TD Drive: параметрический имплантат с открытым исходным кодом для многозонной электрофизиологической регистрации у ведущих себя и спящих крыс

Многопрофильный характер взаимодействий мозга во время бодрствования и сна затрудняет исчерпывающее изучение происходящих физиологических процессов. В то время как такие подходы, как функциональная МРТ (фМРТ) и функциональное ультразвуковое исследование (УЗИ), позволяют измерять активность мозга всего мозга ^1,2, они используют нейроваскулярную связь для вывода об активности мозга по гемодинамической активности, ограничивая их временное разрешение^. Кроме того, фМРТ требует помещения испытуемого в МРТ-сканер, запрещая эксперименты со свободно передвигающимися животными. Оптическая визуализация динамики кальция с помощью однофотонной или многофотонной визуализации позволяет одновременно регистрировать сотни нейронов по типу клеток³. Тем не менее, наголовные микроскопы, такие как Miniscope³, которые позволяют свободно двигаться, обычно ограничены визуализацией поверхностных областей коры^{головного мозга} в интактном мозге. В то время как диаметр их поля зрения на коре головного мозга может составлять порядка 1 мм, требования к пространству этих микроскопов, устанавливаемых на головке, могут затруднить нацеливание на несколько, особенно соседних, областей. Таким образом, для точного захвата многозонной динамики мозга в бодрствовании и сне внеклеточная электрофизиология, записанная с помощью электродов, имплантированных в интересующие области мозга, является одним из методов выбора благодаря высокому временному разрешению и пространственной точности^. Кроме того, это позволяет охарактеризовать динамику сна у животных, совместимую с анализами, полученными с помощью ЭЭГ человека, повышая трансляционную ценность этого метода⁶.

Классически в исследованиях, регистрирующих активность мозга с помощью внеклеточных электродов, использовались отдельные проволочные электроды или пучки электродов, такие как тетроды⁷. Современные зонды, такие как зонд Neuropixels⁸ , позволяют воздействовать на несколько областей одновременно, учитывая, что они выровнены по оси, что позволяет имплантировать зонд вдоль этой оси без причинения вреда животному. Тем не менее, точная одновременная запись нескольких пространственно разделенных областей по-прежнему остается сложной задачей, а существующие методы являются либо дорогостоящими, либо трудоемкими.

В последние годы методы аддитивного производства, такие как стереолитография, стали широко доступны. Это позволило исследователям разработать новые электродные имплантаты, которые можно было адаптировать к их^{экспериментальным требованиям9}, например, упростить повторяемое нацеливание на несколько областей мозга. Часто эти конструкции имплантатов также распространяются в академическом сообществе в качестве оборудования с открытым исходным кодом, что позволяет другим исследователям адаптировать их к своим целям. Степень адаптивности конкретных имплантатов варьируется как в зависимости от того, как спроектирован имплантат, так и в зависимости от того, как он используется. Параметрическое моделирование¹⁰ является популярным подходом в системе автоматизированного проектирования, в котором различные компоненты конструкции связаны взаимозависимыми параметрами и определенной историей проектирования. Реализация параметрического подхода к проектированию имплантатов повышает их повторное использование и^{адаптивность10}, так как изменение отдельных параметров автоматически обновляет полные конструкции без необходимости сложного повторного моделирования конструкции. Как следствие, необходимостью, чтобы сам проект был опубликован в редактируемом формате, который сохраняет параметрические отношения и историю проекта. Форматы файлов, представляющие только геометрические примитивы, такие как STL или STEP, делают невозможным последующее параметрическое изменение опубликованных моделей.

В то время как гипердвигатели тетродов 11,12,13 позволяют записывать данные с десятков тетродов, их сборка и имплантация занимают много времени, а их качество во многом зависит от мастерства и опыта отдельного исследователя. Кроме того, они обычно объединяют направляющие трубки, которые направляют записывающие электроды к их целевому местоположению, в один или два больших пучка, тем самым ограничивая количество и распространение областей, на которые можно эффективно воздействовать.

Другие имплантаты^14,15 обнажают весь череп и позволяют свободно размещать несколько отдельных микродисков, несущих записывающие электроды. В то время как установка независимых микродисков¹⁶ во время операции обеспечивает максимальную гибкость, она увеличивает время операции и может затруднить нацеливание на несколько смежных областей из-за требований к пространству отдельных микродисков. Кроме того, несмотря на то, что имплантаты имеют открытый исходный код, они публикуются только в виде файлов STL, что затрудняет модификацию.

Примером диска с более присущей ему параметрической философией является RatHat¹⁷. Благодаря хирургическому трафарету, который покрывает всю дорсальную поверхность черепа, он позволяет точно нацеливаться на несколько головных мишеней без использования стереотаксической рамки во время операции. Доступно несколько вариантов имплантатов для канюль, оптродов или тетродов. Однако, несмотря на то, что диск можно использовать бесплатно в академических целях, он не опубликован в открытом исходном коде, что создает препятствия для исследователей при оценке и использовании имплантата.

В этой статье представлен TD Drive (см. Рисунок 1), новый 3D-печатный имплантат для записи внеклеточных электродов у крыс. TD Drive призван преодолеть некоторые недостатки существующих решений: он позволяет воздействовать на несколько областей мозга, зеркально отражающихся в обоих полушариях, с помощью независимых проволочных электродов одновременно. Благодаря своей простой конструкции, он может быть собран за несколько часов по относительно низкой стоимости менее опытными исследователями. TD Drive опубликован с открытым исходным кодом в легко изменяемых форматах файлов, что позволяет исследователям адаптировать его к своим конкретным потребностям. Использование параметрического 3D-моделирования с самого начала процесса проектирования TD Drive позволяет абстрагировать необходимые параметры: чтобы изменить целевые местоположения, исследователи могут просто отредактировать параметры, представляющие их дорсовентральные и переднезадние координаты, без необходимости перепроектирования самого диска. Файлы для модификации и производства TD Drive можно найти по адресу https://github.com/3Dneuro/TD_Drive.

Рисунок 1: Обзор TD Drive. (A) Рендеринг TD Drive с защитным колпачком. (B) Рендеринг с отображением внутренних частей. TD Drive оснащен (a) несколькими параметрически настраиваемыми местами записи для фиксированных и подвижных электродных проводов, EIB с (b) разъемом Omnetics высокой плотности, совместимым с распространенными привязными и беспроводными системами сбора данных, и (c) интуитивно понятным сопоставлением каналов, оптимизированным для записи с помощью систем Intan/Open Ephys (см. дополнительный рисунок 1) и (d) колпачок для защиты имплантата во время привязной записи и когда не подключен подставной станок. (C) Направляющий трафарет в нижней части TD Drive облегчает размещение направляющих канюль и служит в качестве резервной проверки расположения имплантатов во время операции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Дизайн имплантата был опробован при n = 4, валидирован при n = 8 и подтвержден при n= 8 крысах Lister Hooded, которые выполняли различные задачи. Первые 4 животных были использованы для разработки привода и регулировки параметров. Затем был запущен полный пилотный проект с 8 животными (показано в результатах). Была проведена вторая когорта из 8 животных, которая была включена в анализ выживаемости имплантатов. Имплантат был совместим с привязной записью сна и записью в открытом поле (Object Exploration), а также с беспроводной записью в большом лабиринте (HexMaze 9 м x 5 м) с использованием двух различных коммерческих систем записи и головных сцен. Две когорты по 8 человек были зарегистрированы с помощью двух разных систем сбора данных – привязанной для более длительных записей сна и беспроводной для больших записей исследования лабиринта. Можно сделать вывод, что этот простой проводной диск позволяет проводить длительные эксперименты с большими группами менее опытных исследователей, чтобы обеспечить анализ стадии сна, а также анализ колебаний в нескольких областях мозга. Это контрастирует с большинством электрофизиологических имплантатов на сегодняшний день, которые из-за сложности и трудоемкости позволяют использовать меньшие когорты животных и обычно нуждаются в очень опытных экспериментаторах. Тем не менее, с помощью этого привода невозможно зарегистрировать индивидуальную активность нейронов; таким образом, использование ограничено исследованиями локального полевого потенциала (LFP) и суммирующей активности.