O TD Drive: um implante paramétrico de código aberto para registros eletrofisiológicos de várias áreas em ratos que se comportam e dormem

A natureza multi-área das interações cerebrais durante a vigília e o sono dificulta o estudo exaustivo dos processos fisiológicos em andamento. Embora abordagens como ressonância magnética funcional (fMRI) e ultrassom funcional (fUS) permitam a amostragem da atividade cerebral de cérebros inteiros ^1,2, elas exploram o acoplamento neurovascular para inferir a atividade cerebral da atividade hemodinâmica, limitando sua resolução temporal². Além disso, a fMRI requer a colocação do sujeito da pesquisa em um scanner de ressonância magnética, proibindo experimentos com animais em movimento livre. A imagem óptica da dinâmica do cálcio com imagens únicas ou multifotônicas permite registros específicos do tipo de célula de centenas de neurônios simultaneamente³. No entanto, microscópios montados na cabeça, como o Miniscope³, que permitem o comportamento de movimento livre, geralmente são limitados a imagens de áreas corticais superficiais em cérebros intactos⁴. Embora o diâmetro de seu campo de visão no córtex possa ser da ordem de 1 mm, os requisitos de espaço desses microscópios montados na cabeça podem dificultar o direcionamento de várias áreas, especialmente adjacentes. Portanto, para capturar com precisão a dinâmica cerebral multiárea na vigília e no sono, a eletrofisiologia extracelular, registrada com eletrodos implantados nas áreas cerebrais de interesse, é um dos métodos de escolha devido à sua alta resolução temporal e precisão espacial⁵. Além disso, permite a caracterização da dinâmica do sono em animais compatível com análises obtidas a partir de EEG humano, aumentando o valor translacional desse^método6.

Classicamente, estudos que registram a atividade cerebral com eletrodos extracelulares empregaram eletrodos de fios individuais ou feixes de eletrodos, como tetrodos⁷. Sondas de última geração, como a sonda Neuropixels⁸ , permitem atingir várias áreas simultaneamente, uma vez que estão alinhadas em um eixo que permite implantar a sonda ao longo desse eixo sem prejudicar o animal. No entanto, gravações simultâneas precisas de várias áreas espacialmente separadas ainda permanecem desafiadoras, com os métodos existentes sendo caros ou demorados.

Nos últimos anos, os métodos de manufatura aditiva, como a estereolitografia, tornaram-se amplamente disponíveis. Isso permitiu que os pesquisadores desenvolvessem novos implantes de eletrodos adaptáveis às suas necessidades experimentais⁹, por exemplo, direcionamento repetível simplificado de várias áreas do cérebro. Freqüentemente, esses projetos de implantes também são compartilhados com a comunidade acadêmica como hardware de código aberto, permitindo que outros pesquisadores os adaptem aos seus próprios propósitos. O grau de adaptabilidade de implantes específicos varia tanto como resultado de como o implante é projetado quanto como ele é compartilhado. A modelagem paramétrica¹⁰ é uma abordagem popular no projeto auxiliado por computador, na qual diferentes componentes do projeto são vinculados por parâmetros interdependentes e um histórico de projeto definido. A implementação de uma abordagem paramétrica para projetar implantes aumenta sua reutilização e adaptabilidade¹⁰, pois a alteração de parâmetros individuais atualiza automaticamente os designs completos sem a necessidade de remodelação complexa do design. Uma necessidade consequente é que o design em si seja compartilhado em um formato editável que preserve as relações paramétricas e o histórico do design. Os formatos de arquivo que representam apenas primitivas geométricas, como STL ou STEP, inviabilizam as modificações paramétricas subsequentes dos modelos publicados.

Embora os hiperpropulsores tetrodos 11,12,13 permitam gravações de dezenas de tetrodos, sua montagem e implantação são demoradas e sua qualidade depende em grande parte da habilidade e experiência do pesquisador individual. Além disso, eles geralmente combinam os tubos-guia que direcionam os eletrodos de gravação para o local de destino em um ou dois feixes maiores, limitando assim o número e a propagação das áreas que podem ser direcionadas com eficiência.

Outros implantes ^14,15 expõem o crânio completo e permitem a colocação livre de vários microdrives individuais que carregam os eletrodos de gravação. Embora a colocação de microdrives independentes¹⁶ durante o tempo de cirurgia maximize a flexibilidade, aumenta o tempo de cirurgia e pode dificultar o direcionamento de várias áreas adjacentes devido aos requisitos de espaço dos microdrives individuais. Além disso, embora os implantes sejam de código aberto, eles são publicados apenas como arquivos STL, dificultando a modificação.

Um exemplo de unidade com uma filosofia paramétrica mais inerente é o RatHat¹⁷. Ao fornecer um estêncil cirúrgico que cobre toda a superfície dorsal do crânio, ele permite o direcionamento preciso de vários alvos cerebrais sem o uso de uma estrutura estereotáxica durante a cirurgia. Múltiplas variações de implantes para cânulas, optrodes ou tetrodes estão disponíveis. No entanto, embora a unidade seja gratuita para fins acadêmicos, ela não é publicada em código aberto, criando um obstáculo para os pesquisadores avaliarem e usarem o implante.

Apresentado neste artigo é o TD Drive (veja a Figura 1), um novo implante imprimível em 3D para gravações de eletrodos extracelulares em ratos. O TD Drive visa superar algumas das desvantagens das soluções existentes: permite atingir várias áreas do cérebro, espelhadas em ambos os hemisférios, com eletrodos de fio independentes simultaneamente. Devido ao seu design simples, pode ser montado em poucas horas a um custo relativamente baixo por pesquisadores menos experientes. O TD Drive é publicado em código aberto, em formatos de arquivo facilmente modificáveis para permitir que os pesquisadores o ajustem às suas necessidades específicas. A incorporação de uma abordagem de modelagem 3D paramétrica desde o início do processo de design do TD Drive permite que os parâmetros necessários a serem alterados sejam abstraídos: para alterar os locais de destino, os pesquisadores podem simplesmente editar os parâmetros que representam suas coordenadas dorsoventral e anteroposterior, sem a necessidade de redesenhar o acionamento por conta própria. Os arquivos para modificar e fabricar o TD Drive podem ser encontrados em https://github.com/3Dneuro/TD_Drive.

Figura 1: Visão geral da unidade TD. (A) Renderização de uma unidade TD com uma tampa protetora. (B) Renderização com partes internas mostradas. O TD Drive apresenta (a) vários locais de gravação parametricamente ajustáveis para fios de eletrodo fixos e móveis, um EIB com (b) um conector Omnetics de alta densidade compatível com sistemas comuns de aquisição de dados conectados e sem fio e (c) um mapeamento de canal intuitivo otimizado para gravações com sistemas Intan/Open Ephys (consulte a Figura Suplementar 1) e (d) uma tampa para proteger o implante durante gravações amarradas e quando nenhum headstage está conectado. (C) Um estêncil guia na parte inferior do TD Drive facilita a colocação de cânulas guia e serve como uma verificação redundante dos locais dos implantes durante a cirurgia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O desenho do implante foi testado em n = 4, validado em n = 8 e confirmado em n = 8 ratos Lister Hooded que realizaram diferentes tarefas. Os primeiros 4 animais foram usados para desenvolver o impulso e ajustar os parâmetros. Em seguida, um piloto completo foi executado com 8 animais (mostrado nos resultados). Uma segunda coorte de 8 animais foi executada e incluída na análise de sobrevivência do implante. O implante era compatível com gravações de sono amarradas e gravações de campo aberto (Object Exploration), bem como gravação sem fio em um grande labirinto (HexMaze 9 m x 5 m) usando dois sistemas de gravação comercial diferentes e headstages. As duas coortes de 8 foram gravadas com dois sistemas de aquisição diferentes – amarrados para gravações de sono mais longas e sem fio para gravações de exploração de grandes labirintos. Podemos concluir que esse simples acionamento de fio permite experimentos de longa duração com coortes maiores por pesquisadores menos experientes para permitir a análise do estágio do sono, bem como a análise de oscilação em várias áreas do cérebro. Isso contrasta com a maioria dos implantes de eletrofisiologia até o momento, que, devido à dificuldade e intensidade de tempo, permitem coortes menores de animais e geralmente precisam de experimentadores muito experientes. No entanto, com esse impulso, nenhuma atividade individual de neurônios pode ser registrada; assim, o uso é limitado a investigações de potencial de campo local (LFP) e atividade de soma.