TD Drive:行動および睡眠ラットにおけるマルチエリア電気生理学的記録のためのパラメトリックなオープンソースインプラント

覚醒と睡眠の間の脳の相互作用は多領域性であるため、進行中の生理学的プロセスを徹底的に研究することは困難です。機能的MRI(fMRI)や機能的超音波(fUS)などのアプローチでは、脳全体から脳活動をサンプリングすることができます^が1,2、神経血管結合を利用して血行動態活動から脳活動を推測するため、時間分解能^{が制限されます2}。また、fMRIでは、研究対象をMRIスキャナーにセットする必要があり、自由に動く動物での実験は禁止されています。単一光子または多光子イメージングによるカルシウムダイナミクスの光学イメージングにより、数百のニューロンの細胞種特異的な同時記録が可能になります³。しかし、Miniscope³のようなヘッドマウント顕微鏡は、自由に動く行動を可能にしますが、通常は無傷の脳⁴の表面皮質領域をイメージングすることに限定されています。皮質上の視野の直径は1mm程度ですが、これらのヘッドマウント顕微鏡のスペース要件により、特に隣接する領域を対象とすることが難しくなる可能性があります。したがって、覚醒時と睡眠時のマルチエリアの脳ダイナミクスを正確に捉えるためには、関心のある脳領域に電極を埋め込んで記録する細胞外電気生理学が、その高い時間分解能と^{空間精度5}から選択可能な方法の1つである。さらに、ヒト脳波から得られた分析と互換性のある動物の睡眠ダイナミクスの特性評価を可能にし、この方法の並進価値を高めます⁶。

従来、細胞外電極を用いて脳活動を記録する研究では、四極管⁷などの個々のワイヤー電極または電極束が用いられてきた。Neuropixelsプローブ⁸ などの最先端のプローブは、動物を損なうことなくその軸に沿ってプローブを移植できる軸上に整列していることを考えると、複数の領域を同時に標的にすることができます。しかし、空間的に離れた複数のエリアを正確に同時録音することは、既存の方法が高価であったり、時間がかかったりするなど、依然として課題となっています。

近年、光造形法などの積層造形法が広く利用されるようになりました。これにより、研究者は、^{例えば、複数の}脳領域の反復可能なターゲティングを簡素化するなど、実験要件9に適応可能な新しい電極インプラントを開発することができました。多くの場合、これらのインプラント設計はオープンソースのハードウェアとして学術コミュニティと共有され、他の研究者が自分の目的に適合させることができます。特定のインプラントの適応性の程度は、インプラントの設計方法と共有方法の両方の結果として異なります。パラメトリックモデリング¹⁰ は、コンピュータ支援設計の一般的なアプローチであり、設計のさまざまなコンポーネントが相互に依存するパラメータと定義された設計履歴によってリンクされます。インプラントの設計にパラメトリックなアプローチを実装すると、個々のパラメータを変更すると、設計の複雑な再モデリングを必要とせずに完全な設計が自動的に更新されるため、インプラントの再利用性と適応性が向上します¹⁰。その結果、デザイン自体が、パラメトリックな関係とデザイン履歴を保持する編集可能な形式で共有される必要があります。STL や STEP など、ジオメトリ プリミティブのみを表すファイル形式では、パブリッシュされたモデルの後続のパラメトリック修正は実行不可能になります。

四極管ハイパードライブ11,12,13は数十の四極管からの録音を可能にしますが、その組み立てと埋め込みには時間がかかり、その品質は個々の研究者のスキルと経験に大きく依存します。さらに、通常、記録電極を目標位置に向けるガイドチューブを1つまたは2つの大きな束にまとめるため、効率的にターゲットを絞ることができる領域の数と広がりが制限されます。

他のインプラント^14,15は、完全な頭蓋骨を露出させ、記録電極を運ぶ複数の個別のマイクロドライブの自由な配置を可能にする。手術時間中に独立したマイクロドライブ¹⁶を配置すると、柔軟性が最大化されるが、手術時間が長くなり、個々のマイクロドライブのスペース要件のために複数の隣接領域を標的とすることが困難になる可能性がある。また、インプラントはオープンソースですが、STLファイルとしてのみ公開されているため、修正が困難です。

より固有のパラメトリック哲学を持つドライブの例は、RatHat¹⁷です。頭蓋骨の背側全体を覆う外科用ステンシルを提供することで、手術中に定位フレームを使用せずに、複数の脳ターゲットを正確にターゲティングすることができます。カニューレ、オプトロード、または四極筋用の複数のインプラントバリエーションが利用可能です。ただし、ドライブは学術目的で無料で使用できますが、オープンソースでは公開されていないため、研究者がインプラントを評価して使用するのはハードルが高くなります。

本稿では、ラットの細胞外電極記録用の新しい3Dプリント可能なインプラントであるTD Drive( 図1参照)を紹介します。TD Driveは、既存のソリューションの欠点を克服することを目的としています:それは、独立したワイヤー電極で、両方の半球にミラーリングされた複数の脳領域を同時にターゲットにすることができます。シンプルなデザインのため、経験の浅い研究者でも比較的低コストで数時間で組み立てることができます。TD Driveはオープンソースで公開されており、研究者が特定のニーズに合わせて調整できるように、簡単に変更できるファイル形式で公開されています。TD Driveの設計プロセスの初期段階からパラメトリック3Dモデリングアプローチを取り入れることで、変更が必要なパラメータを抽象化することができます:ターゲットの位置を変更するために、研究者はドライブ自体を再設計することなく、背腹座標と前後座標を表すパラメータを簡単に編集することができます。TDドライブを変更および製造するためのファイルは、 https://github.com/3Dneuro/TD_Drive にあります。

図1:TDドライブの概要(A)保護キャップ付きのTDドライブのレンダリング。(B)内部パーツが示されたレンダリング。TD Driveは、(a)固定および可動電極線用の複数のパラメトリックに調整可能な記録位置、(b)一般的なテザーおよびワイヤレスデータ収集システムと互換性のある高密度Omneticsコネクタを備えたEIB、および(c)Intan/Open Ephysシステムでの記録に最適化された直感的なチャネルマッピング(補足図1を参照)および(d)テザー録音中およびヘッドステージが接続されていないときにインプラントを保護するためのキャップ。(C)TDドライブの下部にあるガイドステンシルは、ガイドカニューレの配置を容易にし、手術中のインプラント位置の冗長な検証として機能します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

インプラントの設計は、n = 4で試験的に行われ、n = 8で検証され、異なるタスクを実行したn = 8のLister Hoodedラットで確認されました。最初の4匹は、ドライブの開発とパラメータの調整に使用されました。その後、8匹の動物でフルパイロットを実行しました(結果を参照)。8匹の動物の第2コホートを実行し、インプラント生存分析に含めました。このインプラントは、テザー睡眠記録とオープンフィールド記録(オブジェクト探索)だけでなく、2つの異なる商用記録システムとヘッドステージを使用した大きな迷路(HexMaze 9 m x 5 m)での無線記録にも対応していました。8人の2つのコホートは、長時間の睡眠記録用にテザー接続され、大規模な迷路探索記録用にワイヤレス化された2つの異なる取得システムで記録されました。この単純なワイヤードライブにより、経験の浅い研究者による大規模なコホートでの長期にわたる実験が可能になり、睡眠段階の分析や複数の脳領域での振動分析が可能になると結論付けることができます。これは、これまでのほとんどの電気生理学インプラントとは対照的であり、困難と時間の集中性のために、より小さな動物のコホートを可能にし、通常は非常に経験豊富な実験者を必要とします。ただし、このドライブでは、個々のニューロンの活動を記録することはできません。したがって、使用は局所電界電位(LFP)および総和活動の調査に限定されます。