Der TD Drive: ein parametrisches Open-Source-Implantat für mehrflächige elektrophysiologische Aufzeichnungen bei sich verhaltenden und schlafenden Ratten

Die Mehrbereichsnatur der Gehirninteraktionen während des Wach- und Schlafzustands macht es schwierig, die ablaufenden physiologischen Prozesse erschöpfend zu untersuchen. Während Ansätze wie die funktionelle MRT (fMRT) und der funktionelle Ultraschall (fUS) die Probenahme der Gehirnaktivität aus dem gesamten Gehirn ermöglichen ^1,2, nutzen sie die neurovaskuläre Kopplung, um die Gehirnaktivität aus der hämodynamischen Aktivität abzuleiten, was ihre zeitliche Auflösung einschränkt². Darüber hinaus erfordert die fMRT, dass das Forschungsobjekt in einem MRT-Scanner platziert wird, was Versuche mit frei beweglichen Tieren verbietet. Die optische Bildgebung der Kalziumdynamik mit Einzel- oder Multiphotonen-Bildgebung ermöglicht die zelltypspezifische Aufzeichnung von Hunderten von Neuronen gleichzeitig³. Am Kopf montierte Mikroskope wie das Miniscope³, die ein frei bewegliches Verhalten ermöglichen, sind jedoch in der Regel auf die Abbildung oberflächlicher kortikaler Areale in intakten Gehirnen beschränkt⁴. Während der Durchmesser ihres Sichtfeldes auf dem Kortex in der Größenordnung von 1 mm liegen kann, kann der Platzbedarf dieser kopfmontierten Mikroskope es schwierig machen, mehrere, insbesondere benachbarte Bereiche anzuvisieren. Um die Mehrbereichsdynamik des Gehirns im Wach- und Schlafbereich genau zu erfassen, ist daher die extrazelluläre Elektrophysiologie, die mit Elektroden aufgezeichnet wird, die in den interessierenden Hirnbereichen implantiert sind, aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung und räumlichen Präzision eine der Methoden der Wahl⁵. Darüber hinaus ermöglicht es die Charakterisierung der Schlafdynamik bei Tieren, die mit Analysen aus dem menschlichen EEG kompatibel ist, wodurch der Translationswert dieser Methode erhöht^{wird 6}.

Klassischerweise wurden in Studien, in denen die Gehirnaktivität mit extrazellulären Elektroden aufgezeichnet wurde, einzelne Drahtelektroden oder Elektrodenbündel verwendet, wie z. B. Tetroden⁷. Modernste Sonden wie die Neuropixels-Sonde⁸ ermöglichen es, mehrere Bereiche gleichzeitig anzupeilen, da sie auf einer Achse ausgerichtet sind, die es ermöglicht, die Sonde entlang dieser Achse zu implantieren, ohne das Tier zu beeinträchtigen. Die genaue gleichzeitige Erfassung mehrerer, räumlich getrennter Bereiche ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung, da die bestehenden Methoden entweder kosten- oder zeitintensiv sind.

In den letzten Jahren sind additive Fertigungsverfahren wie die Stereolithografie breit verfügbar geworden. Dies ermöglichte es den Forschern, neuartige Elektrodenimplantate zu entwickeln, die an ihre experimentellen Anforderungen angepasst werden konnten⁹, z. B. ein vereinfachtes wiederholbares Targeting mehrerer Hirnareale. Häufig werden diese Implantatdesigns auch als Open-Source-Hardware mit der akademischen Gemeinschaft geteilt, so dass andere Forscher sie für ihre eigenen Zwecke anpassen können. Der Grad der Anpassungsfähigkeit bestimmter Implantate hängt sowohl von der Art und Weise ab, wie das Implantat gestaltet ist, als auch davon, wie es gemeinsam genutzt wird. Die parametrische Modellierung¹⁰ ist ein beliebter Ansatz in der computergestützten Konstruktion, bei dem verschiedene Komponenten der Konstruktion durch voneinander abhängige Parameter und eine definierte Konstruktionshistorie miteinander verknüpft werden. Die Implementierung eines parametrischen Ansatzes für das Design von Implantaten erhöht deren Wiederverwendbarkeit und Anpassungsfähigkeit¹⁰, da durch die Änderung einzelner Parameter automatisch die vollständigen Designs aktualisiert werden, ohne dass eine komplexe Neumodellierung des Designs erforderlich ist. Eine daraus resultierende Notwendigkeit ist, dass das Design selbst in einem editierbaren Format geteilt wird, das die parametrischen Beziehungen und die Designhistorie bewahrt. Dateiformate, die nur geometrische Grundkörper darstellen, wie z. B. STL oder STEP, machen nachträgliche parametrische Änderungen an veröffentlichten Modellen unmöglich.

Während die Tetroden-Hyperantriebe 11,12,13 Aufzeichnungen von Dutzenden von Tetroden ermöglichen, sind ihre Montage und Implantation zeitintensiv, und ihre Qualität hängt weitgehend von den Fähigkeiten und Erfahrungen des einzelnen Forschers ab. Darüber hinaus kombinieren sie in der Regel die Führungsrohre, die die Aufzeichnungselektroden an ihren Zielort lenken, in einem oder zwei größeren Bündeln, wodurch die Anzahl und Verteilung der Bereiche, die effizient angesteuert werden können, begrenzt wird.

Andere Implantate^{14, 15} legen den gesamten Schädel frei und ermöglichen die freie Platzierung mehrerer einzelner Mikroantriebe, die die Aufzeichnungselektroden tragen. Während die Anordnung unabhängiger Mikroantriebe¹⁶ während der Operationszeit die Flexibilität maximiert, erhöht sie die Operationszeit und kann es aufgrund des Platzbedarfs der einzelnen Mikroantriebe schwierig machen, mehrere benachbarte Bereiche anzuvisieren. Darüber hinaus sind die Implantate zwar Open Source, werden aber nur als STL-Dateien veröffentlicht, was eine Änderung erschwert.

Ein Beispiel für einen Antrieb mit einer eher inhärenten parametrischen Philosophie ist der RatHat¹⁷. Durch die Bereitstellung einer chirurgischen Schablone, die die gesamte dorsale Oberfläche des Schädels abdeckt, ermöglicht es ein präzises Anvisieren mehrerer Gehirnziele, ohne dass während der Operation ein stereotaktischer Rahmen verwendet werden muss. Es stehen mehrere Implantatvarianten für Kanülen, Optroden oder Tetroden zur Verfügung. Obwohl das Laufwerk für akademische Zwecke kostenlos verwendet werden kann, ist es nicht Open Source veröffentlicht, was für Forscher eine Hürde darstellt, das Implantat zu bewerten und zu verwenden.

In diesem Artikel wird das TD Drive (siehe Abbildung 1) vorgestellt, ein neuartiges 3D-druckbares Implantat für extrazelluläre Elektrodenaufnahmen bei Ratten. Der TD Drive zielt darauf ab, einige der Nachteile bestehender Lösungen zu überwinden: Er ermöglicht es, mehrere Gehirnbereiche, die über beide Hemisphären gespiegelt sind, mit unabhängigen Drahtelektroden gleichzeitig anzusprechen. Aufgrund seines einfachen Aufbaus kann es von weniger erfahrenen Forschern in wenigen Stunden zu relativ geringen Kosten zusammengebaut werden. Das TD Drive wird als Open Source veröffentlicht, in leicht modifizierbaren Dateiformaten, damit Forscher es an ihre spezifischen Bedürfnisse anpassen können. Durch die Einbeziehung eines parametrischen 3D-Modellierungsansatzes von Anfang an in den Designprozess des TD Drive können die zu ändernden Parameter abstrahiert werden: Um die Zielpositionen zu ändern, können die Forscher einfach die Parameter bearbeiten, die ihre dorsoventralen und anteroposterioren Koordinaten darstellen, ohne dass der Antrieb selbst neu konstruiert werden muss. Die Dateien zum Modifizieren und Herstellen des TD Drive finden Sie unter https://github.com/3Dneuro/TD_Drive.

Abbildung 1: Überblick über den TD Drive. (A) Rendering eines TD Drive mit Schutzkappe. (B) Rendering mit gezeigten Innenteilen. Der TD Drive verfügt über (a) mehrere, parametrisch einstellbare Aufnahmeplätze für feste und bewegliche Elektrodendrähte, eine EIB mit (b) einem High-Density-Omnetics-Stecker, der mit gängigen kabelgebundenen und drahtlosen Datenerfassungssystemen kompatibel ist, und (c) eine intuitive Kanalzuordnung, die für Aufnahmen mit Intan/Open Ephys-Systemen optimiert ist (siehe Ergänzende Abbildung 1) und (d) eine Kappe zum Schutz des Implantats bei Tethered Recordings und wenn kein Kopftisch angeschlossen ist. (C) Eine Führungsschablone an der Unterseite des TD Drive erleichtert das Platzieren von Führungskanülen und dient als redundante Überprüfung der Implantatpositionen während der Operation. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Das Implantatdesign wurde in n = 4 pilotiert, in n = 8 validiert und in n= 8 Lister-Kapuzenratten bestätigt, die unterschiedliche Aufgaben ausführten. Die ersten 4 Tiere wurden verwendet, um den Antrieb zu entwickeln und Parameter einzustellen. Dann wurde ein vollständiges Pilotprojekt mit 8 Tieren durchgeführt (siehe Ergebnisse). Eine zweite Kohorte von 8 Tieren wurde durchgeführt und in die Implantatüberlebensanalyse einbezogen. Das Implantat war kompatibel mit Tethered Sleep Recordings und Open Field Recordings (Object Exploration) sowie drahtlosen Aufnahmen in einem großen Labyrinth (HexMaze 9 m x 5 m) unter Verwendung von zwei verschiedenen kommerziellen Aufzeichnungssystemen und Headstages. Die beiden 8er-Kohorten wurden mit zwei verschiedenen Erfassungssystemen aufgezeichnet – angebunden für längere Schlafaufzeichnungen und drahtlos für Aufnahmen zur Erkundung großer Labyrinthe. Wir können daraus schließen, dass dieser einfache Drahtantrieb langwierige Experimente mit größeren Kohorten durch weniger erfahrene Forscher ermöglicht, um sowohl die Analyse des Schlafstadiums als auch die Oszillationsanalyse in mehreren Gehirnbereichen zu ermöglichen. Dies steht im Gegensatz zu den meisten bisherigen elektrophysiologischen Implantaten, die aufgrund der Schwierigkeit und Zeitintensität kleinere Tierkohorten ermöglichen und in der Regel sehr erfahrene Experimentatoren benötigen. Mit diesem Antrieb kann jedoch keine individuelle Neuronenaktivität aufgezeichnet werden. daher ist der Einsatz auf Untersuchungen des lokalen Feldpotentials (LFP) und der Summierungsaktivität beschränkt.