En trådløs, toveis system for flerkanals nevrale innspillinger og stimulering i fritt oppfører seg rotter er innført. Systemet er lett og kompakt, dermed har minimal innvirkning på animal´s opptreden repertoaret. Videre gir toveis systemet et avansert verktøy for å vurdere årsaksforhold mellom hjernen aktivisering mønstre og atferd.
I vivo elektrofysiologi er en kraftfull teknikk å undersøke forholdet mellom hjerneaktivitet og atferd på et millisekund og mikrometer skala. Men dagens metoder stole meste på bundet kabel opptak eller bare bruke enveis systemer, slik at opptaket eller stimulering av nevrale aktivitet, men ikke på samme tid eller samme mål. Her en ny trådløs, toveis enheten samtidig flerkanals innspillingen og stimulering av nevrale aktivitet i fritt oppfører seg rotter er beskrevet. Systemet opererer gjennom et enkelt bærbar hodet stadium som både overfører innspilte aktivitet og kan være målrettet i sanntid for hjernen stimulering bruke en telemetri-basert flerkanals programvare. Hodet scenen er utstyrt med en forforsterker og et oppladbart batteri, slik at stabil langvarige opptak eller stimulering for opptil 1 h. viktigere, hodet scenen er kompakt, veier 12 g (inkludert batteri) og dermed har minimal innvirkning på animal´s atferdsmessige repertoar, gjør metoden gjelder for et bredt spekter av atferdsmessige oppgaver. Videre har metoden den store fordelen at effekten av hjernen stimulering på neural aktivitet og oppførsel kan måles samtidig gi et verktøy for å vurdere årsaksforhold mellom spesifikke hjernens aktivisering mønstre og atferd. Denne funksjonen gjør metoden spesielt verdifull for feltet i dyp hjernestimulasjon, slik at presis vurdering, overvåking og justering av stimulering parametere under langsiktige atferdsmessige eksperimenter. Anvendelse av systemet er validert med dårligere colliculus som en modellen struktur.
Et grunnleggende spørsmål i nevrovitenskap er hvordan elektrisk aktivitet i definerte nevrale kretser genererer visse former for atferd. I vivo elektrofysiologi er en kraftfull teknikk for å løse dette spørsmålet, gir et verktøy for å registrere eller stimulere elektrisk aktivitet i hjernen mens dyr utfører visse atferdsmessige oppgaver. Men stole nåværende systemer ofte på bundet kabel opptak1,2, sannsynligvis begrense mobilitet og hindre hele uttrykket av animal´s opptreden repertoaret. Videre brukes mest enveis systemer, slik at enten inn3,4,5 eller stimulering6,7 nevrale aktivitet, men ikke på samme tid eller samme målet, gjør det vanskelig å greie årsaksforhold mellom spesifikke hjernens aktivisering mønstre og atferd. Bare noen få trådløs, toveis systemer for i vivo forberedelser er tilgjengelig. Men de er vanligvis tungt (40-50 g) og består av to separate bærbare enheter, dvs en hodet scene og tilkoblede ryggsekk for batteri-baserte power supply8,9,10, gjør dem mindre fleksibel og øke risikoen for kabel frakobling f.eks under selv-Stell atferd. Ingen av de nevnte trådløse systemene tilbyr implanterbare microelectrode enheter for å erverve en fullstendig integrert konseptet nevrale aktiviteten under ethologically gyldig virkemåten med høy reproduserbarhet av eksperimentelle forhold.
Her, er en ny trådløs, toveis enheten i vivo opptak og stimulering av nevrale aktivitet i fritt oppfører seg rotter innført. Thomas trådløst System (TWS) opererer gjennom et enkelt flyttbare hodet stadium som kan overføre flerkanals aktivitet med opptil fire uavhengig opptakskanaler og kan være målrettet for elektriske hjernen stimulering i sanntid. I tillegg ble en kronisk implanterbare microelectrode enhet som er kompatibel med TWS utviklet som gjør at både nevrale stimulering og opptak. En TWS programvare grafisk bruker grenseflate, for opptak og stimulering er også presentert. Denne studien beskriver validering og i vivo gjennomføringen av hele enheten.
For å validere TWS systemet ble de underlegne colliculus valgt som en mål nevrale struktur fordi et utilslørt atferdsdata svar brakt frem av sin elektrisk stimulering. Det er kjent at elektrisk stimulering av de dårligere colliculus utløser unconditioned “frykt-like” atferdsdata svar i rotter, som årvåkenhet, sidelengs positurer, arkitekten av baksiden, frysing og flukt (flight) atferd. Denne reaksjonsmønster etterligner reaksjoner på frykt vakte av miljøutfordringer, oppfattet skadelige hendelse, angrep eller trussel mot overlevelse11,12,13. Det ble antatt at kunne lokke fram slik klare og utvetydige oppførsel ville gi en virkelig utfordring å TWS.
Her, ble en allment tilgjengelige trådløse opptak og stimulering system for elektrofysiologiske og atferdsmessige studier i fritt flytte dyr presentert. TWS har blitt validert i atferdsdata analyser med dårligere colliculus som en modellen struktur. TWS tilnærmingen har flere fordeler sammenlignet med eksisterende. Først systemet bruker en enkelt bærbar TWS hodet-scenen en forforsterker og et oppladbart batteri, gir stabil langvarige opptak opptil 1t med samme batteri og trådløs operasjoner avstand for opptil 5 m. andre, TWS hodet scenen lett og kompakt, veier 12 g inkludert batteri, og ble utviklet for å hindre rotta fra fjerne hodet scenen og tygge ledningene. Det ble godt tolerert av dyrene siden ingen innvirkning på animal´s opptreden repertoaret med og uten TWS hodet scenen ble observert, gjør systemet gjelder for et bredt spekter av atferdsmessige oppgaver. For det tredje, sender systemet i sanntid. Fjerde gjennom samtidige toveis opptak og stimulering av nevrale aktivitet gir systemet et avansert verktøy for å vurdere årsaksforhold mellom spesifikke hjernens aktivisering mønstre og atferd, dermed overvinne manglene enveis systemer. Denne funksjonen gjør metoden spesielt verdifull for feltet i dyp hjernestimulasjon, som vanligvis krever nøyaktig vurdering, overvåking og justering av stimulering parametere under langsiktige atferdsmessige eksperimenter. Til slutt, en kronisk implanterbare microelectrode enhet ble utviklet med integrert opptak, stimulering og referanse elektrode som lett kan bli implantert i en konvensjonell stereotaxic kirurgi. Fra dette synspunkt er TWS et integrert trådløst system som øker reproduserbarhet stimulering og opptak eksperimenter. Innspillingskvaliteten er av TWS viste seg å være lik innspillingskvaliteten er gitt med en kommersielt tilgjengelig kablet innspillingssystem (se figur 5).
Det er allment kjent at elektrisk stimulering av de dårligere colliculus i rotte utløser klart escape atferd preget av kjører eller hopping, som etterligner reaksjoner på frykt fremkalte av miljøutfordringer11,12, 13. Dette ble indusert studien ved å stimulere den underlegne colliculus TWS eller tradisjonell bundet systemet. For å teste stimulering effekten av TWS, ble flukt tersklene-minimum gjeldende intensitet produsere kjører eller hoppe-sammenlignet med begge systemene. Rotter med TWS hodet scenen kan kjøre raskt, hoppe og klatre ut av feltet åpen, viser dvs typisk escape atferden, med større bevegelsesfrihet. Viktigere, var rømme grensene lik sammenlignet med tradisjonelle bundet system. Sammen, ble en ganske utfordrende paradigme brukt til å teste elastisitet av TWS, som det mestret på en problemfri måte.
TWS er også egnet for kronisk elektrisk stimulering eksperimenter siden microelectrode enheten implantert tillater kronisk bruk. TWS kan justere parameterne stimulering gjeldende meget presist på en måte å nøyaktig oppdage hyppighet og mengde stimulering gjeldende som er effektive for å lokke fram en behavioral respons. I tillegg det samme dyr ble stimulert med samme gjeldende terskelen 3 dager senere og det samme ønskede opptreden svaret var elicited. Dette tyder på at vevet rundt stimulering elektrode spissen ikke ble skadet av stimulering gjeldende som vanligvis krever økt stimulering gjeldende amplituder med gjentatte stimulations for å lokke fram de samme atferdsmessige respons.
Videre er det mulig å redusere eksperimentelle tiden fordi TWS mikro-stimulator oppdaterer stimulering parametere i sanntid når eksperimentator endres dem i det grafiske brukergrensesnittet. Andre elektro stimulators19 brukt i preklinisk forskning trenger for å omprogrammeres stimulans parameteren oppdateringen. I disse tilfellene, er enheten programmert av tethering dyret via kabel til en programmeringsenhet. Dette er ikke nødvendig når du bruker TWS.
Til slutt, batteriet er festet til toppen av TWS hodet scenen og elektrisk koblet til hodet scenen via en to-pins magnet-kontakt for enkel utveksling av batteriet. Fordelen er at under eksperimentet er det mulig å endre batteriet uten å koble TWS hodet scenen fra implantert elektrode enheten, som er mye mer behagelig til dyret. Under studien brukte vi et batteri som operasjonen er bare 1 h. I tilfelle eksperimentet tar lengre tid enn 1t, anbefales det å ha et ekstra batteri. TWS kan kobles til oppladbare batterier med kapasitet på (i) 230 mA for 1t operasjonstid eller (ii) 450 mA for ca 2,5 t operasjonstid. Begge typer batterier kan lades fullt i 15 minutter.
Oppsummert beskriver studien driften av TWS designet for nevrale stimulering og opptak fra fritt oppfører seg liten dyrene. En fullstendig integrert sett av implanterbare microelectrode enhet, hodet scenen, mottaker og presenteres også. Kvaliteten på trådløse opptak og stimulering er lik at av de bundet innspilling system med fordelen av å være mer komfortabel, lett og trygt å dyret. Derfor kan TWS brukes til å erstatte bundet systemet siden det begrenser ikke dyrets mobilitet og gir en fleksibel metode for å kontrollere stimulering og nevrale opptak under omstendigheter hvor andre tilnærminger ville være vanskelig eller umulig. TWS kan derfor være et viktig verktøy for å undersøke hvordan elektrisk aktivitet i definerte nevrale kretser genererer visse former for atferd, et grunnleggende spørsmål i nevrovitenskap.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av en bevilgning forskning fra tysk føderasjonen av industriell forskning foreninger (AiF, gi nummer: KF2780403JL3).
Thomas Wireless System (TWS) version 2.0 | Thomas RECORDING GmbH | AN001165 | The Thomas Wireless System (TWS) version 2.0 is a portable multichannel telemetry system with laptop computer, a preinstalled Microsoft Windows operating system and TWS control software. The TWS includes: low noise 4 channel pre– and programmable main amplifier with fixed bandwidth, single channel constant–current stimulator for application of biphasic current pulses, software programmable micro stimulator, implantable connector system and a basic head stage unit for mounting to an animal. The system is delivered with a transceiver with USB port connection for laptops or desktop personal computers, the control software running under Microsoft operating system Windows. The TWS system can be used for extracellular neural stimulation and recording in freely behaving small animals (e.g. rats, guinea pigs). This system can be adapted to be used in larger animals (e.g. primates) as well. |
Software for Thomas Wireless System (TWS) | Thomas RECORDING GmbH | inlcuded in AN001165 | The software for the Thomas wireless system is running under Microsoft Windows operating system and provides the graphical user interface (GUI) for the Thomas Wireless System (TWS). The TWS GUI offers complete control of the TWS functions 4 channel recording and 1 channel stimulation. |
Implantable tetrode for recording (4 channels) and stimulation (single channel) | Thomas RECORDING GmbH | AN001132 | Implantable tetrode for recording (4 channels) and stimulation (single channel) for use with Thomas Wireless Systems (TWS). Recording tetrode specifications: tetrode fiber material: quartz glass insulated platinum tungsten fiber, tetrode fiber outer diameter: 100µm, tip shape D, impedance 0.5-0.8MOHm; Reference electrode: tip shape: D; Impedance: 300-500kOhm; Material: quartzglass insulated platinum/tungsten; Stimulation electrode specification: fiber material: platinum/iridium, diameter: 125µm, lacquer insulated, tip shape : D, impedance: < 10kOhm, dimensions of the electrode can be specified by the end user |
Implantable microelectrode for recording (single channel) and stimulation (single channel) | Thomas RECORDING GmbH | AN001118 | Implantable microelectrode for recording (single channel) and stimulation (single channel) for use with Thomas Wireless Systems (TWS). Recording electrode specifications: electrode fiber material: quartz glass insulated platinum tungsten fiber, electrode fiber outer diameter: 80µm/250µm (please specify), tip shape D, impedance 0.5-0.8MOHm; Reference electrode: tip shape: D; Impedance. 300-500kOhm; Material: quartzglass insulated platinum/tungsten; Stimulation electrode specification: fiber material: platinum/iridium, diameter: 125µm, lacquer insulated, tip shape : D, impedance: < 10kOhm |
Holder for electrode implantation | Thomas RECORDING GmbH | AN000838 | Special bent metal rod for microelectrode implantation for standard electrode holders. The rod is used to hold an implantable electrode. The implantable electrode is fixed to the rod with special Thomas RECORDING water soluable glue (AN001080). (Electrode holder is not included) |
Replacement accumulator power supply for the Thomas Wireless System (3,7V/230mAh) | Thomas RECORDING GmbH | AN001208 | Replacement rechargeable battery (accumulator) for Thomas Wireless System with a capacity of 230mA for approximately 1h operation time. (size: 27mm x 20mm x 6mm, weight app. 6g) |
Replacement accumulator power supply for the Thomas Wireless System (3,7V/450mAh) | Thomas RECORDING GmbH | AN001209 | Replacement rechargeable battery (accumulator) for Thomas Wireless System with a capacity of 450mA for more than 1h operation time. (size: 48mm x 30mm x 4mm, weight app. 11g) |
Accumulator charger for Thomas Wireless System (TWS) rechargable accumulator | Thomas RECORDING GmbH | AN001207 | Mains powered charger for the Thomas Wirless System (TWS) rechargable accumulators (AN001209 and AN001209) |
Water soluble glue | Thomas RECORDING GmbH | AN001080 | Thomas RECORDING water soluble electrode glue is a specially selected product for use with implantable microelectrodes in neuroscientific research. Its unique properties ensure a rigid connection between electrode and mounting device although it is easily removable with warm water. The Thomas RECORDING water soluble electrode glue can be used out-of-the-box, without any time consuming preparation. Thomas RECORDING water soluble electrode glue is not harmful to humans, animals or the environment. Quantity: 1 box of 10 gramms |
Miniature differential preamplifier | Thomas RECORDING GmbH | AN000329 | The Miniature Differential Pre-Amplifier, Model MDPA-2 is a 2-channel, differential input preamplifier that is designed for low noise recordings from excitable tissue. It is intended for extracellular recording in conjunction with the implantation of implantable microelectrodes for freely moving animal appliactions with the Thomas Wireless System (TWS). The 2-Channel Miniature Differential Preamplifier (MDPA-2) is connected to the implantable microelectrodes for providing the initial tenfold amplification stage. Ideally Thomas RECORDING quartz glass insulated platinum/tungsten electrodes are used to yield optimal recording results with high signal amplitudes and low noise levels. The MDPA-2 has additional common ground and reference electrode inputs. |
Connection cable | Thomas RECORDING GmbH | AN000330 | Connection cable to connect the Thomas Miniature differential preamplifier (MDPA-2) to a main amplifier and an accumulator power supply. |
Rechargeable power supply for the miniature preamplifier | Thomas RECORDING GmbH | AN000328 | Rechargeable accumulator power supply for the Miniature differential preamplifier (MDPA-2). |
Accumulator charger (US) | Thomas RECORDING GmbH | AN000167 | Accumulator charger for the power supply AN000328 (US mains power outlet conenctor) |
Accumulator charger (EU) | Thomas RECORDING GmbH | AN000168 | Accumulator charger for the power supply AN000328 (EU mains power outlet connector) |
Differential preamplifier/main amplifier/bandpass filter | Thomas RECORDING GmbH | AN000677 | TREC AC Main Amplifier (LabAmp-03) is a single-channel, differential main amplifier for neurophysiological applications (e.g. extracellular recording with microelectrodes). This Instrument is designed to work with the miniature Differential Pre-Amplifier, Model MDPA-2. The single channel of the LabAmp-03 contains a high-gain, low-noise differential amplifier stage followed by low frequency and high-frequency filters. The amplifier has two different filter amplifiers, a single unit activity (SUA) filter –amplifier and a local field potential (LFP) filter amplifier, both are connected parallel in the signal path. Record Mode offers two levels of signal gain (x10, x100) in a first stage and 4 additional levels (x5, x10, x25 and x50) in a final amplifier stage. Each amplifier has different bandpass characteristics for single unit activity (SUA) 500Hz…20kHz and local field potentials (LFP) 0,1Hz…140Hz. An audio monitor and a window discriminator is integrated in the device. The LabAmp-03 has an integrated audio monitor with loudspeaker. This unit provides audio reproduction of electrophysiological signals. The unit combines an audio amplifier in a compact, rugged package. This is especially suited to monitoring neural firing and muscle contractions. The audio monitor input is internally connected to the SUA-Filter amplifier output. The LabAmp-03 is delivered with external power supply for a mains power operation voltage range of 100-240V AC/50-60Hz. |
USB Oscilloscope | Thomas RECORDING GmbH | AN001096 | USB PC Oszilloskop, 2 Kanal. This 2-channel PC oscilloscope is perfect suitable for mobile use on a laptop and permanent installation in control cabinets, industrial equipment and many other applications where a small, lightweight and powerful oscilloscope is required. This oscilloscope is connected to the signal output of the main amplifier is for display of recorded extracellular activity during the implanation of the implantable microelectrodes for the Thomas Wireless System (TWS). The user can acquire the measurement data over the several data-interfaces directly on the PC with includes PC software. |
Stimulus generator | Multichannel Systems | STG3008-FA | Stimulus Generator for Current (STG) and Voltage Driven Stimulation fulfill three functions: current driven stimulation, voltage driven stimulation, controlling and timing. The STG is available with 2, 4 or 8 independet output channels. Featuring integrated isolation units for each output channel, the STG is able to provide any arbitrary waveform. |
Cap protector for the electrode | Thomas RECORDING GmbH | AN001193 | Protective cap for implantable electrode unit for the Thomas Wireless System |
Surgical equipment | Scissors, blunt-end forceps, spatulas, surgical clippers, dental drill, and cotton buds | ||
Drugs and chemicals | Isoflurane, xylocaine, tramadol hydrochloride (Tramadol-CT, AbZ-Pharma GmbH, Ulm, Germany), dexpantenol eye salve (Bepanthen, Bayer AG, Leverkusen, Germany), 3% hydrogen peroxide, povidone-Iodine (Betaisodona, Mundipharma GmbH, Limburg, Germany) and 70% ethanol; | ||
Fixation material including | Stainless steel screws (BN650 M1.2×5; 4.7 mm ), acrylic resin (Paladur, Heraeus Holding GmbH, Hanau, Germany), ultraviolet glue (Cyberbond U3300, Cyberbond Europe GmbH, Germany) and cap protector (Thomas Recording GmbH, Giessen, Germany); | ||
Additional material | Gloves, heating pad, syringes, and physiological saline. | ||
Small Animal Stereotaxic Instrument (SASI) | Thomas RECORDING GmbH | AN000287 | The model should be chosen according to the animal (rat, guinea pig, monkeys, etc) used in the study |
Video camera | EverFocus | EverFocus, model: EQ150 | |
Open field | Made of transparent or gray acrylic, having round shape measuring 40x40x40cm | ||
Elevated plus maze | Made of gray acrylic and consisted of two open arms (50 cm long x 10 cm wide) and two closed arms (50 cm long x 10 cm wide, with 40 cm high walls) that extended from a central platform elevated 50 cm above the floor. |