محرك TD: غرسة بارامترية مفتوحة المصدر للتسجيلات الكهربية متعددة المناطق في الفئران الناقلة والنائمة
Summary
هنا ، نقدم غرسة فريدة من نوعها قابلة للطباعة 3D للفئران ، تسمى TD Drive ، قادرة على تسجيلات قطب سلكي ثنائية متناظرة ، حاليا في ما يصل إلى عشر مناطق دماغية موزعة في وقت واحد.
Abstract
تكمن التفاعلات المعقدة بين مناطق الدماغ المتعددة وراء معظم الوظائف المنسوبة إلى الدماغ. عملية التعلم ، وكذلك تكوين وتوحيد الذكريات ، هما مثالان يعتمدان بشكل كبير على الاتصال الوظيفي عبر الدماغ. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التحقيق في أوجه التشابه و / أو الاختلاف في نصف الكرة الغربي يسير جنبا إلى جنب مع هذه التفاعلات متعددة المناطق. وبالتالي ، تعتمد الدراسات الفيزيولوجية الكهربية التي تحاول توضيح هذه العمليات المعقدة على تسجيل نشاط الدماغ في مواقع متعددة في وقت واحد وغالبا بطريقة ثنائية. يظهر هنا غرسة 3D قابلة للطباعة للفئران ، تسمى TD Drive ، قادرة على تسجيلات قطب سلكي ثنائية متناظرة ، حاليا في ما يصل إلى عشر مناطق دماغية موزعة في وقت واحد. تم إنشاء التصميم مفتوح المصدر باستخدام مبادئ التصميم البارامتري ، مما يسمح للمستخدمين المحتملين بتكييف تصميم محرك الأقراص بسهولة مع احتياجاتهم ببساطة عن طريق ضبط المعلمات عالية المستوى ، مثل الإحداثيات الأمامية والخلفية والمتوسطة لمواقع قطب التسجيل. تم التحقق من صحة تصميم الزرع في n = 20 فئران Lister Hooded التي أدت مهام مختلفة. كانت الغرسة متوافقة مع تسجيلات النوم المربوطة وتسجيلات المجال المفتوح (استكشاف الكائنات) بالإضافة إلى التسجيل اللاسلكي في متاهة كبيرة باستخدام نظامين مختلفين للتسجيل التجاري ومراحل الرأس. وبالتالي ، يظهر هنا التصميم والتجميع القابل للتكيف لزرع فيزيولوجي كهربي جديد ، مما يسهل التحضير والزرع السريع.
Introduction
إن الطبيعة متعددة المناطق لتفاعلات الدماغ أثناء الاستيقاظ والنوم تجعل من الصعب إجراء دراسة شاملة للعمليات الفسيولوجية الجارية. في حين أن الأساليب مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) والموجات فوق الصوتية الوظيفية (fUS) تسمح بأخذ عينات من نشاط الدماغ من الدماغالكامل 1,2 ، فإنها تستغل اقتران الأوعية الدموية العصبية لاستنتاج نشاط الدماغ من نشاط الدورة الدموية ، مما يحد من دقتها الزمنية2. بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي وضع موضوع البحث في ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي ، مما يحظر التجارب مع التي تتحرك بحرية. يتيح التصوير البصري لديناميكيات الكالسيوم باستخدام التصوير الفردي أو متعدد الفوتونات تسجيلات خاصة بنوع الخلية لمئات الخلايا العصبية في وقت واحد3. ومع ذلك ، فإن المجاهر المثبتة على الرأس مثل Miniscope3 ، والتي تسمح بسلوك الحركة بحرية ، عادة ما تقتصر على تصوير المناطق القشرية السطحية في الأدمغةالسليمة 4. في حين أن قطر مجال رؤيتها على القشرة يمكن أن يكون في حدود 1 مم ، فإن متطلبات المساحة لهذه المجاهر المثبتة على الرأس يمكن أن تجعل من الصعب استهداف عدة مناطق ، خاصة المجاورة. لذلك ، لالتقاط ديناميكيات الدماغ متعددة المناطق في الاستيقاظ والنوم بدقة ، تعد الفيزيولوجيا الكهربية خارج الخلية ، المسجلة بأقطاب كهربائية مزروعة في مناطق اهتمام الدماغ ، إحدى الطرق المفضلة نظرا لدقتها الزمنية العالية ودقتها المكانية5. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يسمح بتوصيف ديناميكيات النوم في المتوافقة مع التحليلات التي تم الحصول عليها من EEG البشري ، مما يزيد من القيمة الانتقالية لهذه الطريقة6.
كلاسيكيا ، استخدمت الدراسات التي تسجل نشاط الدماغ باستخدام أقطاب كهربائية خارج الخلية أقطاب سلكية فردية أو حزم أقطاب كهربائية ، مثل tetrodes7. تسمح المجسات الحديثة مثل مسبار Neuropixels8 باستهداف عدة مناطق في وقت واحد ، نظرا لأنها محاذاة على محور يسمح بزرع المسبار على طول هذا المحور دون إضعاف. ومع ذلك، لا تزال التسجيلات المتزامنة الدقيقة للمناطق المتعددة المنفصلة مكانيا تمثل تحديا، حيث تكون الطرق الحالية إما مكلفة أو تستغرق وقتا طويلا.
في السنوات الأخيرة ، أصبحت طرق التصنيع المضافة مثل الطباعة الحجرية المجسمة متاحة على نطاق واسع. سمح ذلك للباحثين بتطوير غرسات أقطاب كهربائية جديدة قابلة للتكيف مع متطلباتهم التجريبية9 ، على سبيل المثال ، الاستهداف المبسط القابل للتكرار لمناطق متعددة من الدماغ. في كثير من الأحيان ، تتم مشاركة تصميمات الغرسات هذه أيضا مع المجتمع الأكاديمي كأجهزة مفتوحة المصدر ، مما يسمح للباحثين الآخرين بتكييفها مع أغراضهم الخاصة. تختلف درجة القدرة على التكيف لغرسات معينة نتيجة لكيفية تصميم الغرسة وكيفية مشاركتها. النمذجة البارامترية10 هي نهج شائع في التصميم بمساعدة الكمبيوتر ، حيث ترتبط المكونات المختلفة للتصميم بمعلمات مترابطة وتاريخ تصميم محدد. يؤدي تنفيذ نهج حدودي لتصميم الغرسات إلى زيادة قابليتها لإعادة الاستخدام والقدرة على التكيف10 ، حيث يقوم تغيير المعلمات الفردية تلقائيا بتحديث التصميمات الكاملة دون الحاجة إلى إعادة نمذجة معقدة للتصميم. الضرورة التبعية هي أن التصميم نفسه يتم مشاركته بتنسيق قابل للتحرير يحافظ على العلاقات البارامترية وتاريخ التصميم. تنسيقات الملفات التي تمثل الأوليات الهندسية فقط ، مثل STL أو STEP ، تجعل التعديلات البارامترية اللاحقة للنماذج المنشورة غير ممكنة.
في حين أن محركات الأقراص الفائقة رباعية11،12،13 تمكن التسجيلات من عشرات tetrodes ، فإن تجميعها وزرعها يستغرق وقتا طويلا ، وتعتمد جودتها إلى حد كبير على مهارة وخبرة الباحث الفردي. بالإضافة إلى ذلك ، فإنها عادة ما تجمع بين أنابيب التوجيه التي توجه أقطاب التسجيل إلى موقعها المستهدف في حزمة واحدة أو حزمتين أكبر ، مما يحد من عدد وانتشار المناطق التي يمكن استهدافها بكفاءة.
غرسات أخرى14,15 تكشف الجمجمة الكاملة وتسمح بوضع العديد من محركات الأقراص الصغيرة الفردية التي تحمل أقطاب التسجيل مجانا. في حين أن وضع محركات الأقراص الصغيرةالمستقلة 16 أثناء وقت الجراحة يزيد من المرونة ، إلا أنه يزيد من وقت الجراحة ويمكن أن يجعل من الصعب استهداف مناطق متجاورة متعددة بسبب متطلبات المساحة لمحركات الأقراص الصغيرة الفردية. بالإضافة إلى ذلك ، في حين أن الغرسات مفتوحة المصدر ، إلا أنها تنشر فقط كملفات STL ، مما يجعل التعديل صعبا.
مثال على محرك ذو فلسفة بارامترية أكثر متأصلة هو RatHat17. من خلال توفير استنسل جراحي يغطي السطح الظهري الكامل للجمجمة ، فإنه يسمح بالاستهداف الدقيق لأهداف الدماغ المتعددة دون استخدام إطار تجسيمي أثناء الجراحة. تتوفر أشكال زرع متعددة للقنية أو البصريات أو رباعيات القنوات. ومع ذلك ، في حين أن محرك الأقراص مجاني للاستخدام للأغراض الأكاديمية ، إلا أنه لا يتم نشره مفتوح المصدر ، مما يخلق عقبة أمام الباحثين لتقييم واستخدام الغرسة.
يظهر في هذه المقالة محرك TD (انظر الشكل 1) ، وهو غرسة جديدة قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد لتسجيلات القطب خارج الخلية في الفئران. يهدف TD Drive إلى التغلب على بعض عيوب الحلول الحالية: فهو يسمح باستهداف مناطق متعددة من الدماغ ، معكوسة عبر نصفي الكرة الأرضية ، باستخدام أقطاب سلكية مستقلة في وقت واحد. نظرا لتصميمه البسيط ، يمكن تجميعه في غضون ساعات قليلة بتكلفة منخفضة نسبيا من قبل باحثين أقل خبرة. يتم نشر TD Drive مفتوح المصدر ، بتنسيقات ملفات قابلة للتعديل بسهولة للسماح للباحثين بتعديله وفقا لاحتياجاتهم الخاصة. يسمح دمج نهج النمذجة 3D البارامترية من بداية عملية تصميم TD Drive بتجريد المعلمات اللازمة للتغيير: لتغيير المواقع المستهدفة ، يمكن للباحثين ببساطة تحرير المعلمات التي تمثل إحداثياتها الظهرية البطنية والأمامية الخلفية ، دون الحاجة إلى إعادة تصميم محرك الأقراص بأنفسهم. يمكن العثور على الملفات لتعديل وتصنيع محرك TD في https://github.com/3Dneuro/TD_Drive.
الشكل 1: نظرة عامة على محرك TD. (أ) عرض محرك TD بغطاء واقي. (ب) العرض مع الأجزاء الداخلية الموضحة. يتميز محرك TD ب (أ) مواقع تسجيل متعددة وقابلة للتعديل بارامتريا لأسلاك الأقطاب الكهربائية الثابتة والمتحركة ، و EIB مع (ب) موصل Omnetics عالي الكثافة متوافق مع أنظمة الحصول على البيانات المربوطة واللاسلكية الشائعة ، و (ج) تعيين قناة بديهية محسنة للتسجيلات باستخدام أنظمة Intan / Open Ephys (انظر الشكل التكميلي 1) و (د) غطاء لحماية الغرسة أثناء التسجيلات المربوطة وعندما لا يتم توصيل مرحلة الرأس. (ج) يسهل استنسل التوجيه الموجود في الجزء السفلي من محرك TD وضع قنيات التوجيه ويعمل كتحقق زائد عن الحاجة لمواقع الزرع أثناء الجراحة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
تم تجريب تصميم الغرسة في n = 4 ، وتم التحقق من صحته في n = 8 ، وتم تأكيده في n = 8 فئران Lister Hooded التي أدت مهام مختلفة. تم استخدام أول 4 لتطوير محرك الأقراص وضبط المعلمات. بعد ذلك ، تم تشغيل طيار كامل مع 8 (كما هو موضح في النتائج). تم تشغيل مجموعة ثانية من 8 وإدراجها في تحليل بقاء الزرع. كانت الغرسة متوافقة مع تسجيلات النوم المربوطة وتسجيلات المجال المفتوح (استكشاف الكائنات) بالإضافة إلى التسجيل اللاسلكي في متاهة كبيرة (HexMaze 9 م × 5 م) باستخدام نظامين مختلفين للتسجيل التجاري ومراحل الرأس. تم تسجيل الفوجين من 8 مع نظامين مختلفين للاستحواذ – مربوط لتسجيلات نوم أطول ولاسلكي لتسجيلات استكشاف المتاهة الكبيرة. يمكننا أن نستنتج أن هذا المحرك السلكي البسيط يسمح بإجراء تجارب طويلة الأمد مع مجموعات أكبر من قبل باحثين أقل خبرة لتمكين تحليل مرحلة النوم وكذلك تحليل التذبذب في مناطق متعددة من الدماغ. هذا على عكس معظم غرسات الفيزيولوجيا الكهربية حتى الآن ، والتي ، بسبب الصعوبة وكثافة الوقت ، تسمح بمجموعات حيوانية أصغر وعادة ما تحتاج إلى مجربين ذوي خبرة كبيرة. ومع ذلك ، مع هذا المحرك ، لا يمكن تسجيل أي نشاط عصبي فردي. وبالتالي ، يقتصر الاستخدام على التحقيقات في إمكانات المجال المحلي (LFP) ونشاط الجمع.
Protocol
Representative Results
Discussion
يظهر في هذه المقالة غرسة قابلة للتكيف لتسجيلات القطب السلكي الثنائي المتماثل متعدد المناطق للفئران التي تتحرك بحرية.
كانت القدرة على ضبط الغرسة بسهولة عن طريق تغيير المعلمات المحددة مسبقا أحد الدوافع لإنشاء محرك TD. وبينما تهدف إلى زيادة المرونة إلى أقصى …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفون أن يشكروا أنجيلا جوميز فونسيكا على الإلهام لتطوير الحملة وجميع الطلاب الذين أجروا تجارب تجريبية مع ، ميلان بوجرز ، فلور فان رافينسوود ، وإيفا سيفيرينين. وقد دعم هذا العمل مجلس البحوث الهولندي (NWO; برنامج كروس 17619 “مكثف”).
Materials
| 0.5 mm drill bit | McMaster | 2951A38 | |
| 1.27 mm pitch interconnected SIP/DIP socket (Mill-Max) | Mouser Electronic | 575-003101 | For essembling and connection of EEG & GND screws |
| 5 minute epoxy | Bison | Commercially available | regular off-the-shelf epoxy |
| cyanoacrylate glue | Loctite | Super Glue-3 | |
| EEG wire | Science Products GmbH | 7SS-2T | |
| Electrode wire | Science Products GmbH | NC7620F | |
| Ethanol | LC | For standard pre-operative sterilization procedure of drive | |
| Fine forceps (5) | FST | 91150-20 | For wire bundle preperation and handling |
| Form 3B | Formlabs | 3D printer used to 3D print the self-printed parts of the TD drive | |
| Gold pins (small) | Neuralynx, Inc. | 9885 | Attachment of electorde wires to EIB board |
| Ground wire | Science Products GmbH | SS-3T/A | |
| High-density connector | LabMaker GmbH/Omnetics | A79026-001 | |
| Lister Hodded rats | Charles River Laboratories | Crl:LIS | we used male rats, 9-12 weeks of age at arrival |
| M1 brass insert | AliExpress | Commercially available | https://aliexpress.com/item/33047616164.html |
| M1 tap | McMaster | 2504A33 | |
| M1x16 screw | Bossard | 1096613 | |
| M1x3 stainless steel screws | Screws and More | 84213_14985 | |
| M2.5×5 polyimide screws | Screws and more | 7985PA25S_50 | |
| mineral oil | McMaster | 1244K14 | |
| Nail polish | Etos | Commercially available | For color coding EEG and GND wires |
| painter's tape | Gamma | Commercially available | For wire bundle preperation |
| Pin vise | McMaster | 8455A16 | |
| plotting paper | Canson | Commercially available | For wire bundle preperation |
| polyimide tubes | Amazon / Small Parts | TWPT-0159-30-50 | AWG, 0.0159" ID, 0.0219" OD, 0.0030" Wall, 30" Length |
| RHD 32-channel headstage with accelerometer | Intan Technologies, LLC | C3324 | For tethered recordings in the sleepbox |
| RHD 3-ft (0.9 m) standard SPI cables | Intan Technologies, LLC | C3203 | From commutator to headstage |
| RHD 6-ft (1.8 m) standard SPI cables | Intan Technologies, LLC | C3206 | From OpenEphys box to commutator |
| Slip Ring with Flange | Adafruit | 1196 | Commutator: 22 mm diameter, 12 wires |
| Solder flux | Griffon S-39 50 ml | Commercially available | For soldering EEG & GND screws |
| soldering paste | Amazon | B08CBZ5HC5 | |
| stainless steel M2 nut | McMaster | 93935A305 | |
| Tethered recording setup | OpenEphys | Acquasition Board | |
| Wireless recording logger | SpikeGadgets | miniLogger 32 | For wireless recordings in the task |
| Wireless recording setup | SpikeGadgets | Main Control Unit (MCU) incl. breakout board and RF transceiver | For wireless recordings in the task |
References
- Deffieux, T., Demené, C., Tanter, M. Functional Ultrasound Imaging: A New Imaging Modality for Neuroscience. Neuroscience. 474, 110-121 (2021).
- Finn, E. S., Poldrack, R. A., Shine, J. M. Functional neuroimaging as a catalyst for integrated neuroscience. Nature. 623 (7986), 263-273 (2023).
- Aharoni, D., Federico Guo, C. Aharoni-Lab/Miniscope-v4: Release for generating. GitHub. , (2023).
- Takasaki, K., Abbasi-Asl, R., Waters, J. Superficial bound of the depth limit of two-photon imaging in mouse brain. eNeuro. 7 (1), (2020).
- Buzsáki, G., et al. Tools for probing local circuits: High-density silicon probes combined with optogenetics. Neuron. 86 (1), 92-105 (2015).
- Lacroix, M. M., et al. Improved sleep scoring in mice reveals human-like stages. bioRxi.v. , (2018).
- Wilson, M. A., McNaughton, B. L. Dynamics of the hippocampal ensemble code for space. Sci New Ser. 261 (5124), 1055-1058 (1993).
- Jun, J. J., et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).
- Headley, D. B., DeLucca, M. V., Haufler, D., Paré, D. Incorporating 3D-printing technology in the design of head-caps and electrode drives for recording neurons in multiple brain regions. J Neurophysiol. 113 (7), 2721-2732 (2015).
- Camba, J. D., Contero, M., Company, P. Parametric CAD modeling: An analysis of strategies for design reusability. Comput Aided Des. 74, 18-31 (2016).
- Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: Drive fabrication. J Vis Exp. (26), e1094 (2009).
- Voigts, J., Siegle, J. H., Pritchett, D. L., Moore, C. I. The flexDrive: An ultra-light implant for optical control and highly parallel chronic recording of neuronal ensembles in freely moving mice. Front Syst Neurosci. 7, (2013).
- Voigts, J., Newman, J. P., Wilson, M. A., Harnett, M. T. An easy-to-assemble, robust, and lightweight drive implant for chronic tetrode recordings in freely moving animals. J Neural Eng. 17 (2), 026044 (2020).
- Sheng, T., et al. A novel 3D-printed multi-driven system for large-scale neurophysiological recordings in multiple brain regions. J Neurosci Methods. 361, 109286 (2021).
- Vöröslakos, M., Petersen, P. C., Vöröslakos, B., Buzsáki, G. Metal microdrive and head cap system for silicon probe recovery in freely moving rodent. eLife. 10, e65859 (2021).
- Mishra, A., Marzban, N., Cohen, M. X., Englitz, B. Dynamics of neural microstates in the VTA-striatal-prefrontal loop during novelty exploration in the rat. bioRxiv. , (2020).
- Allen, L. M., et al. RatHat: A self-targeting printable brain implant system. eNeuro. 7 (2), (2020).
- . Soldering Safety Available from: https://safety.eng.cam.ac.uk/safe-working/copy_of_soldering-safety (2018)
- . Harvard Soldering Safety Guidelines Available from: https://www.ehs.harvard.edu/sites/default/files/soldering_safety_guidelines.pdf (2019)
- Samanta, A., et al. CBD lengthens sleep but shortens ripples and leads to intact simple but worse cumulative memory. iScience. 26 (11), 108327 (2023).
- Machado, F., Malpica, N., Borromeo, S. Parametric CAD modeling for open source scientific hardware: Comparing OpenSCAD and FreeCAD Python scripts. PLOS One. 14 (12), e0225795 (2019).
- Schwarz, C., et al. The head-fixed behaving rat: Procedures and pitfalls. Somatosens Mot Res. 27 (4), 131-148 (2010).
- Gardiner, T. W., Toth, L. A. Stereotactic surgery and long-term maintenance of cranial implants in research animals. Contemp Top Lab Anim Sci. 38 (1), 56-63 (1999).
- França, A. S. C., van Hulten, J. A., Cohen, M. X. Low-cost and versatile electrodes for extracellular chronic recordings in rodents. Heliyon. 6 (9), e04867 (2020).
