TD Drive: un impianto parametrico open-source per registrazioni elettrofisiologiche multi-area in ratti comportamentali e addormentati

La natura multi-area delle interazioni cerebrali durante la veglia e il sonno rende difficile studiare in modo esaustivo i processi fisiologici in corso. Mentre approcci come la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e l’ecografia funzionale (fUS) consentono il campionamento dell’attività cerebrale da cervelli interi ^1,2, sfruttano l’accoppiamento neurovascolare per dedurre l’attività cerebrale dall’attività emodinamica, limitando la loro risoluzione temporale². Inoltre, la fMRI richiede il posizionamento del soggetto della ricerca in uno scanner MRI, vietando esperimenti con animali che si muovono liberamente. L’imaging ottico della dinamica del calcio con imaging a singolo o multifotone consente registrazioni specifiche per tipo di cellula di centinaia di neuroni contemporaneamente³. Tuttavia, i microscopi montati sulla testa come il Miniscope³, che consentono un comportamento di movimento libero, sono solitamente limitati all’imaging di aree corticali superficiali in cervelli intatti⁴. Mentre il diametro del loro campo visivo sulla corteccia può essere dell’ordine di 1 mm, i requisiti di spazio di questi microscopi montati sulla testa possono rendere difficile il targeting di diverse aree, in particolare adiacenti. Pertanto, per catturare accuratamente le dinamiche cerebrali multi-area nella veglia e nel sonno, l’elettrofisiologia extracellulare, registrata con elettrodi impiantati nelle aree cerebrali di interesse, è uno dei metodi di scelta grazie alla sua elevata risoluzione temporale e precisione spaziale⁵. Inoltre, consente la caratterizzazione della dinamica del sonno negli animali compatibile con le analisi ottenute dall’EEG umano, aumentando il valore traslazionale di questo metodo⁶.

Classicamente, gli studi che registrano l’attività cerebrale con elettrodi extracellulari hanno impiegato singoli elettrodi a filo o fasci di elettrodi, come i tetrodi⁷. Sonde all’avanguardia come la sonda Neuropixels⁸ consentono di mirare a più aree contemporaneamente, dato che sono allineate su un asse che consente di impiantare la sonda lungo quell’asse senza danneggiare l’animale. Tuttavia, le registrazioni simultanee accurate di più aree spazialmente separate rimangono ancora impegnative, con i metodi esistenti che sono costosi o richiedono molto tempo.

Negli ultimi anni, i metodi di produzione additiva come la stereolitografia sono diventati ampiamente disponibili. Ciò ha permesso ai ricercatori di sviluppare nuovi impianti di elettrodi adattabili alle loro esigenze sperimentali⁹, ad esempio un targeting semplificato e ripetibile di più aree cerebrali. Spesso, questi progetti di impianti sono anche condivisi con la comunità accademica come hardware open source, consentendo ad altri ricercatori di adattarli ai propri scopi. Il grado di adattabilità di specifici impianti varia sia in base a come l’impianto è progettato sia a come è condiviso. La modellazione parametrica¹⁰ è un approccio popolare nella progettazione assistita da computer, in cui diversi componenti del progetto sono collegati da parametri interdipendenti e da una storia di progettazione definita. L’implementazione di un approccio parametrico per la progettazione degli impianti ne aumenta la riutilizzabilità e l’adattabilità¹⁰, poiché la modifica dei singoli parametri aggiorna automaticamente i progetti completi senza la necessità di una complessa rimodellazione del progetto. Una necessità consequenziale è che il progetto stesso sia condiviso in un formato modificabile che preservi le relazioni parametriche e la cronologia del progetto. I formati di file che rappresentano solo primitive geometriche, come STL o STEP, rendono impossibili le successive modifiche parametriche dei modelli pubblicati.

Mentre gli iperdrive tetrodici 11,12,13 consentono registrazioni da dozzine di tetrodi, il loro assemblaggio e il loro impianto richiedono molto tempo e la loro qualità dipende in gran parte dall’abilità e dall’esperienza del singolo ricercatore. Inoltre, di solito combinano i tubi guida che dirigono gli elettrodi di registrazione verso la loro posizione target in uno o due fasci più grandi, limitando così il numero e la diffusione delle aree che possono essere mirate in modo efficiente.

Altri impianti^14,15 espongono l’intero cranio e consentono il posizionamento libero di più microazionamenti individuali che trasportano gli elettrodi di registrazione. Sebbene il posizionamento di microdrive indipendenti¹⁶ durante l’intervento massimizzi la flessibilità, aumenta il tempo di intervento e può rendere difficile il targeting di più aree adiacenti a causa dei requisiti di spazio dei singoli microdrive. Inoltre, sebbene gli impianti siano open source, vengono pubblicati solo come file STL, rendendo difficile la modifica.

Un esempio di azionamento con una filosofia parametrica più intrinseca è il RatHat¹⁷. Fornendo uno stencil chirurgico che copre l’intera superficie dorsale del cranio, consente di mirare con precisione a più bersagli cerebrali senza l’uso di una cornice stereotassica durante l’intervento chirurgico. Sono disponibili diverse varianti di impianto per cannule, optrodi o tetrodi. Tuttavia, sebbene l’unità sia gratuita per scopi accademici, non è pubblicata in modo open source, creando un ostacolo per i ricercatori nella valutazione e nell’utilizzo dell’impianto.

In questo articolo viene presentato il TD Drive (vedi Figura 1), un nuovo impianto stampabile in 3D per la registrazione di elettrodi extracellulari nei ratti. Il TD Drive mira a superare alcuni degli svantaggi delle soluzioni esistenti: consente di colpire più aree cerebrali, riflesse su entrambi gli emisferi, con elettrodi a filo indipendenti contemporaneamente. Grazie al suo design semplice, può essere assemblato in poche ore a un costo relativamente basso da ricercatori meno esperti. Il TD Drive è pubblicato open-source, in formati di file facilmente modificabili per consentire ai ricercatori di adattarlo alle loro esigenze specifiche. L’incorporazione di un approccio di modellazione 3D parametrica fin dall’inizio del processo di progettazione del TD Drive consente di astrarre i parametri necessari: per modificare le posizioni di destinazione, i ricercatori possono semplicemente modificare i parametri che rappresentano le loro coordinate dorso-ventrali e anteroposteriori, senza la necessità di riprogettare l’azionamento da soli. I file per modificare e produrre l’unità TD sono disponibili all’indirizzo https://github.com/3Dneuro/TD_Drive.

Figura 1: Panoramica dell’unità TD . (A) Rendering di un’unità TD con un cappuccio protettivo. (B) Rendering con le parti interne mostrate. L’unità TD è dotata di (a) posizioni di registrazione multiple regolabili parametricamente per fili di elettrodi fissi e mobili, un EIB con (b) un connettore Omnetics ad alta densità compatibile con i comuni sistemi di acquisizione dati cablati e wireless e (c) una mappatura intuitiva dei canali ottimizzata per le registrazioni con sistemi Intan/Open Ephys (vedere la Figura 1 supplementare) e (d) un cappuccio per proteggere l’impianto durante le registrazioni in tethering e quando non è collegato alcun headstage. (C) Uno stencil guida sul fondo del TD Drive facilita il posizionamento delle cannule guida e funge da verifica ridondante delle posizioni degli impianti durante l’intervento chirurgico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Il design dell’impianto è stato testato in n = 4, convalidato in n = 8 e confermato in n= 8 ratti incappucciati Lister che hanno svolto compiti diversi. I primi 4 animali sono stati utilizzati per sviluppare l’azionamento e regolare i parametri. Quindi, è stato eseguito un progetto pilota completo con 8 animali (mostrato nei risultati). Una seconda coorte di 8 animali è stata analizzata e inclusa nell’analisi di sopravvivenza dell’impianto. L’impianto era compatibile con le registrazioni del sonno vincolate e le registrazioni in campo aperto (Object Exploration), nonché con la registrazione wireless in un grande labirinto (HexMaze 9 m x 5 m) utilizzando due diversi sistemi di registrazione commerciali e headstage. Le due coorti di 8 sono state registrate con due diversi sistemi di acquisizione: collegato per registrazioni del sonno più lunghe e wireless per registrazioni di esplorazione di labirinti di grandi dimensioni. Possiamo concludere che questo semplice azionamento a filo consente esperimenti di lunga durata con coorti più grandi da parte di ricercatori meno esperti per consentire l’analisi della fase del sonno e l’analisi delle oscillazioni in più aree cerebrali. Ciò è in contrasto con la maggior parte degli impianti di elettrofisiologia fino ad oggi, che, a causa della difficoltà e dell’intensità del tempo, consentono coorti di animali più piccole e di solito richiedono sperimentatori molto esperti. Tuttavia, con questa unità, non è possibile registrare l’attività dei singoli neuroni; pertanto, l’uso è limitato alle indagini sul potenziale di campo locale (LFP) e all’attività di sommatoria.