在这里,我们介绍了一种轻便、经济高效的探针植入系统,用于啮齿动物的慢性电生理学,该系统针对易用性、探针恢复、实验多功能性和行为兼容性进行了优化。
啮齿动物的慢性电生理记录显着提高了我们对神经元动力学及其行为相关性的理解。然而,目前的长期植入探针方法在成本、易用性、尺寸、适应性和长期稳定性之间存在巨大的权衡。
该协议为小鼠引入了一种新型慢性探针植入系统,称为 DREAM(动态、可恢复、经济、适应性和模块化),旨在克服与当前可用选项相关的权衡。该系统提供了一种轻量级、模块化且经济高效的解决方案,具有标准化硬件元件,这些硬件元件可以在简单的步骤中组合和植入,并安全地取出以进行探针的回收和多次重复使用,从而显著降低实验成本。
DREAM 植入系统集成了三个硬件模块:(1) 一个可以携带所有标准硅探针的微型驱动器,允许实验者在长达 7 mm 的行程距离内调整记录深度;(2) 用于覆盖铜网的可穿戴法拉第笼的三维 (3D) 可打印开源设计,用于电气屏蔽、冲击保护和连接器放置,以及 (3) 用于改善动物福利和易用性的小型化头部固定系统。相应的手术方案针对速度(总持续时间:2 小时)、探针安全性和动物福利进行了优化。
植入物对动物的行为库影响最小,易于适用于自由移动和头部固定的环境,并在植入后数周的数据收集中提供清晰可识别的尖峰波形和健康的神经元反应。感染和其他手术并发症极为罕见。
因此,DREAM 植入系统是一种多功能、经济高效的小鼠慢性电生理解决方案,可增强动物健康状况,并实现更合理的行为学实验。它的设计简化了满足各种研究需求的实验程序,增加了啮齿动物慢性电生理学在广泛研究实验室中的可及性。
由于慢性植入硅探针的遗传和实验易处理性,使用慢性植入硅探针的电生理学已成为研究行为动物(尤其是小鼠)神经活动和连接的强大技术1。特别是层状硅探针,已被证明是一种非常有价值的工具,可用于识别皮质柱内的功能关系2 ,并以以前不可能的方式将大型神经元群的动力学与行为联系起来3。
两种互补方法是目前记录体内神经活动的金标准:双光子显微镜 4,5 和细胞外电生理学6。记录方法的选择限制了可以获得的读数的性质:双光子显微镜特别适合于对不同时间的大量群体中可单独识别的神经元进行纵向研究,但设备成本高,并且仅限于完整大脑皮层的表层。此外,~30 Hz 的典型时间分辨率限制了其捕获正在进行的神经元动力学的能力 7,8。
相比之下,电生理记录提供高时间分辨率(高达 40 kHz)来跟踪每时每刻的神经元活动,可以广泛应用于跨物种以及跨皮层深度,并且与双光子显微镜相比,设置成本相对较低。然而,单个神经元的识别以及神经元群的纵向跟踪很难实现。这尤其适用于电极丝,例如四极管和急性电极插入。除了缺乏在记录会话中跟踪神经元的能力9 之外,反复的急性插入还会导致局部创伤10 产生免疫反应11,从而增加感染和神经胶质增生的机会。这最终降低了记录的神经元活动的稳定性和实验动物的预期寿命,将以急性电生理记录为特色的纵向研究的范围限制在仅几天内12。
慢性高密度硅探针记录旨在结合急性电生理学和双光子成像的一些最佳属性。与双光子成像相比,它们可以跟踪跨会话的神经种群动态,但识别单个神经元的能力仅略有降低13。这些记录在记录信号的空间放置和精确的时间分辨率方面提供了高度的灵活性,并且与急性记录相比,提高了实验动物的寿命和健康状况14。此外,与急性记录相比,慢性电生理学只需要一次植入事件,有效降低了感染和组织损伤的风险,并最大限度地减少了对动物的压力15。总的来说,这些优势使慢性电生理学成为研究神经系统组织和功能的有力工具。
然而,常用的小鼠慢性植入技术限制了研究人员在与行为记录的兼容性、植入物重量、植入物的可复制性、财务成本和整体易用性之间做出重大权衡。许多植入方案并非旨在促进探针16 的重复使用,这大大提高了单个实验的有效成本,从而使一些实验室在经济上难以使用慢性电生理学。它们通常还需要大量的内部原型制作和设计工作,而这些工作可能没有专业知识和资源。
另一方面,集成植入系统17 为啮齿动物的慢性电生理学提供了更广泛可用的解决方案。这些系统旨在将固定探头的微型驱动器与植入物的其余部分集成在一起,以简化植入物处理和外科手术。然而,一旦植入,这种系统可能会头重脚轻,并限制实验者灵活地使实验适应不同目标坐标的能力。通常,它们的体重会妨碍在较小的动物中植入植入物,可能会损害动物的运动并引起压力18。这可能会不成比例地影响对青少年和女性队列的研究,因为体重限制更有可能影响这些群体。
此外,并非所有集成系统都允许在植入后调整电极位置。这是相关的,因为由于探针插入19 引起的神经胶质增生或瘢痕形成,尤其是在植入20 后的最初 48 小时内,会降低记录的神经元活动的质量。对探头插入深度的微调可以限制对信号完整性的负面影响。因此,微定位机制(通常称为微驱动器)即使在其长度上分布有大量电极的探针中也是有益的。
为了克服这种权衡,我们为小鼠引入了一种新型慢性电生理植入系统,该系统通过提供轻便、经济高效和模块化的解决方案来解决以前设计的局限性。DREAM 植入系统的设计重量不到小鼠正常体重的 10% (~2.1 g),可确保动物福利和对行为的影响最小。对 DREAM 植入物设计的验证表明,对行为关键指标(例如运动)的影响最小 – 当负载施加在颅骨上时,运动可能会对啮齿动物产生显着影响。这可以通过提高动物福祉并允许更合理的动物行为学实验,使利用自由移动和头部固定的动物的实验范式受益。
该系统包括一个微型驱动器,可灵活调整高达 7 mm 的记录深度,并可适应不同类型的探针和记录设备,为研究人员提供适用于各种实验应用的经济高效且用途广泛的工具。该系统通常与金属微型驱动器21 结合使用,与其他系统相比,它可以提供一致的探针回收率(预期平均回收率:每个探针大约可靠重复使用 3 次),并大大降低了单个实验的成本。
该设计采用 3D 打印的保护法拉第笼,可提供廉价而坚固的保护,防止电生理噪声、机械冲击和传染性材料,从而实现稳定且无噪声的记录,感染率最低。这种植入式笼子由所谓的“冠”和冠环组成,前者设计用于冲击保护并为法拉第笼的导电金属网涂层提供结构,后者用作植入式放大器和/或探针连接器的支架(见 图 1)。
最后,模块化种植体系统中包含的头板旨在与新颖、高效的头部固定系统兼容,而不会增加种植体的体积。与其他现有系统相比,它不需要在靠近植入物的地方拧紧小螺钉,加快了小鼠在实验装置中的固定,并改善了实验者与动物的关系,以及行为依从性。同时,头板用作构建 DREAM 慢性电生理系统其他模块的基础。
DREAM 植入物的设计文件在 https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ 上作为开源硬件发布。在以下部分中,将描述 DREAM 植入系统的设计和制造,演示其在小鼠模型中的成功实施,并讨论与现有系统相比其潜在应用和优势。
本手稿提出了一种快速、安全和标准化探针植入的方案,该方案还允许在实验结束时恢复和重复使用探针。该方法利用了植入物组件的模块化系统,特别是与所有常见硅探针和记录系统兼容的微型驱动器、可用于头部固定行为实验的头板以及用于保护植入物的可穿戴法拉第笼。该星座允许用户灵活地使他们的植入物适应不同的实验范式,例如头部固定与自由移动行为或植入物小型化(无法拉第笼)与增加的长期信号稳健性(使用法拉第笼)——而不必在此过程中牺牲植入物的标准化。
这种方法使慢性电生理记录更加标准化(通过不需要手工组装的预制元件)、成本更低(通过探针恢复)、更耗时(通过简化手术步骤),并且更容易与动物福利和行为兼容(通过减小植入物尺寸和无压力头部固定)。因此,该协议旨在使行为啮齿动物的电生理植入物可供该领域前沿的开创性实验室以外的更广泛的研究人员实现。
为了实现这一目标,此处介绍的协议最大限度地减少了微驱动器植入物的几个通常同样关键的方面之间的权衡,即灵活性、模块化、易于植入、稳定性、总体成本、与行为的兼容性和探针可重用性。目前,可用的方法通常在某些方面表现出色,但其他功能的成本很高。例如,对于需要长时间绝对植入物稳定性的用例,最好的植入物方法可能是直接将探针粘接到颅骨上 25。然而,这也阻止了探针的重复使用,以及在记录质量差的情况下重新定位记录位点,并且与标准化的植入物放置不兼容。同样,虽然 AMIE 驱动器为探针的可恢复植入提供了一种轻量级、低成本的解决方案,但它仅限于单个探针,并且在目标坐标的放置方面受到限制17。在光谱的另一端,一些市售的纳米驱动器(见 表 116、17、21、26、27、28、29、30)非常小,可以自由放置在头骨上,并最大限度地提高可以植入单个动物的探针数量16.然而,与其他解决方案相比,它们价格昂贵,需要实验人员具备高超的技能才能成功进行植入手术,并且禁止重复使用探针。由 Vöröslakos 等人开发的微型驱动器21,其轻量级版本也是该协议的一部分,它牺牲了小的植入物尺寸,以获得更好的易用性、更低的价格和探针的可重用性
表 1:啮齿动物慢性探针植入的流行策略比较。可用性:微驱动器是开源的(供研究人员自行构建)、市售的,还是两者兼而有之。 模块化:集成系统由一个或几个彼此固定关系的组件组成,而模块化系统允许在植入物生产后(例如,在手术时)相对于保护装置(头齿轮/法拉第笼)自由放置探头/微驱动器。模块化是根据所列植入物的已发布信息或植入方案确定的。 头部固定装置: 是: 植入物在其设计中集成了头部固定机制, X: 植入物留出空间来添加额外的头部板进行固定,没有大问题, 否: 植入物的设计可能会产生空间问题或需要对设计进行大量修改才能用于头部固定。 探针放置: 受限:探针位置在植入物设计阶段受到限制。 灵活: 即使在手术过程中也可以调整探头位置。 Number of probes:可以植入的探针数量。请注意,在小鼠上植入 >2 探针确实会带来重大挑战,这与所选的植入系统无关。 探针可重用性:是的,如果探针理论上可以重复使用。 重量/大小:植入物的重量和体积。 请点击此处下载此表格。
为了创建一个更无缝地协调这些不同需求的系统,DREAM 植入物是在 Vöröslakos植入物 21 的基础上设计的,但进行了几处基本修改。首先,为了减轻植入物的整体重量,这里使用的微型驱动器是用机加工铝而不是 3D 打印不锈钢制造的,并且法拉第冠是小型化的,根据头板材料的选择,整体重量减轻了 1.2-1.4 g(见表 2)。其次,微型驱动器周围的头板设计为允许集成的头部固定机构,可实现快速、无压力的头部固定,同时兼作法拉第笼的底座,可以进入神经元记录的大多数潜在目标区域,并且只增加植入物的最小重量。固定机构的扁平形状和没有突起也确保了对动物视野或运动的最小损害(见图 2A-C),比以前的系统有了明显的改进31,32。与以前的设计相比,固定在头板上的法拉第表冠和环也发生了重大变化。现在,它们不需要在整个手术过程中进行任何临时调整(例如,在连接器放置方面)或焊接,从而消除了植入物损伤的潜在原因和植入物质量的不可预测的差异。相反,DREAM 植入物提供了多种标准化的冠环变体,允许将每个连接器放置在四个预定义位置之一,从而最大限度地减少手术过程中的可变性和工作量。最后,通过优化植入物系统以进行探针恢复,DREAM 植入物使实验者能够大大降低每个植入物的成本和准备时间,因为微型驱动器和探针通常可以一起回收、清洁和重复使用。
有关不同种植体系统带来的权衡的更详尽概述,请参见 表 1。虽然与所有其他策略相比,这里介绍的方法通常不能提供最大的性能,例如,在尺寸、稳定性或成本方面,但它在所有这些参数的上限范围内运行,使其更容易适用于广泛的实验。
该协议的三个方面对于适应每个特定用例尤为重要:接地和参考的星座、粘合微驱动器的技术以及通过神经元记录进行植入物验证。首先,在植入接地和参考引脚时,目标是确定机械/电气稳定性和侵入性之间的最佳平衡点。虽然例如,嵌入琼脂中的浮动银线比接骨螺钉33 的侵入性更小,但它们可能更容易随着时间的推移而脱落。使用针脚与琼脂相结合,确保了稳定的电气连接,同时还具有在插入过程中更容易控制、避免组织创伤的优势。粘合到颅骨上的接地针不太可能脱落,并且在电线与针脚分离的情况下,由于植入针的表面积较大且稳定性好,重新连接通常很简单。
表 2:DREAM 植入物与 Vöröslakos 等人描述的植入物之间的组件重量比较21。请点击此处下载此表格。
其次,微型驱动器的粘合通常应在将探针插入大脑之前进行。如果微型驱动器在插入过程中没有完全固定在立体定向支架中,这可以防止探针在大脑内的横向移动。为了在将微型驱动器固定到位之前检查探针的位置,可以短暂降低探针柄的尖端以确定它将与大脑接触的位置,因为考虑到显微镜的视差偏移,推断着陆位置可能很困难。一旦确定了微驱动器的位置,可以选择在粘接微驱动器之前用硅橡胶保护开颅手术,以确保粘接物不会意外地与开颅手术接触;但是,不建议通过硅橡胶降低探针,因为硅橡胶残留物会被吸入大脑并引起炎症和神经胶质增生。
第三,根据所使用的实验方案,手术后直接进行测试记录可能有用,也可能没有用。在很大程度上,由于瞬时脑肿胀和探针周围的组织运动等因素,探针插入后立即记录的神经元活动不会直接代表长期记录的活动,这意味着插入深度和尖峰波形都不太可能直接稳定。因此,即时记录主要用于确定一般信号质量和植入物完整性。建议在手术后的几天内,一旦大脑稳定下来,就可以使用可移动的微型驱动雪橇来微调位置。这也有助于避免每天将探针移动超过 1000 μm,最大限度地减少对记录位点的损坏,从而延长记录位点的使用寿命。
最后,用户可能希望使系统适应从多个目标位置进行录制。由于该系统是模块化的,因此用户在如何相对于彼此组装和放置组件方面有很大的回旋余地(参见上文和 补充图 3 和 补充图 4)。这包括允许在微驱动器上安装水平延伸的梭子的修改,允许植入多个探针或大型多柄探针,以及植入多个单独的微型驱动器(参见 补充图 3 和 补充图 4)。此类修改只需要使用合适的冠环,并增加连接器/接口板/头部的安装区域数量。然而,这种设计的空间限制是由动物模型决定的,在本例中为鼠标,这使得将多个探针堆叠到一个微驱动器上比植入多个彼此独立的微驱动器更具吸引力。这里使用的微型驱动器可以支持堆叠探针,因此,唯一真正的限制是可以适应动物模型定义的空间和重量限制的头部或连接器的数量。垫片也可用于进一步增加非垂直安装和插入路径。
总之,该协议允许廉价、轻便且重要的是可调节的探针植入,并具有优先考虑探针恢复的微驱动器设计的额外好处。这解决了一次性探针成本高昂、手术和植入技能门槛高以及慢性植入的商业解决方案通常难以适应独特用例等问题。这些问题对已经在使用急性电生理学的实验室构成了痛点,也对那些尚未进行电生理学实验的实验室产生了威慑。该系统旨在促进超越这些限制的慢性电生理学研究的更广泛采用。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了荷兰研究委员会 (NWO;交叉计划 17619 “INTENSE”,TS),并已获得欧盟第七框架计划 (FP7/2007-2013) 根据第 600925 号赠款协议(Neuroseeker、TS、FB、PT)以及马克斯普朗克学会的资助。
0.05" Solder Tail Socket | Mill-Max | 853-93-100-10-001000 | |
1,1’-dioctadecyl-3,3,3’,3’- Reagent tetramethylindocarbocyanine perchlorate (’DiI’; DiIC18(3)) | ThermoFisher | D282 | Lipophilic dye used for easier histological verification of the probe location |
Adhesive Putty (Blu-Tack) | Bostik | 308590110 | Variations (e.g. by Pritt) should be available in your stationary store |
Agar | Sigma Aldrich | A1296 | Make with saline for conductivity. |
Amplifier (Miniamp-64) | Cambridge Neurotech | Miniature and implantable amplifier and digitiser. Alternative Implantable digitiser, or implantable Omnetics connector use possible. | |
Analgesic Cream (EMLA Cream) | Aspen | 39699/0088 | Analgesic cream used for operative pain containing prilocaine, lidocaine. |
Angled Spacer | 3DNeuro | Angled spacer for non-perpendicular drive mounting.. Open souce, also available at https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ | |
Blue light curing LED | B.A. International | 818223 | Curing light for primer polymerisation. 420-480 nm wavelength |
Bone wax | SMI | Z046 | Wax to protect craniotomy and probe post surgery. |
Copper mesh | Dexmet | 3CU6-050FA | Copper mesh used to electrically and physically shield probe and craniotomy. |
Cyanoacrylate glue (Loctite) | Loctite | 1363589 | Cyanoacrylate gel glue |
Dental Cement (SuperBond C&B) | Sun Medical | K058E | Dental cement (SuperBond) |
Depilation Cream (Veet) | Veet | 310000091434 | Hair removal cream for removal of hair around surgical site. |
Faraday crown | 3DNeuro | 3D printed implantable protective cage. Open souce, also available at https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ | |
Faraday ring | 3DNeuro | 3D printed implantable protective ring for faraday cage. Open souce, also available at https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ | |
Haemostatic Sponge | SMI | ZHG101010 | Absorbable gelatin haemostatic sponge |
Heat Shrink Tubing | HellermannTyton | TA32-9/3 BK | Heat Shrink tubing for making soft tipped forceps |
Iodine | Braunol | 9322507 | Aqueous povidone-iodine solution. |
Microdrive (R2Drive) | 3DNeuro | Recoverable Metal micro drive with moveable shuttle. Open souce, also available at https://buzsakilab.github.io/ 3d_print_designs/ |
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Mineral Oil | Sigma-Aldrich | M5310-100ML | Oil used as solvent to create craniotomy protection gel. |
Non-Shedding Wipes (Kimtech) | Kimtech | 7552 | Non-shedding wipes |
Primer | Bisco | B-7202P | Universal skull adhesive preventing moisture from deteriorating the cement and providing a solid base to build up cement onto. |
R2Drive holder | 3DNeuro | Stereotactic attachment for mounting R2Drive. Open souce, also available at https://buzsakilab.github.io/ 3d_print_designs/ |
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Self-adherent wrap | 3M | VB050 | Protective wrap for implant post surgery |
Silicon probe (H2) | Cambridge Neurotech | Chronically implantable linear silicon probe with 32 channels. Alternative Probe use possible. | |
Silicone Elastomer (Duragel) | Cambridge Neurotech | Silicone Elastomer | |
Silicone Plaster (Kwikcast) | WPI | KWIK-CAST | |
Silver conductive epoxy | MG Chemicals | 8331D-14G | Silver epoxy |
Size 5 Dumont forceps | FSTools | 11251-10 | Small forceps for lifting bone flap. |
Stainless steel wire, Teflon coated | Science Products GmBH | SS-3T | Ground wire |
Stereotax (RWD) | RWD | 68803 | Stereotax for surgical procedures on mice. |
Tergazyme | Alconox | 1304 | A possible enzymatic cleaner to clean probe |
Two Part Fast setting Epoxy Resin | Gorilla | EP3 | Epoxy for permanent bonding of DREAM implant parts. |
Vannas Spring Scissors Round Handle | FSTools | 15403-08 | 0.075mm straight tipped spring rebound veterinary scissors. |
Veterinary Cyanoacrylate glue (Vetbond) | 3M | 70-0068-5256-3 | Veterinary cyanoacrylate glue |
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