El TD Drive: un implante paramétrico de código abierto para registros electrofisiológicos multiárea en ratas que se comportan y duermen

La naturaleza multiárea de las interacciones cerebrales durante la vigilia y el sueño dificulta el estudio exhaustivo de los procesos fisiológicos en curso. Si bien enfoques como la resonancia magnética funcional (fMRI) y la ecografía funcional (fUS) permiten muestrear la actividad cerebral de cerebros completos ^1,2, explotan el acoplamiento neurovascular para inferir la actividad cerebral a partir de la actividad hemodinámica, limitando su resolución temporal². Además, la resonancia magnética funcional requiere la colocación del sujeto de investigación en un escáner de resonancia magnética, lo que prohíbe los experimentos con animales que se mueven libremente. La obtención de imágenes ópticas de la dinámica del calcio con imágenes de uno o varios fotones permite el registro simultáneo de cientos de neuronas específicas del tipo de célula³. Sin embargo, los microscopios montados en la cabeza, como el Miniscope³, que permiten el movimiento libre, generalmente se limitan a obtener imágenes de áreas corticales^{superficiales en} cerebros intactos. Si bien el diámetro de su campo de visión en la corteza puede ser del orden de 1 mm, los requisitos de espacio de estos microscopios montados en la cabeza pueden dificultar el objetivo de varias áreas, especialmente las adyacentes. Por lo tanto, para capturar con precisión la dinámica cerebral multiárea en vigilia y sueño, la electrofisiología extracelular, registrada con electrodos implantados en las áreas cerebrales de interés, es uno de los métodos de elección debido a su alta resolución temporal y precisión espacial⁵. Además, permite la caracterización de la dinámica del sueño en animales compatible con análisis obtenidos a partir de EEG humano, incrementando el valor traslacional de este método⁶.

Clásicamente, los estudios que registran la actividad cerebral con electrodos extracelulares han empleado electrodos de alambre individuales o haces de electrodos,^{como los} tetrodes. Las sondas de última generación como la sonda Neuropixels⁸ permiten apuntar a varias áreas simultáneamente, dado que están alineadas en un eje que permite implantar la sonda a lo largo de ese eje sin perjudicar al animal. Sin embargo, los registros simultáneos precisos de múltiples áreas separadas espacialmente siguen siendo un desafío, ya que los métodos existentes son costosos o requieren mucho tiempo.

En los últimos años, los métodos de fabricación aditiva, como la estereolitografía, se han vuelto ampliamente disponibles. Esto permitió a los investigadores desarrollar nuevos implantes de electrodos que se adaptaban a sus requisitos experimentales⁹, por ejemplo, la focalización repetible simplificada de múltiples áreas cerebrales. Con frecuencia, estos diseños de implantes también se comparten con la comunidad académica como hardware de código abierto, lo que permite a otros investigadores adaptarlos a sus propios fines. El grado de adaptabilidad de los implantes específicos varía tanto en función de cómo se diseña el implante como de cómo se comparte. El modelado paramétrico¹⁰ es un enfoque popular en el diseño asistido por computadora, en el que los diferentes componentes del diseño están vinculados por parámetros interdependientes y un historial de diseño definido. La implementación de un enfoque paramétrico para el diseño de implantes aumenta su reutilización y adaptabilidad¹⁰, ya que el cambio de parámetros individuales actualiza automáticamente los diseños completos sin la necesidad de una remodelación compleja del diseño. Una necesidad consecuente es que el diseño en sí se comparta en un formato editable que conserve las relaciones paramétricas y la historia del diseño. Los formatos de archivo que solo representan primitivas geométricas, como STL o STEP, hacen que las modificaciones paramétricas posteriores de los modelos publicados sean inviables.

Si bien los hiperimpulsores^de tetrodo 11,12,13 permiten grabaciones de docenas de tetrodos, su ensamblaje e implantación requieren mucho tiempo y su calidad depende en gran medida de la habilidad y experiencia del investigador individual. Además, suelen combinar los tubos guía que dirigen los electrodos de registro a su ubicación objetivo en uno o dos haces más grandes, lo que limita el número y la dispersión de las áreas que se pueden apuntar de manera eficiente.

Otros implantes ^14,15 exponen todo el cráneo y permiten la libre colocación de múltiples microdrives individuales que llevan los electrodos de registro. Si bien la colocación de microunidades independientes¹⁶ durante el tiempo de cirugía maximiza la flexibilidad, aumenta el tiempo de cirugía y puede dificultar el enfoque de múltiples áreas adyacentes debido a los requisitos de espacio de las microunidades individuales. Además, aunque los implantes son de código abierto, solo se publican como archivos STL, lo que dificulta su modificación.

Un ejemplo de una unidad con una filosofía paramétrica más inherente es el RatHat¹⁷. Al proporcionar una plantilla quirúrgica que cubre toda la superficie dorsal del cráneo, permite apuntar con precisión a múltiples objetivos cerebrales sin el uso de un marco estereotáctico durante la cirugía. Están disponibles múltiples variaciones de implantes para cánulas, optrodes o tetrodes. Sin embargo, aunque la unidad es de uso gratuito para fines académicos, no se publica de código abierto, lo que crea un obstáculo para que los investigadores evalúen y utilicen el implante.

En este artículo se presenta el TD Drive (ver Figura 1), un novedoso implante imprimible en 3D para el registro de electrodos extracelulares en ratas. El TD Drive tiene como objetivo superar algunos de los inconvenientes de las soluciones existentes: permite dirigirse a múltiples áreas del cerebro, reflejadas en ambos hemisferios, con electrodos de cable independientes simultáneamente. Debido a su diseño simple, puede ser ensamblado en unas pocas horas a un costo relativamente bajo por investigadores menos experimentados. El TD Drive se publica de código abierto, en formatos de archivo fácilmente modificables para permitir a los investigadores ajustarlo a sus necesidades específicas. La incorporación de un enfoque de modelado 3D paramétrico desde el principio del proceso de diseño del TD Drive permite abstraer los parámetros necesarios para cambiar: para cambiar las ubicaciones de los objetivos, los investigadores pueden simplemente editar los parámetros que representan sus coordenadas dorsoventral y anteroposterior, sin necesidad de rediseñar el accionamiento ellos mismos. Los archivos para modificar y fabricar el TD Drive se pueden encontrar en https://github.com/3Dneuro/TD_Drive.

Figura 1: Descripción general de la TD Drive. (A) Representación de una TD Drive con una tapa protectora. (B) Renderizado con las partes internas mostradas. El TD Drive cuenta con (a) múltiples ubicaciones de grabación ajustables paramétricamente para cables de electrodos fijos y móviles, un EIB con (b) un conector Omnetics de alta densidad compatible con sistemas comunes de adquisición de datos conectados e inalámbricos, y (c) un mapeo de canales intuitivo optimizado para grabaciones con sistemas Intan/Open Ephys (ver Figura complementaria 1) y (d) una tapa para proteger el implante durante las grabaciones atadas y cuando no hay ningún cabezal conectado. (C) Una plantilla de guía en la parte inferior del TD Drive facilita la colocación de cánulas guía y sirve como una verificación redundante de las ubicaciones de los implantes durante la cirugía. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El diseño del implante se pilotó en n = 4, se validó en n = 8 y se confirmó en n= 8 ratas Lister Hooded que realizaron diferentes tareas. Los primeros 4 animales se utilizaron para desarrollar el accionamiento y ajustar los parámetros. Luego, se ejecutó un piloto completo con 8 animales (se muestra en los resultados). Se realizó una segunda cohorte de 8 animales y se incluyó en el análisis de supervivencia del implante. El implante era compatible con grabaciones de sueño atadas y grabaciones de campo abierto (Object Exploration), así como con la grabación inalámbrica en un gran laberinto (HexMaze 9 m x 5 m) utilizando dos sistemas de grabación comerciales diferentes y headstages. Las dos cohortes de 8 se grabaron con dos sistemas de adquisición diferentes: atado para grabaciones de sueño más largas e inalámbrico para grabaciones de exploración de laberintos grandes. Podemos concluir que este simple cable permite experimentos de larga duración con cohortes más grandes por parte de investigadores menos experimentados para permitir el análisis de las etapas del sueño, así como el análisis de la oscilación en múltiples áreas del cerebro. Esto contrasta con la mayoría de los implantes de electrofisiología hasta la fecha, que, debido a la dificultad y la intensidad del tiempo, permiten cohortes de animales más pequeñas y, por lo general, necesitan experimentadores muy experimentados. Sin embargo, con este impulso, no se puede registrar la actividad de las neuronas individuales; por lo tanto, el uso se limita a las investigaciones del potencial de campo local (LFP) y la actividad de sumatoria.