TD Drive: Davranan ve Uyuyan Sıçanlarda Çok Alanlı Elektrofizyolojik Kayıtlar için Parametrik, Açık Kaynaklı Bir İmplant
Summary
Burada, sıçanlar için benzersiz, 3D yazdırılabilir bir implant sunuyoruz, TD Drive adlı, simetrik, iki taraflı tel elektrot kayıtları yapabilen, şu anda aynı anda on dağıtılmış beyin bölgesinde bulunuyor.
Abstract
Birden fazla beyin alanı arasındaki karmaşık etkileşimler, beyne atfedilen çoğu işlevin altında yatar. Öğrenme sürecinin yanı sıra anıların oluşumu ve pekiştirilmesi, beyindeki işlevsel bağlantıya büyük ölçüde dayanan iki örnektir. Ek olarak, yarım küre benzerliklerini ve / veya farklılıklarını araştırmak, bu çok alanlı etkileşimlerle el ele gider. Bu karmaşık süreçleri daha da aydınlatmaya çalışan elektrofizyolojik çalışmalar, bu nedenle, beyin aktivitesinin aynı anda ve sıklıkla iki taraflı bir şekilde birden fazla yerde kaydedilmesine bağlıdır. Burada, şu anda aynı anda on dağıtılmış beyin bölgesinde simetrik, iki taraflı tel elektrot kayıtları yapabilen TD Drive adlı sıçanlar için 3D yazdırılabilir bir implant sunulmaktadır. Açık kaynaklı tasarım, parametrik tasarım ilkeleri kullanılarak oluşturuldu ve potansiyel kullanıcıların, kayıt elektrot konumlarının ön-arka ve mediolateral koordinatları gibi üst düzey parametreleri basitçe ayarlayarak sürücü tasarımını ihtiyaçlarına göre kolayca uyarlamalarına olanak tanıdı. İmplant tasarımı, farklı görevleri yerine getiren n = 20 Lister Hooded sıçanda doğrulandı. İmplant, bağlı uyku kayıtları ve açık alan kayıtları (Nesne Keşfi) ile ve ayrıca iki farklı ticari kayıt sistemi ve headstage kullanılarak büyük bir labirentte kablosuz kayıt ile uyumluydu. Bu nedenle, burada sunulan, hızlı hazırlık ve implantasyonu kolaylaştıran yeni bir elektrofizyolojik implantın uyarlanabilir tasarımı ve montajıdır.
Introduction
Uyanma ve uyku sırasındaki beyin etkileşimlerinin çok alanlı doğası, devam eden fizyolojik süreçleri kapsamlı bir şekilde incelemeyi zorlaştırır. Fonksiyonel MRI (fMRI) ve fonksiyonel ultrason (fUS) gibi yaklaşımlar, tüm beyinlerden beyin aktivitesinin örneklenmesine izin verirken, 1,2, hemodinamik aktiviteden beyin aktivitesini çıkarmak için nörovasküler eşleşmeden yararlanır ve zamansal çözünürlüklerini sınırlar2. Ek olarak, fMRI, araştırma konusunun bir MRI tarayıcısına yerleştirilmesini gerektirir ve serbestçe hareket eden hayvanlarla deney yapılmasını yasaklar. Kalsiyum dinamiğinin tek veya çoklu foton görüntüleme ile optik görüntülenmesi, aynı anda yüzlerce nöronun hücre tipine özgü kayıtlarını sağlar3. Bununla birlikte, serbestçe hareket etme davranışına izin veren Miniskop3 gibi başa takılan mikroskoplar, genellikle sağlam beyinlerdeki yüzeysel kortikal alanların görüntülenmesiyle sınırlıdır4. Korteks üzerindeki görüş alanlarının çapı 1 mm civarında olabilirken, bu başa takılan mikroskopların alan gereksinimleri, özellikle bitişik olan birkaç alanı hedeflemeyi zorlaştırabilir. Bu nedenle, uyanıklık ve uykuda çok alanlı beyin dinamiklerini doğru bir şekilde yakalamak için, beynin ilgi alanlarına implante edilen elektrotlarla kaydedilen hücre dışı elektrofizyoloji, yüksek zamansal çözünürlüğü ve uzamsal hassasiyeti nedeniyle tercih edilen yöntemlerden biridir5. Ek olarak, insan EEG’sinden elde edilen analizlerle uyumlu hayvanlarda uyku dinamiklerinin karakterizasyonuna izin vererek, bu yöntemin translasyonel değerini arttırır6.
Klasik olarak, hücre dışı elektrotlarla beyin aktivitesini kaydeden çalışmalar, tetrodlar7 gibi bireysel tel elektrotlar veya elektrot demetleri kullanmıştır. Neuropixels prob8 gibi son teknoloji problar, hayvanı bozmadan probun bu eksen boyunca implante edilmesine izin veren bir eksen üzerinde hizalandıkları göz önüne alındığında, aynı anda birkaç alanın hedeflenmesine izin verir. Bununla birlikte, mekansal olarak ayrılmış birden fazla alanın doğru eşzamanlı kayıtları, mevcut yöntemlerin maliyetli veya zaman yoğun olması nedeniyle hala zor olmaya devam etmektedir.
Son yıllarda, stereolitografi gibi eklemeli üretim yöntemleri yaygın olarak kullanılabilir hale gelmiştir. Bu, araştırmacıların deneysel gereksinimlerineuyarlanabilen yeni elektrot implantları geliştirmelerine izin verdi 9, örneğin, birden fazla beyin bölgesinin tekrarlanabilir hedeflemesini basitleştirdi. Sıklıkla, bu implant tasarımları açık kaynaklı donanım olarak akademik camia ile de paylaşılır ve diğer araştırmacıların bunları kendi amaçlarına uyarlamalarına olanak tanır. Spesifik implantların uyarlanabilirlik derecesi, hem implantın nasıl tasarlandığına hem de nasıl paylaşıldığına bağlı olarak değişir. Parametrik modelleme10 , tasarımın farklı bileşenlerinin birbirine bağlı parametreler ve tanımlanmış bir tasarım geçmişi ile birbirine bağlandığı bilgisayar destekli tasarımda popüler bir yaklaşımdır. İmplantların tasarımı için parametrik bir yaklaşımın uygulanması, implantların yeniden kullanılabilirliğini ve uyarlanabilirliğiniartırır 10, çünkü bireysel parametrelerin değiştirilmesi, tasarımın karmaşık bir şekilde yeniden modellenmesine gerek kalmadan tüm tasarımları otomatik olarak günceller. Sonuç olarak ortaya çıkan bir gereklilik, tasarımın kendisinin parametrik ilişkileri ve tasarım geçmişini koruyan düzenlenebilir bir formatta paylaşılmasıdır. STL veya STEP gibi yalnızca geometrik temel öğeleri temsil eden dosya biçimleri, yayımlanan modellerin sonraki parametrik değişikliklerini olanaksız hale getirir.
Tetrode hiper sürücüler 11,12,13 düzinelerce tetrode’dan kayıt yapılmasını sağlarken, montajları ve implantasyonları zaman alıcıdır ve kaliteleri büyük ölçüde bireysel araştırmacının beceri ve deneyimine bağlıdır. Ek olarak, genellikle kayıt elektrotlarını hedef konumlarına yönlendiren kılavuz tüpleri bir veya iki büyük demet halinde birleştirirler, böylece verimli bir şekilde hedeflenebilecek alanların sayısını ve yayılmasını sınırlarlar.
Diğer implantlar14,15 tüm kafatasını açığa çıkarır ve kayıt elektrotlarını taşıyan birden fazla ayrı mikro sürücünün serbest yerleştirilmesine izin verir. Ameliyat süresi boyunca bağımsız mikro sürücülerin16 yerleştirilmesi esnekliği en üst düzeye çıkarırken, ameliyat süresini artırır ve tek tek mikro sürücülerin alan gereksinimleri nedeniyle birden fazla bitişik alanı hedeflemeyi zorlaştırabilir. Ek olarak, implantlar açık kaynak kodlu olsa da, yalnızca STL dosyaları olarak yayınlanırlar ve bu da modifikasyonu zorlaştırır.
Daha doğal bir parametrik felsefeye sahip bir sürücü örneği RatHat17’dir. Kafatasının tüm sırt yüzeyini kaplayan cerrahi bir şablon sağlayarak, ameliyat sırasında stereotaktik bir çerçeve kullanılmadan birden fazla beyin hedefinin hassas bir şekilde hedeflenmesine izin verir. Kanüller, optrodlar veya tetrodlar için çoklu implant varyasyonları mevcuttur. Bununla birlikte, sürücü akademik amaçlar için ücretsiz olsa da, açık kaynak olarak yayınlanmamıştır ve bu da araştırmacıların implantı değerlendirmesi ve kullanması için bir engel oluşturmaktadır.
Bu makalede, sıçanlarda hücre dışı elektrot kayıtları için yeni bir 3D yazdırılabilir implant olan TD Drive (bkz. Şekil 1) sunulmaktadır. TD Drive, mevcut çözümlerin bazı dezavantajlarının üstesinden gelmeyi amaçlamaktadır: aynı anda bağımsız tel elektrotlarla her iki yarım küreye yansıtılan birden fazla beyin alanını hedeflemeye izin verir. Basit tasarımı nedeniyle, daha az deneyimli araştırmacılar tarafından nispeten düşük bir maliyetle birkaç saat içinde monte edilebilir. TD Drive, araştırmacıların kendi özel ihtiyaçlarına göre ayarlamasına olanak sağlamak için kolayca değiştirilebilir dosya formatlarında açık kaynaklı olarak yayınlanmıştır. TD Drive’ın tasarım sürecinin başlangıcından itibaren parametrik bir 3D modelleme yaklaşımının dahil edilmesi, değiştirilmesi gereken parametrelerin soyutlanmasına izin verir: hedef konumları değiştirmek için araştırmacılar, sürücüyü yeniden tasarlamaya gerek kalmadan dorsoventral ve anteroposterior koordinatlarını temsil eden parametreleri düzenleyebilirler. TD Drive’ı değiştirmek ve üretmek için dosyalar şu adreste bulunabilir: https://github.com/3Dneuro/TD_Drive.
Şekil 1: TD Sürücüsüne genel bakış. (A) Koruyucu kapaklı bir TD Sürücüsünün görüntülenmesi. (B) İç kısımlar gösterilerek işleme. TD Drive, (a) sabit ve hareketli elektrot telleri için çoklu, parametrik olarak ayarlanabilen kayıt konumları, (b) ortak bağlı ve kablosuz veri toplama sistemleriyle uyumlu yüksek yoğunluklu bir Omnetics konektörüne sahip bir EIB ve (c) Intan/Open Ephys sistemleriyle kayıtlar için optimize edilmiş sezgisel bir kanal haritalama (bkz. Ek Şekil 1) ve (d) gergin kayıtlar sırasında ve hiçbir headstage bağlı olmadığında implantı korumak için bir kapak. (C) TD Drive’ın altındaki bir kılavuz şablon, kılavuz kanüllerin yerleştirilmesini kolaylaştırır ve ameliyat sırasında implant konumlarının yedekli bir doğrulaması olarak hizmet eder. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
İmplant tasarımı n = 4’te pilot olarak uygulandı, n = 8’de doğrulandı ve farklı görevleri yerine getiren n = 8 Lister Hooded sıçanda doğrulandı. İlk 4 hayvan, sürücüyü geliştirmek ve parametreleri ayarlamak için kullanıldı. Daha sonra, 8 hayvanla tam bir pilot uygulama yapıldı (sonuçlarda gösterilmiştir). 8 hayvandan oluşan ikinci bir kohort çalıştırıldı ve implant sağkalım analizine dahil edildi. İmplant, bağlı uyku kayıtları ve açık alan kayıtlarının (Nesne Keşfi) yanı sıra iki farklı ticari kayıt sistemi ve headstage kullanılarak büyük bir labirentte (HexMaze 9 m x 5 m) kablosuz kayıt ile uyumluydu. 8 kişilik iki kohort, daha uzun uyku kayıtları için bağlı ve büyük labirent keşif kayıtları için kablosuz olmak üzere iki farklı toplama sistemi ile kaydedildi. Bu basit tel tahrikinin, uyku evresi analizinin yanı sıra birden fazla beyin bölgesinde salınım analizini mümkün kılmak için daha az deneyimli araştırmacılar tarafından daha büyük kohortlarla uzun süreli deneylere izin verdiği sonucuna varabiliriz. Bu, zorluk ve zaman yoğunluğu nedeniyle daha küçük hayvan kohortlarına izin veren ve genellikle çok deneyimli deneycilere ihtiyaç duyan bugüne kadarki çoğu elektrofizyoloji implantının aksine. Bununla birlikte, bu sürücü ile hiçbir bireysel nöron aktivitesi kaydedilemez; bu nedenle kullanım, yerel alan potansiyeli (LFP) ve toplama aktivitesinin araştırılması ile sınırlıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makalede, serbestçe hareket eden sıçanlar için iki taraflı, simetrik çok alanlı tel elektrot kayıtları için uyarlanabilir bir implant sunulmaktadır.
Önceden tanımlanmış parametreleri değiştirerek implantı kolayca ayarlama yeteneği, TD Drive’ın yaratılmasının motivasyonlarından biriydi. Parametreleri değiştirme esnekliğini en üst düzeye çıkarmayı hedeflerken, aralarındaki ilişkilerdeki içsel kısıtlamalar zorunlu olarak bu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, sürücüyü geliştirme ilhamı için Angela Gomez Fonseca’ya ve hayvanlarla pilot deneyler yapan tüm öğrencilere, Milan Bogers, Floor van Ravenswoud ve Eva Severijnen’e teşekkür eder. Bu çalışma Hollanda Araştırma Konseyi (NWO; Crossover Programı 17619 “YOĞUN”).
Materials
| 0.5 mm drill bit | McMaster | 2951A38 | |
| 1.27 mm pitch interconnected SIP/DIP socket (Mill-Max) | Mouser Electronic | 575-003101 | For essembling and connection of EEG & GND screws |
| 5 minute epoxy | Bison | Commercially available | regular off-the-shelf epoxy |
| cyanoacrylate glue | Loctite | Super Glue-3 | |
| EEG wire | Science Products GmbH | 7SS-2T | |
| Electrode wire | Science Products GmbH | NC7620F | |
| Ethanol | LC | For standard pre-operative sterilization procedure of drive | |
| Fine forceps (5) | FST | 91150-20 | For wire bundle preperation and handling |
| Form 3B | Formlabs | 3D printer used to 3D print the self-printed parts of the TD drive | |
| Gold pins (small) | Neuralynx, Inc. | 9885 | Attachment of electorde wires to EIB board |
| Ground wire | Science Products GmbH | SS-3T/A | |
| High-density connector | LabMaker GmbH/Omnetics | A79026-001 | |
| Lister Hodded rats | Charles River Laboratories | Crl:LIS | we used male rats, 9-12 weeks of age at arrival |
| M1 brass insert | AliExpress | Commercially available | https://aliexpress.com/item/33047616164.html |
| M1 tap | McMaster | 2504A33 | |
| M1x16 screw | Bossard | 1096613 | |
| M1x3 stainless steel screws | Screws and More | 84213_14985 | |
| M2.5×5 polyimide screws | Screws and more | 7985PA25S_50 | |
| mineral oil | McMaster | 1244K14 | |
| Nail polish | Etos | Commercially available | For color coding EEG and GND wires |
| painter's tape | Gamma | Commercially available | For wire bundle preperation |
| Pin vise | McMaster | 8455A16 | |
| plotting paper | Canson | Commercially available | For wire bundle preperation |
| polyimide tubes | Amazon / Small Parts | TWPT-0159-30-50 | AWG, 0.0159" ID, 0.0219" OD, 0.0030" Wall, 30" Length |
| RHD 32-channel headstage with accelerometer | Intan Technologies, LLC | C3324 | For tethered recordings in the sleepbox |
| RHD 3-ft (0.9 m) standard SPI cables | Intan Technologies, LLC | C3203 | From commutator to headstage |
| RHD 6-ft (1.8 m) standard SPI cables | Intan Technologies, LLC | C3206 | From OpenEphys box to commutator |
| Slip Ring with Flange | Adafruit | 1196 | Commutator: 22 mm diameter, 12 wires |
| Solder flux | Griffon S-39 50 ml | Commercially available | For soldering EEG & GND screws |
| soldering paste | Amazon | B08CBZ5HC5 | |
| stainless steel M2 nut | McMaster | 93935A305 | |
| Tethered recording setup | OpenEphys | Acquasition Board | |
| Wireless recording logger | SpikeGadgets | miniLogger 32 | For wireless recordings in the task |
| Wireless recording setup | SpikeGadgets | Main Control Unit (MCU) incl. breakout board and RF transceiver | For wireless recordings in the task |
References
- Deffieux, T., Demené, C., Tanter, M. Functional Ultrasound Imaging: A New Imaging Modality for Neuroscience. Neuroscience. 474, 110-121 (2021).
- Finn, E. S., Poldrack, R. A., Shine, J. M. Functional neuroimaging as a catalyst for integrated neuroscience. Nature. 623 (7986), 263-273 (2023).
- Aharoni, D., Federico Guo, C. Aharoni-Lab/Miniscope-v4: Release for generating. GitHub. , (2023).
- Takasaki, K., Abbasi-Asl, R., Waters, J. Superficial bound of the depth limit of two-photon imaging in mouse brain. eNeuro. 7 (1), (2020).
- Buzsáki, G., et al. Tools for probing local circuits: High-density silicon probes combined with optogenetics. Neuron. 86 (1), 92-105 (2015).
- Lacroix, M. M., et al. Improved sleep scoring in mice reveals human-like stages. bioRxi.v. , (2018).
- Wilson, M. A., McNaughton, B. L. Dynamics of the hippocampal ensemble code for space. Sci New Ser. 261 (5124), 1055-1058 (1993).
- Jun, J. J., et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).
- Headley, D. B., DeLucca, M. V., Haufler, D., Paré, D. Incorporating 3D-printing technology in the design of head-caps and electrode drives for recording neurons in multiple brain regions. J Neurophysiol. 113 (7), 2721-2732 (2015).
- Camba, J. D., Contero, M., Company, P. Parametric CAD modeling: An analysis of strategies for design reusability. Comput Aided Des. 74, 18-31 (2016).
- Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: Drive fabrication. J Vis Exp. (26), e1094 (2009).
- Voigts, J., Siegle, J. H., Pritchett, D. L., Moore, C. I. The flexDrive: An ultra-light implant for optical control and highly parallel chronic recording of neuronal ensembles in freely moving mice. Front Syst Neurosci. 7, (2013).
- Voigts, J., Newman, J. P., Wilson, M. A., Harnett, M. T. An easy-to-assemble, robust, and lightweight drive implant for chronic tetrode recordings in freely moving animals. J Neural Eng. 17 (2), 026044 (2020).
- Sheng, T., et al. A novel 3D-printed multi-driven system for large-scale neurophysiological recordings in multiple brain regions. J Neurosci Methods. 361, 109286 (2021).
- Vöröslakos, M., Petersen, P. C., Vöröslakos, B., Buzsáki, G. Metal microdrive and head cap system for silicon probe recovery in freely moving rodent. eLife. 10, e65859 (2021).
- Mishra, A., Marzban, N., Cohen, M. X., Englitz, B. Dynamics of neural microstates in the VTA-striatal-prefrontal loop during novelty exploration in the rat. bioRxiv. , (2020).
- Allen, L. M., et al. RatHat: A self-targeting printable brain implant system. eNeuro. 7 (2), (2020).
- . Soldering Safety Available from: https://safety.eng.cam.ac.uk/safe-working/copy_of_soldering-safety (2018)
- . Harvard Soldering Safety Guidelines Available from: https://www.ehs.harvard.edu/sites/default/files/soldering_safety_guidelines.pdf (2019)
- Samanta, A., et al. CBD lengthens sleep but shortens ripples and leads to intact simple but worse cumulative memory. iScience. 26 (11), 108327 (2023).
- Machado, F., Malpica, N., Borromeo, S. Parametric CAD modeling for open source scientific hardware: Comparing OpenSCAD and FreeCAD Python scripts. PLOS One. 14 (12), e0225795 (2019).
- Schwarz, C., et al. The head-fixed behaving rat: Procedures and pitfalls. Somatosens Mot Res. 27 (4), 131-148 (2010).
- Gardiner, T. W., Toth, L. A. Stereotactic surgery and long-term maintenance of cranial implants in research animals. Contemp Top Lab Anim Sci. 38 (1), 56-63 (1999).
- França, A. S. C., van Hulten, J. A., Cohen, M. X. Low-cost and versatile electrodes for extracellular chronic recordings in rodents. Heliyon. 6 (9), e04867 (2020).
