Ein kabelloses, bidirektionale System für neuronale Mehrkanal-Aufnahmen und Stimulation in Ratten frei Verhalten wird eingeführt. Das System ist leicht und kompakt, so dass nur minimale Auswirkungen auf die Futtersorten Verhaltensrepertoire. Darüber hinaus bietet dieses bidirektionale System ein ausgefeiltes Instrument um kausale Zusammenhänge zwischen Aktivierungsmuster Gehirn und Verhalten zu beurteilen.
In Vivo Elektrophysiologie ist eine leistungsstarke Technik, die Beziehung zwischen Hirnaktivität und Verhalten bei einer Millisekunde und Mikrometer Skala zu untersuchen. Jedoch aktuelle Methoden meistens setzen auf befestigten Kabel Aufnahmen oder verwenden Sie nur unidirektionale Systeme, die entweder Aufnahme oder Stimulation der neuronalen Aktivität, aber nicht zur gleichen Zeit oder dasselbe Ziel. Hier ist eine neue drahtlose bidirektionale Gerät zur gleichzeitigen Mehrkanal-Aufnahme und Stimulation der neuronalen Aktivität in Ratten frei Verhalten beschrieben. Das System arbeitet über eine tragbare Kopf einstufig, die sowohl aufgezeichnete Aktivität übermittelt und in gezielt kann Echtzeit für Hirnstimulation mittels einer Telemetrie-basierte Multi-Channel-Software. Die Kopf Bühne verfügt über einen Vorverstärker und einen Akku, so dass stabile Langzeitaufzeichnungen oder Stimulation für bis zu 1 h vor allem, die Kopf Bühne ist kompakt, wiegt 12 g (inklusive Akku) und somit hat nur minimale Auswirkungen auf die Futtersorten Verhaltensrepertoire, macht die Methode für eine breite Reihe von Verhaltensstörungen Aufgaben. Darüber hinaus hat die Methode den großen Vorteil, dass die Wirkung von Hirnstimulation auf neuronale Aktivität und Verhalten gleichzeitig gemessen werden kann, bietet ein Werkzeug, um kausale Zusammenhänge zwischen bestimmten Gehirn Aktivierungsmuster und Verhalten zu beurteilen. Diese Funktion macht die Methode besonders wertvoll für den Bereich der tiefen Hirnstimulation, ermöglicht präzise Bewertung, Überwachung und Einstellung der Stimulationsparameter bei langfristigen Verhaltensexperimente. Die Anwendbarkeit des Systems wurde mit der minderwertigen Colliculus als eine Modellstruktur validiert.
Eine grundlegende Frage in den Neurowissenschaften ist wie elektrische Aktivität in definierte neuronale Schaltkreise erzeugt bestimmte Formen des Verhaltens. In Vivo Elektrophysiologie ist eine leistungsstarke Technik, diese Frage, bietet ein Tool zum aufzeichnen oder elektrischen Aktivität im Gehirn zu stimulieren, während Tiere bestimmte Verhaltensstörungen Aufgaben durchführen. Aktuelle Systeme setzen jedoch häufig auf befestigten Kabel Aufnahmen1,2, wahrscheinlich die Mobilität einschränken und volle Ausprägung der Futtersorten Verhaltensrepertoire zu verhindern. Darüber hinaus sind meist unidirektional Systeme verwendet, so dass entweder3,4,5 oder Stimulation6,,7 der neuronalen Aktivität aufzeichnen, aber nicht zum gleichen Zeitpunkt oder dasselbe Ziel, so dass es, schwer zu entwirren kausale Zusammenhänge zwischen bestimmten Gehirn Aktivierungsmuster und Verhalten. Nur ein paar Wireless, bidirektionale Systeme für in Vivo Vorbereitungen sind derzeit verfügbar. Sie sind jedoch in der Regel schwer (40-50 g) und bestehen aus zwei getrennten tragbaren Einheiten, d. h. ein Kopf Bühne und einem angeschlossenen Rucksack für Batterie-basierten Power Supply8,9,10, wodurch sie weniger flexibel und erhöht das Risiko von Kabel trennen z. B. bei der Pflege selbst Verhalten. Keines der oben genannten drahtlose Systeme bieten implantierbare Mikroelektrode Einheiten um ein integriertes Gesamtkonzept der neuronalen Aktivität während der vollen ethologically gültige Verhalten mit hoher Reproduzierbarkeit der Versuchsbedingungen zu erwerben.
Hier ist eine neue drahtlose, bidirektionale Geräte für in-Vivo -Aufnahmen und Stimulation der neuronalen Aktivität in Ratten frei Verhalten vorgestellt. Thomas-Wireless-System (TWS) verfügt über einen abnehmbaren Kopf einstufig, die Multi-Channel-Aktivität mit bis zu vier unabhängige Aufnahmekanäle übertragen kann und kann gezielt für elektrische Hirnstimulation in Echtzeit. Darüber hinaus wurde ein chronisch implantierbare Mikroelektrode Gerät kompatibel mit der TWS entwickelt, neuronale Stimulation und Aufnahme ermöglicht. Eine TWS Software grafische Benutzeroberfläche, für Aufnahme und Stimulation wird ebenfalls dargestellt. Diese Studie beschreibt die Validierung und in Vivo Umsetzung des gesamten Geräts.
Um das TWS-System validieren die minderwertigen Colliculus als Ziel neuronale Struktur gewählt, weil eine offene Verhaltensreaktion durch die elektrische Stimulation ausgelöst werden kann. Es ist allgemein bekannt, dass die elektrische Stimulation der minderwertigen Colliculus unbedingte “Angst-ähnliche” Verhaltensreaktionen bei Ratten, wie Wachheit, seitwärts Körperhaltungen, Wölbung des Rückens, Einfrieren und Flucht (Flug) Verhalten hervorruft. Diese Antwort-Muster imitiert Reaktionen hervorgerufen durch Umweltprobleme wie wahrgenommene schädigende Ereignis, Angriff oder Bedrohung zu überleben11,12,13zu befürchten. Es wurde angenommen, dass in der Lage, eine klare und eindeutige Verhalten hervorrufen eine echte Herausforderung für die TWS bieten würde.
Hier wurde ein leicht zugänglich Aufnahme und Stimulation Funksystem für elektrophysiologische und behavioral Studies in frei beweglichen Tieren vorgestellt. Die TWS ist in behavioral Assays mit minderwertigen Colliculus als eine Modellstruktur validiert worden. Die TWS-Ansatz hat mehrere Vorteile gegenüber bestehenden. Erstens das System verwendet eine tragbare TWS Kopf-einstufig mit einem Vorverstärker und einen Akku, so dass stabile Langzeitaufzeichnungen für bis zu 1 h mit der gleichen Batterie und drahtlosen Betrieb Abstand für bis zu 5 m. Zweitens ausgestattet, die TWS Kopf Bühne leicht und kompakt, mit einem Gewicht von 12 g inkl. Batterie, und wurde entwickelt, um zu verhindern, dass die Ratte vom Entfernen der Kopf Bühne und die Drähte zu kauen. Es wurde gut vertragen, von den Tieren da keine Auswirkungen auf die Futtersorten Verhaltensrepertoire mit und ohne die TWS Kopf Bühne wurde beobachtet, so dass das System für eine breite Reihe von Verhaltensstörungen Aufgaben. Drittens, überträgt das System in Echtzeit. Viertens durch gleichzeitige bidirektional Aufnahme und Anregung der neuronalen Aktivität bietet das System ein ausgefeiltes Instrument zur Beurteilung der kausale Zusammenhänge zwischen bestimmten Gehirn Aktivierungsmuster und Verhalten, damit die Mängel zu überwinden unidirektionale Systeme. Diese Funktion macht die Methode besonders wertvoll für den Bereich der tiefen Hirnstimulation, die präzise Bewertung, Überwachung und Einstellung der Stimulationsparameter bei langfristigen Verhaltensexperimente normalerweise erfordert. Schließlich entwickelte sich eine chronisch implantierbare Mikroelektrode Einheit mit integrierter Aufnahme, Stimulation und Bezugselektrode, die leicht während einer konventionellen stereotaktischen Operation implantiert werden kann. Unter diesem Gesichtspunkt ist die TWS ein integriertes Wireless-System erhöht die Reproduzierbarkeit der Experimente Stimulation und Aufnahme. Die Aufnahmequalität der TWS zeigte sich ähnlich wie die Aufnahme-Qualität mit einem im Handel erhältlichen kabelgebundenen Aufnahmesystem ergab sein (siehe Abbildung 5).
Es ist bekannt, dass die elektrische Stimulation von der minderwertigen Colliculus bei der Ratte klar Flucht Verhalten zeichnet sich entlockt durch laufen oder springen, das Reaktionen provozierten durch Umweltprobleme11,12fürchten nachahmt, 13. Dieses Verhalten wurde in der vorliegenden Studie induziert durch die Stimulierung der minderwertigen Colliculus mit der TWS oder das traditionelle System angebunden. Um die Wirksamkeit der Stimulation von der TWS zu testen, wurden die Flucht Schwellen – aktuelle Mindestintensität produziert, laufen oder springen – verglichen mit beiden Systemen. Ratten mit der TWS Kopf Bühne sind in der Lage, schnell zum laufen, springen und klettern aus dem Freiland, d.h. zeigen typische Flucht Verhalten mit mehr Bewegungsfreiheit. Wichtig ist, ähnelten die Flucht Schwellenwerte im Vergleich zum traditionellen System angebunden. Zusammen, war eine eher anspruchsvolle Paradigma verwendet, um die Widerstandsfähigkeit der TWS, testen, die es auf unkomplizierte Weise gemeistert.
Die TWS eignet sich auch für chronische Elektrostimulation Experimente, da das Mikroelektrode Gerät implantiert chronischem Gebrauch erlaubt. Die TWS ermöglicht die Anpassung der Stimulation aktuelle Parameter sehr genau in eine Möglichkeit, genau zu erfassen, die Häufigkeit und Menge der Reizstrom, die effektiv eine Verhaltensreaktion zu entlocken. Darüber hinaus das gleiche Tier wurde 3 Tage später mit der gleichen Stromschwelle stimuliert und die gleichen gewünschten Verhaltensreaktion ausgelöst wurde. Dies deutet darauf hin, dass das Gewebe um die Elektrodenspitze Stimulation durch den Reizstrom nicht, die erhöhte Stimulation aktuelle Amplituden mit wiederholten Stimulationen in der Regel beschädigt wurde erfordert um die gleichen Verhaltensreaktion zu entlocken.
Darüber hinaus ist es möglich, die experimentelle Zeit deutlich reduzieren, weil der TWS Mikro-Stimulator Stimulationsparameter in Echtzeit aktualisiert, wenn sie der Versuchsleiter in der grafischen Benutzeroberfläche ändert. Anderen elektrischen Stimulatoren19 verwendet für präklinische Forschungsbedarf für Stimulus Parameter Update neu programmiert werden. In diesen Fällen wird das Gerät von tethering das Tier über ein Kabel mit einem Programmiergerät programmiert. Dies ist nicht erforderlich, wenn die TWS verwenden.
Schließlich ist die Batterie der Spitze der TWS Kopf Bühne und elektrisch angeschlossen, der Kopf Bühne über einen zwei-Pins Magnet Stecker zum einfachen Austausch der Batterie befestigt. Der Vorteil ist, dass während des Tests es möglich ist, die Batterie zu ändern, ohne die implantierten Elektrodeneinheit, die viel bequemer, das Tier ist die TWS Kopf Bühne trennen. In der vorliegenden Studie verwendeten wir eine Batterie, deren Betriebszeit nur 1 h beträgt. Für den Fall, dass das Experiment länger als 1 Stunde dauert, empfiehlt es sich, eine zusätzliche Batterie zur Verfügung zu haben. Die TWS können an Ersatz-Akkus mit einer Kapazität von (i) 230 mA für 1 h Betriebszeit oder (Ii) 450 mA für ca. 2,5 h Betriebszeit angeschlossen werden. Beide Arten von Batterien können in 15 min vollständig aufgeladen werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen beschreibt die vorliegende Studie den Vorgang der TWS für neuronale Stimulation und Aufnahme von frei Verhalten Kleintiere. Eine vollständig integrierte Reihe von implantierbaren Mikroelektrode Einheit, Kopf Bühne, Empfänger und Software ist vorgestellt. Die Qualität der drahtlosen Aufnahme und Stimulation ist ähnlich der der gefesselte System den Vorteil des Seins, komfortabel, hell und sicher ist, das Tier aufnehmen. Daher kann TWS verwendet werden, die gefesselte System zu ersetzen, da es nicht das Tier Mobilität einschränkt und bietet eine flexible Methode zur Steuerung von Stimulation und neuronalen Aufnahme unter Umständen wo andere Ansätze schwierig oder unmöglich sein würde. TWS kann ein wichtiges Instrument zu untersuchen, wie elektrischen Aktivität in definierte neuronale Schaltkreise erzeugt bestimmte Formen des Verhaltens, eine grundlegende Frage in den Neurowissenschaften.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde unterstützt durch einen Zuschuss-Forschung aus der deutschen Föderation von industrieller Forschungsvereinigungen (AiF; Gewährungsnummer: 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. |