Le TD Drive : un implant paramétrique open-source pour les enregistrements électrophysiologiques multi-zones chez les rats en comportement et endormis

La nature multi-zones des interactions cérébrales pendant l’éveil et le sommeil rend difficile l’étude exhaustive des processus physiologiques en cours. Alors que des approches telles que l’IRM fonctionnelle (IRMf) et l’échographie fonctionnelle (fUS) permettent d’échantillonner l’activité cérébrale à partir de cerveaux entiers ^1,2, elles exploitent le couplage neurovasculaire pour déduire l’activité cérébrale de l’activité hémodynamique, limitant ainsi leur résolution temporelle². De plus, l’IRMf exige que le sujet de recherche soit placé dans un scanner IRM, interdisant les expériences avec des animaux se déplaçant librement. L’imagerie optique de la dynamique calcique avec l’imagerie monophotonique ou multiphotonique permet d’enregistrer simultanément des centaines de neurones spécifiques au type de cellule³. Cependant, les microscopes montés sur la tête tels que le Miniscope³, qui permettent un comportement en mouvement libre, sont généralement limités à l’imagerie des zones corticales superficielles dans les cerveaux intacts⁴. Bien que le diamètre de leur champ de vision sur le cortex puisse être de l’ordre de 1 mm, l’encombrement de ces microscopes montés sur la tête peut rendre difficile le ciblage de plusieurs zones, en particulier adjacentes. Par conséquent, pour capturer avec précision la dynamique cérébrale multi-zones pendant l’éveil et le sommeil, l’électrophysiologie extracellulaire, enregistrée avec des électrodes implantées dans les zones cérébrales d’intérêt, est l’une des méthodes de choix en raison de sa haute résolution temporelle et de sa précision spatiale⁵. De plus, il permet de caractériser la dynamique du sommeil chez l’animal de manière compatible avec les analyses obtenues à partir de l’EEG humain, augmentant ainsi la valeur translationnelle de cette méthode⁶.

Classiquement, les études enregistrant l’activité cérébrale avec des électrodes extracellulaires ont utilisé des électrodes individuelles ou des faisceaux d’électrodes, tels que les tétrodes⁷. Des sondes de pointe telles que la sonde Neuropixels⁸ permettent de cibler plusieurs zones simultanément, étant donné qu’elles sont alignées sur un axe qui permet d’implanter la sonde le long de cet axe sans nuire à l’animal. Cependant, l’enregistrement simultané précis de plusieurs zones spatialement séparées reste difficile, les méthodes existantes étant soit coûteuses, soit chronophages.

Ces dernières années, les méthodes de fabrication additive telles que la stéréolithographie sont devenues largement disponibles. Cela a permis aux chercheurs de développer de nouveaux implants d’électrodes adaptables à^{leurs exigences} expérimentales9, par exemple, un ciblage simplifié et reproductible de plusieurs zones du cerveau. Fréquemment, ces conceptions d’implants sont également partagées avec la communauté universitaire en tant que matériel open source, ce qui permet à d’autres chercheurs de les adapter à leurs propres fins. Le degré d’adaptabilité de certains implants varie à la fois en fonction de la conception de l’implant et de la façon dont il est partagé. La modélisation paramétrique¹⁰ est une approche populaire de la conception assistée par ordinateur, dans laquelle différents composants de la conception sont liés par des paramètres interdépendants et un historique de conception défini. La mise en œuvre d’une approche paramétrique pour la conception des implants augmente leur réutilisation et leur adaptabilité¹⁰, car la modification des paramètres individuels met automatiquement à jour les conceptions complètes sans qu’il soit nécessaire de remodeler la conception complexe. Une nécessité conséquente est que le design lui-même soit partagé dans un format modifiable qui préserve les relations paramétriques et l’historique du design. Les formats de fichier qui ne représentent que des primitives géométriques, tels que STL ou STEP, rendent irréalisables les modifications paramétriques ultérieures des modèles publiés.

Bien que les hyperdisques de tétrode 11,12,13 permettent d’enregistrer des dizaines de tétrodes, leur assemblage et leur implantation prennent beaucoup de temps, et leur qualité dépend en grande partie des compétences et de l’expérience de chaque chercheur. De plus, ils combinent généralement les tubes guides qui dirigent les électrodes d’enregistrement vers leur emplacement cible en un ou deux faisceaux plus grands, limitant ainsi le nombre et l’étalement des zones pouvant être ciblées efficacement.

D’autres implants^14,15 exposent l’ensemble du crâne et permettent de placer librement plusieurs microdisques individuels qui transportent les électrodes d’enregistrement. Bien que le placement de microvariateurs indépendants¹⁶ pendant la durée de l’intervention maximise la flexibilité, il augmente le temps de l’opération et peut rendre difficile le ciblage de plusieurs zones adjacentes en raison de l’encombrement des microvariateurs individuels. De plus, bien que les implants soient open source, ils ne sont publiés que sous forme de fichiers STL, ce qui rend la modification difficile.

Un exemple de variateur avec une philosophie paramétrique plus inhérente est le RatHat¹⁷. En fournissant un pochoir chirurgical qui couvre toute la surface dorsale du crâne, il permet de cibler avec précision plusieurs cibles cérébrales sans l’utilisation d’un cadre stéréotaxique pendant la chirurgie. Plusieurs variantes d’implants pour canules, optrodes ou tétrodes sont disponibles. Cependant, bien que l’utilisation du disque soit gratuite à des fins académiques, il n’est pas publié en open source, ce qui crée un obstacle pour les chercheurs qui souhaitent évaluer et utiliser l’implant.

Cet article présente le TD Drive (voir Figure 1), un nouvel implant imprimable en 3D pour l’enregistrement d’électrodes extracellulaires chez le rat. Le TD Drive vise à surmonter certains des inconvénients des solutions existantes : il permet de cibler plusieurs zones du cerveau, en miroir sur les deux hémisphères, avec des électrodes indépendantes simultanément. Grâce à sa conception simple, il peut être assemblé en quelques heures à un coût relativement faible par des chercheurs moins expérimentés. Le TD Drive est publié en open-source, dans des formats de fichiers facilement modifiables pour permettre aux chercheurs de l’adapter à leurs besoins spécifiques. L’intégration d’une approche de modélisation 3D paramétrique dès le début du processus de conception du TD Drive permet d’abstraire les paramètres nécessaires à la modification : pour changer les emplacements cibles, les chercheurs peuvent simplement modifier les paramètres représentant leurs coordonnées dorso-ventrales et antéropostérieures, sans avoir besoin de reconcevoir le lecteur eux-mêmes. Les fichiers pour modifier et fabriquer le TD Drive se trouvent à l’adresse https://github.com/3Dneuro/TD_Drive.

Figure 1 : Vue d’ensemble du TD Drive. (A) Rendu d’un TD Drive avec un capuchon de protection. (B) Rendu avec les parties intérieures illustrées. Le TD Drive dispose (a) de plusieurs emplacements d’enregistrement réglables de manière paramétrique pour les fils d’électrodes fixes et mobiles, d’un EIB avec (b) d’un connecteur Omnetics haute densité compatible avec les systèmes d’acquisition de données filaires et sans fil courants, et (c) d’un mappage de canaux intuitif optimisé pour les enregistrements avec les systèmes Intan/Open Ephys (voir Figure supplémentaire 1) et (d) un capuchon pour protéger l’implant lors des enregistrements attachés et lorsqu’aucun étage n’est connecté. (C) Un pochoir de guidage au bas du TD Drive facilite le placement des canules de guidage et sert de vérification redondante de l’emplacement des implants pendant la chirurgie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

La conception de l’implant a été testée en n = 4, validée en n = 8 et confirmée chez n = 8 rats Lister Hooded qui ont effectué différentes tâches. Les 4 premiers animaux ont été utilisés pour développer l’entraînement et ajuster les paramètres. Ensuite, un pilote complet a été mené avec 8 animaux (voir les résultats). Une deuxième cohorte de 8 animaux a été analysée et incluse dans l’analyse de survie de l’implant. L’implant était compatible avec les enregistrements de sommeil attachés et les enregistrements en plein champ (Object Exploration) ainsi qu’avec l’enregistrement sans fil dans un grand labyrinthe (HexMaze 9 m x 5 m) à l’aide de deux systèmes d’enregistrement commerciaux différents et de headstages. Les deux cohortes de 8 ont été enregistrées avec deux systèmes d’acquisition différents – connecté pour les enregistrements de sommeil plus longs et sans fil pour les enregistrements d’exploration de grands labyrinthes. Nous pouvons conclure que ce simple entraînement par fil permet de mener des expériences de longue haleine avec des cohortes plus importantes par des chercheurs moins expérimentés pour permettre l’analyse des phases de sommeil ainsi que l’analyse de l’oscillation dans plusieurs zones du cerveau. Cela contraste avec la plupart des implants d’électrophysiologie à ce jour, qui, en raison de la difficulté et de l’intensité du temps, permettent des cohortes d’animaux plus petites et nécessitent généralement des expérimentateurs très expérimentés. Cependant, avec ce moteur, aucune activité neuronale individuelle ne peut être enregistrée ; ainsi, l’utilisation est limitée à l’étude du potentiel de champ local (LFP) et de l’activité de sommation.