningen enda elektrod/tetrode, (2) stimulering elektrod, (3) elektrod fiber anslutning styrelse, (4) flexibel anslutningskablar, (5) jordledning, (6) anslutningskort, (7) manliga eller kvinnliga kontakt för TWS system (A). TWS mikroelektrod enhet ansluten till förförstärkare (8) och innehavaren (9). (B) redo att kopplas till en stereotaxic ram (C). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Ovanifrån av TWS huvud scenen monterad modul (A) utan ackumulator strömförsörjning. Totalt mått: höjd 12,5 m, djup 24 mm (19,3 mm + 4,7 mm), bredd 22,1 mm, vikt: 5.96 g. underifrån (B) visar elektrod apparatdosa; ackumulator strömförsörjning, höjd 9 mm, djup 26 mm, bredd 20 mm, vikt 6 g (C). en översikt över de TWS-komponenter som används för detta test: (1) huvud stage enhet med ackumulator monterade på skalle, animal´s, (2) sändtagare enhet ansluten till datorn USB port, (3) TWS programvara (D); Foto av en råtta fritt flytta och visar TWS huvud scenen anslutna till mikroelektrod enheten tidigare implanteras (E) och TWS programvara visar exemplariskt inspelade signaler (F). TWS huvud scenen levererar realtid stimulans mönster in via grafiska användargränssnittet av programvaran TWS. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: TWS programvara grafiskt användargränssnitt, inspelning skärmen. Inspelning prestanda för TWS med en enda bipolär inspelning elektrod, implanteras i den sämre colliculus, avbildas på skärmen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: TWS programvara grafiskt användargränssnitt. stimulering skärm (A) och stimulering parameterspecifikationer (B). Stimulering signal parametrar (C) såsom pulsbredd (PxW), pulsamplitud (PxA), bland puls fördröjning (IPD), tid mellan pulser (TBP), puls per tåg (PPT) och tid mellan tåg (TBT) är justerbara via TWS programvara grafiskt användargränssnitt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 : Kvalitativ jämförelse mellan en multi unit signal in extracellularly med TWS (A) och en fast inspelningen setup (B). Båda inspelningarna erhölls från samma TWS mikroelektrod enhet (impedans 0.5MOhm) implanteras i den sämre colliculus. Axiella avståndet mellan de två inspelning elektrod kontakterna var cirka 400 µm. Inspelning bandbredden för trådbundna systemet och TWS var identisk (500 Hz... 5 kHz), signaler var provtas med 40 kHz (trådbundet system) och 32 kHz (TWS). Båda systemen registreras flera förbandsverksamheten med en liknande signalkvalitet. Det finns ingen tydlig skillnad i bränning priser mellan TWS och fast inspelningar. Aktionspotential vågform av neuron från både inspelningar visas i A 'och B'. Liknande stimulering parametrar var nödvändiga för 4 råttor att nå fly tröskel med en tjudrad system (TS) eller TWS (C). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Movie 1: En exemplarisk råtta som uppvisar normala undersökande beteende under det plus labyrint-test TWS tillåter djuret att ange de öppna och slutna armarna utan sladdar att trassla upp i tester apparaten, men den är liten och lätt nog så att den stör endast minimalt i uppgiften själv. Vänligen klicka här för att se denna video. (Högerklicka för att ladda ner.)
Discussion
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.
Disclosures
De medförfattare Uwe Thomas och Sascha Thomas är ägare av ”Thomas RECORDING GmbH”, som utvecklar produkter används i denna studie och relaterade avsnittet allmänna forskning som beskrivs i detta dokument. Dessutom får de medförfattare Dirk Hoehl inkomster från ”Thomas RECORDING GmbH”. De kan ekonomiskt nytta denna omständighet om företaget är framgångsrikt marknadsföra sina produkter som är relaterade till denna forskning. ”Thomas” färdskrivaren används i denna studie var tillägnad Institutionen för Behavioral Neuroscience, experimentell och biologisk psykologi - Philipps-Universität Marburg utan kostnad.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av en grant forskning från den tyska federationen av industriell forskning föreningar (AiF; bevilja nummer: 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. |
References
- Rao, R. P., Mielke, F., Bobrov, E., Brecht, M. Vocalization-whisking coordination and multisensory integration of social signals in rat auditory cortex. Elife. 3, e03185 (2014).
- Tseng, W. T., Yen, C. T., Tsai, M. L. A bundled microwire array for long-term chronic single-unit recording in deep brain regions of behaving rats. J. Neurosci. Methods. 201 (2), 368-376 (2011).
- Ball, D., et al. Rodent scope: a user-configurable digital wireless telemetry system for freely behaving animals. PLoS One. 9 (2), e89949 (2014).
- Chien, C. N., Jaw, F. S. Miniature telemetry system for the recording of action and field potentials. J. Neurosci. Methods. 147 (1), 68-73 (2005).
- Hawley, E. S., Hargreaves, E. L., Kubie, J. L., Rivard, B., Muller, R. U. Telemetry system for reliable recording of action potentials from freely moving rats. Hippocampus. 12 (4), 505-513 (2002).
- Alam, M., Chen, X., Fernandez, E. A low-cost multichannel wireless neural stimulation system for freely roaming animals. J. Neural. Eng. 10 (6), 066010 (2013).
- Xu, S., Talwar, S. K., Hawley, E. S., Li, L., Chapin, J. K. A multi-channel telemetry system for brain microstimulation in freely roaming animals. J. Neurosci Methods. 133 (1-2), 57-63 (2004).
- Angotzi, G. N., Boi, F., Zordan, S., Bonfanti, A., Vato, A. A programmable closed-loop recording and stimulating wireless system for behaving small laboratory animals. Sci. Rep. 4, 5963 (2014).
- Ativanichayaphong, T., He, J. W., Hagains, C. E., Peng, Y. B., Chiao, J. C. A combined wireless neural stimulating and recording system for study of pain processing. J. Neurosci. Methods. 170 (1), 25-34 (2007).
- Ye, X., et al. A portable telemetry system for brain stimulation and neuronal activity recording in freely behaving small animals. J. Neurosci. Methods. 174 (2), 186-193 (2008).
- Brandão, M. L., Tomaz, C., Leão-Borges, P. C., Coimbra, N. C., Bagri, A. Defense reaction induced by microinjections of bicuculline into the inferior colliculus. Physiol Behav. 44, 361-365 (1988).
- Brandão, M. L., Melo, L. L., Cardoso, S. H. Mechanisms of defense in the inferior colliculus. Behav Brain Res. 58, 49-55 (1993).
- Melo, L. L., Cardoso, S. H., Brandão, M. L. Antiaversive action of benzodiazepines on escape behavior induced by electrical stimulation of the inferior colliculus. Physiol Behav. 51, 557-562 (1992).
- Paxinos, G., Watson, P. The rat brain in stereotaxic coordinates. , 3rd ed, Academic Press. San Diego, CA. (2007).
- Walf, A. A., Frye, C. A. The use of the elevated plus maze as an assay of anxiety-related behavior in rodents. Nat. Protoc. 2 (2), 322-328 (2007).
- Pellow, S., Chopin, P., File, S. E., Briley, M. Validation of open:closed arm entries in an elevated plus-maze as a measure of anxiety in the rat. J Neurosci Methods. 14, 149-167 (1985).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. J. Vis. Exp. (65), e3564 (2012).
- Merrill, D. R., Bikson, M., Jefferys, J. G. Electrical stimulation of excitable tissue: design of efficacious and safe protocols. J Neurosci Methods. 141, 171-198 (2005).
- Ewing, S. G., Porr, B., Riddell, J., Winter, C., Grace, A. A. SaBer DBS: A fully programmable, rechargeable, bilateral, charge-balanced preclinical microstimulator for long-term neural stimulation. J Neurosci Methods. 213, 228-235 (2013).
