De TD Drive: een parametrisch, open-source implantaat voor elektrofysiologische opnames van meerdere gebieden bij zich gedragende en slapende ratten

Het multi-area karakter van herseninteracties tijdens waken en slapen maakt het moeilijk om de lopende fysiologische processen uitputtend te bestuderen. Hoewel benaderingen zoals functionele MRI (fMRI) en functionele echografie (fUS) het mogelijk maken om hersenactiviteit van hele hersenen te bemonsteren ^1,2, maken ze gebruik van neurovasculaire koppeling om hersenactiviteit af te leiden uit hemodynamische activiteit, waardoor hun temporele resolutie wordt beperkt². Bovendien vereist fMRI dat de proefpersoon in een MRI-scanner wordt geplaatst, waardoor experimenten met vrij bewegende dieren verboden zijn. Optische beeldvorming van de calciumdynamiek met enkelvoudige of meervoudige beeldvorming van fotonen maakt celtypespecifieke opnames van honderden neuronen tegelijk mogelijk³. Op het hoofd gemonteerde microscopen zoals de Miniscope³, die vrij bewegend gedrag mogelijk maken, zijn echter meestal beperkt tot het afbeelden van oppervlakkige corticale gebieden in intacte hersenen⁴. Hoewel de diameter van hun gezichtsveld op de cortex in de orde van grootte van 1 mm kan liggen, kunnen de ruimtevereisten van deze op het hoofd gemonteerde microscopen het moeilijk maken om meerdere, vooral aangrenzende gebieden te richten. Daarom, om de hersendynamiek in meerdere gebieden tijdens het waken en slapen nauwkeurig vast te leggen, is extracellulaire elektrofysiologie, geregistreerd met elektroden die in de betreffende hersengebieden zijn geïmplanteerd, een van de voorkeursmethoden vanwege de hoge temporele resolutie en ruimtelijke precisie⁵. Bovendien maakt het de karakterisering van de slaapdynamiek bij dieren mogelijk die compatibel is met analyses verkregen uit menselijk EEG, waardoor de translationele waarde van deze methode toeneemt⁶.

Klassiek hebben onderzoeken die hersenactiviteit met extracellulaire elektroden registreren, individuele draadelektroden of elektrodebundels gebruikt, zoals tetrodes⁷. State-of-the-art sondes zoals de Neuropixels-sonde⁸ maken het mogelijk om meerdere gebieden tegelijk te richten, op voorwaarde dat ze zijn uitgelijnd op een as die het mogelijk maakt om de sonde langs die as te implanteren zonder het dier te schaden. Nauwkeurige gelijktijdige opnames van meerdere, ruimtelijk gescheiden gebieden blijven echter een uitdaging, waarbij bestaande methoden kostbaar of tijdrovend zijn.

In de afgelopen jaren zijn additieve productiemethoden zoals stereolithografie op grote schaal beschikbaar gekomen. Dit stelde onderzoekers in staat om nieuwe elektrode-implantaten te ontwikkelen die konden worden aangepast aan hun experimentele vereisten⁹, bijvoorbeeld vereenvoudigde herhaalbare targeting van meerdere hersengebieden. Vaak worden deze implantaatontwerpen ook gedeeld met de academische gemeenschap als open-source hardware, waardoor andere onderzoekers ze aan hun eigen doeleinden kunnen aanpassen. De mate van aanpasbaarheid van specifieke implantaten varieert zowel als gevolg van de manier waarop het implantaat is ontworpen als de manier waarop het wordt gedeeld. Parametrisch modelleren¹⁰ is een populaire benadering in computerondersteund ontwerp, waarbij verschillende componenten van het ontwerp met elkaar zijn verbonden door onderling afhankelijke parameters en een gedefinieerde ontwerpgeschiedenis. Het implementeren van een parametrische benadering voor het ontwerpen van implantaten verhoogt hun herbruikbaarheid en aanpassingsvermogen¹⁰, aangezien het wijzigen van individuele parameters automatisch het volledige ontwerp bijwerkt zonder dat er complexe hermodellering van het ontwerp nodig is. Een consequente noodzaak is dat het ontwerp zelf wordt gedeeld in een bewerkbaar formaat dat de parametrische relaties en ontwerpgeschiedenis behoudt. Bestandsformaten die alleen geometrische primitieven vertegenwoordigen, zoals STL of STEP, maken latere parametrische wijzigingen van gepubliceerde modellen onhaalbaar.

Hoewel tetrode hyperdrives 11,12,13 opnames van tientallen tetrodes mogelijk maken, zijn hun assemblage en implantatie tijdrovend en is hun kwaliteit grotendeels afhankelijk van de vaardigheid en ervaring van de individuele onderzoeker. Bovendien combineren ze meestal de geleidebuizen die de opname-elektroden naar hun doellocatie leiden in een of twee grotere bundels, waardoor het aantal en de spreiding van gebieden die efficiënt kunnen worden gericht, worden beperkt.

Andere implantaten ^14,15 leggen de hele schedel bloot en maken de vrije plaatsing van meerdere individuele microdrives mogelijk die de opname-elektroden dragen. Hoewel de plaatsing van onafhankelijke microdrives¹⁶ tijdens de operatietijd de flexibiliteit maximaliseert, verlengt het de operatietijd en kan het moeilijk zijn om meerdere aangrenzende gebieden te richten vanwege de ruimtevereisten van de afzonderlijke microdrives. Bovendien zijn de implantaten, hoewel ze open source zijn, worden ze alleen gepubliceerd als STL-bestanden, wat wijziging moeilijk maakt.

Een voorbeeld van een aandrijving met een meer inherente parametrische filosofie is de RatHat¹⁷. Door een chirurgisch sjabloon te bieden dat het hele dorsale oppervlak van de schedel bedekt, kan het nauwkeurig richten op meerdere hersendoelen zonder het gebruik van een stereotactisch frame tijdens de operatie. Er zijn meerdere implantaatvariaties voor canules, optrodes of tetrodes beschikbaar. Hoewel de schijf gratis te gebruiken is voor academische doeleinden, wordt deze niet open-source gepubliceerd, wat een hindernis vormt voor onderzoekers om het implantaat te evalueren en te gebruiken.

In dit artikel wordt de TD Drive gepresenteerd (zie figuur 1), een nieuw 3D-printbaar implantaat voor extracellulaire elektrode-opnames bij ratten. De TD Drive is bedoeld om enkele van de nadelen van bestaande oplossingen te ondervangen: het maakt het mogelijk om meerdere hersengebieden te richten, gespiegeld over beide hemisferen, met onafhankelijke draadelektroden tegelijkertijd. Door het eenvoudige ontwerp kan het in een paar uur tegen relatief lage kosten worden gemonteerd door minder ervaren onderzoekers. De TD Drive wordt open-source gepubliceerd, in gemakkelijk aanpasbare bestandsformaten om onderzoekers in staat te stellen deze aan te passen aan hun specifieke behoeften. Door vanaf het begin van het ontwerpproces van de TD Drive een parametrische 3D-modelleringsbenadering op te nemen, kunnen de parameters die nodig zijn om te worden gewijzigd, worden geabstraheerd: om doellocaties te wijzigen, kunnen onderzoekers eenvoudig de parameters bewerken die hun dorsoventrale en anteroposterieure coördinaten vertegenwoordigen, zonder dat de schijf zelf opnieuw hoeft te worden ontworpen. De bestanden om de TD-schijf aan te passen en te vervaardigen zijn te vinden op https://github.com/3Dneuro/TD_Drive.

Afbeelding 1: Overzicht van de TD-aandrijving . (A) Weergave van een TD-aandrijving met een beschermkap. (B) Rendering met getoonde interne delen. De TD Drive is voorzien van (a) meerdere, parametrisch instelbare opnamelocaties voor vaste en beweegbare elektrodedraden, een EIB met (b) een High-density Omnetics-connector die compatibel is met gangbare tethered en draadloze data-acquisitiesystemen, en (c) een intuïtieve kanaaltoewijzing die is geoptimaliseerd voor opnames met Intan/Open Ephys-systemen (zie aanvullende afbeelding 1) en (d) een dop om het implantaat te beschermen tijdens tethered opnames en wanneer er geen headstage is aangesloten. (C) Een geleidingssjabloon aan de onderkant van de TD Drive vergemakkelijkt de plaatsing van geleidecanules en dient als een redundante verificatie van implantaatlocaties tijdens de operatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Het implantaatontwerp werd getest in n = 4, gevalideerd in n = 8 en bevestigd in n = 8 Lister Hooded ratten die verschillende taken uitvoerden. De eerste 4 dieren werden gebruikt om de aandrijving te ontwikkelen en parameters aan te passen. Vervolgens werd een volledige pilot uitgevoerd met 8 dieren (te zien in de resultaten). Een tweede cohort van 8 dieren werd uitgevoerd en opgenomen in de analyse van de implantaatoverleving. Het implantaat was compatibel met tethered slaapopnames en open veldopnames (Object Exploration), evenals draadloze opnames in een groot doolhof (HexMaze 9 m x 5 m) met behulp van twee verschillende commerciële opnamesystemen en headstages. De twee cohorten van 8 werden opgenomen met twee verschillende acquisitiesystemen – vastgebonden voor langere slaapopnames en draadloos voor opnames van grote doolhofverkenningen. We kunnen concluderen dat deze eenvoudige wiredrive langlopende experimenten met grotere cohorten door minder ervaren onderzoekers mogelijk maakt om slaapfase-analyse en oscillatie-analyse in meerdere hersengebieden mogelijk te maken. Dit in tegenstelling tot de meeste elektrofysiologische implantaten tot nu toe, die vanwege de moeilijkheidsgraad en tijdsintensiteit kleinere diercohorten mogelijk maken en meestal zeer ervaren onderzoekers nodig hebben. Met deze aandrijving kan echter geen individuele neuronactiviteit worden geregistreerd; het gebruik is dus beperkt tot onderzoeken naar lokale veldpotentiaal (LFP) en sommatieactiviteit.