غرسة DREAM: نظام زرع خفيف الوزن ومعياري وفعال من حيث التكلفة للفيزيولوجيا الكهربية المزمنة في الفئران الثابتة الرأس والتصرف بحرية
Summary
هنا ، نقدم نظام زرع مسبار خفيف الوزن وفعال من حيث التكلفة للفيزيولوجيا الكهربية المزمنة في القوارض محسن لسهولة الاستخدام ، واستعادة المسبار ، والتنوع التجريبي ، والتوافق مع السلوك.
Abstract
حسنت التسجيلات الكهربية المزمنة في القوارض بشكل كبير فهمنا لديناميكيات الخلايا العصبية وأهميتها السلوكية. ومع ذلك ، فإن الطرق الحالية لزرع المجسات بشكل مزمن تقدم مقايضات حادة بين التكلفة وسهولة الاستخدام والحجم والقدرة على التكيف والاستقرار على المدى الطويل.
يقدم هذا البروتوكول نظاما جديدا لزرع مسبار مزمن للفئران يسمى DREAM (ديناميكي ، قابل للاسترداد ، اقتصادي ، قابل للتكيف ، ومعياري) ، مصمم للتغلب على المقايضات المرتبطة بالخيارات المتاحة حاليا. يوفر النظام حلا خفيف الوزن ومعياريا وفعالا من حيث التكلفة مع عناصر أجهزة قياسية يمكن دمجها وزرعها في خطوات مباشرة وزرعها بأمان لاستعادتها وإعادة استخدامها عدة مجسات ، مما يقلل بشكل كبير من التكاليف التجريبية.
يدمج نظام الزرع DREAM ثلاث وحدات للأجهزة: (1) محرك أقراص صغير يمكنه حمل جميع مجسات السيليكون القياسية ، مما يسمح للمجربين بضبط عمق التسجيل عبر مسافة سفر تصل إلى 7 مم. (2) تصميم ثلاثي الأبعاد (ثلاثي الأبعاد) قابل للطباعة ومفتوح المصدر لقفص فاراداي يمكن ارتداؤه مغطى بشبكة نحاسية للتدريع الكهربائي وحماية الصدمات ووضع الموصل ، و (3) نظام تثبيت رأس مصغر لتحسين رفاهية وسهولة الاستخدام. تم تحسين بروتوكول الجراحة المقابل للسرعة (المدة الإجمالية: 2 ساعة) ، وسلامة المسبار ، ورعاية.
كان للغرسات تأثير ضئيل على الذخيرة السلوكية للحيوانات ، وكانت قابلة للتطبيق بسهولة في سياقات متحركة بحرية وثابتة الرأس ، وقدمت أشكالا موجية يمكن تحديدها بوضوح واستجابات عصبية صحية لأسابيع من جمع البيانات بعد الزرع. كانت العدوى ومضاعفات الجراحة الأخرى نادرة للغاية.
على هذا النحو ، يعد نظام زرع DREAM حلا متعدد الاستخدامات وفعالا من حيث التكلفة للفيزيولوجيا الكهربية المزمنة في الفئران ، مما يعزز رفاهية ، ويتيح المزيد من التجارب السليمة من الناحية الأخلاقية. يبسط تصميمه الإجراءات التجريبية عبر الاحتياجات البحثية المختلفة ، مما يزيد من إمكانية الوصول إلى الفيزيولوجيا الكهربية المزمنة في القوارض لمجموعة واسعة من مختبرات الأبحاث.
Introduction
برز الفيزيولوجيا الكهربية مع مجسات السيليكون المزروعة بشكل مزمن كتقنية قوية للتحقيق في النشاط العصبي والاتصال في التي تتصرف ، وخاصة في الفئران ، بسبب قابليتها للسحب الوراثية والتجريبية1. أثبتت مجسات السيليكون الصفائحية ، على وجه الخصوص ، أنها أداة لا تقدر بثمن لتحديد العلاقات الوظيفية داخل الأعمدة القشرية2 ولربط ديناميكيات المجموعات العصبية الكبيرة بالسلوك بطريقة كانت مستحيلة سابقا3.
هناك نهجان متكاملان هما المعايير الذهبية الحالية لتسجيل النشاط العصبي في الجسم الحي: المجهر ثنائي الفوتون 4,5 والفيزيولوجيا الكهربيةخارج الخلية 6. يقيد اختيار منهجية التسجيل طبيعة القراءات التي يمكن الحصول عليها: الفحص المجهري ثنائي الفوتون مناسب بشكل خاص للدراسات الطولية للخلايا العصبية التي يمكن تحديدها بشكل فردي في مجموعات كبيرة عبر الوقت ولكنه يعاني من ارتفاع تكاليف المعدات ويقتصر على الطبقات السطحية من القشرة في الأدمغة السليمة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الدقة الزمنية النموذجية ~ 30 هرتز تحد من قدرتها على التقاط ديناميكيات الخلايا العصبية المستمرة 7,8.
في المقابل ، توفر التسجيلات الفيزيولوجية الكهربية دقة زمنية عالية (تصل إلى 40 كيلو هرتز) لتتبع النشاط العصبي لحظة بلحظة ، ويمكن تطبيقها على نطاق واسع عبر الأنواع وكذلك عبر الأعماق القشرية ، ولها إعدادات منخفضة التكلفة نسبيا مقارنة بالمجهر ثنائي الفوتون. ومع ذلك ، من الصعب تحديد الخلايا العصبية الفردية ، وكذلك التتبع الطولي لمجموعات الخلايا العصبية. ينطبق هذا بشكل خاص على أقطاب الأسلاك ، على سبيل المثال ، رباعيات ، وعلى إدخالات القطب الحاد. إلى جانب الافتقار إلى القدرة على تتبع الخلايا العصبية عبر جلسات التسجيل9 ، تسبب عمليات الإدراج الحادة المتكررة صدمة محلية10 تؤدي إلى استجابة مناعية11 ، مما يزيد من فرصة الإصابة بالعدوى والتسمم الغذائي. هذا يقلل في نهاية المطاف من استقرار النشاط العصبي المسجل ومتوسط العمر المتوقع لحيوانات التجارب ، مما يحد من نطاق الدراسات الطولية التي تعرض التسجيلات الكهربية الحادة إلى بضعة أيام فقط12.
تهدف تسجيلات مسبار السيليكون المزمن عالي الكثافة إلى الجمع بين بعض أفضل سمات الفيزيولوجيا الكهربية الحادة والتصوير ثنائي الفوتون. يمكنهم تتبع ديناميكيات السكان العصبية عبر الجلسات مع قدرة منخفضة إلى حد ما على تحديد الخلايا العصبية الفردية مقارنة بالتصوير ثنائيالفوتون 13. توفر هذه التسجيلات مرونة عالية في التنسيب المكاني والدقة الزمنية الدقيقة للإشارات المسجلة ، فضلا عن تحسين طول العمر ورفاهية التجارب مقارنة بالتسجيلات الحادة14. علاوة على ذلك ، على عكس التسجيلات الحادة ، لا يتطلب الفيزيولوجيا الكهربية المزمنة سوى حدث زرع واحد ، مما يقلل بشكل فعال من خطر العدوى وتلف الأنسجة ويقلل من الضغط على15. بشكل جماعي ، تجعل هذه المزايا الفيزيولوجيا الكهربية المزمنة أداة قوية للتحقيق في تنظيم ووظيفة الجهاز العصبي.
ومع ذلك ، فإن تقنيات الزرع المزمن شائعة الاستخدام للفئران تقيد الباحثين لإجراء مقايضات كبيرة بين التوافق مع التسجيلات السلوكية ، ووزن الزرع ، وتكرار الغرسات ، والتكاليف المالية ، وسهولة الاستخدام بشكل عام. لم يتم تصميم العديد من بروتوكولات الزرع لتسهيل إعادة استخدام المجسات16 ، مما يرفع بشكل حاد التكلفة الفعالة للتجارب الفردية وبالتالي يجعل من الصعب ماليا على بعض المختبرات استخدام الفيزيولوجيا الكهربية المزمنة. كما أنها غالبا ما تتطلب نماذج أولية داخلية واسعة النطاق وأعمال تصميم ، والتي قد لا تكون الخبرة والموارد موجودة لها.
من ناحية أخرى ، توفر أنظمة الزرع المتكاملة17 حلا يمكن الوصول إليه على نطاق أوسع للفيزيولوجيا الكهربية المزمنة في القوارض. تم تصميم هذه الأنظمة لدمج محرك ميكرودرايف يحمل المسبار مع بقية الغرسة لتبسيط التعامل مع الغرسة والإجراءات الجراحية. ومع ذلك ، بمجرد زرعها ، يمكن أن تكون هذه الأنظمة ثقيلة للغاية وتحد من قدرة المجرب على تكييف التجربة بمرونة مع إحداثيات الهدف المختلفة. في كثير من الأحيان ، يمنع وزنهم الغرسات في الصغيرة ، ويحتمل أن يضعف حركة ويحفز الإجهاد18. يمكن أن يؤثر هذا بشكل غير متناسب على الأبحاث على مجموعات الأحداث والإناث ، حيث من المرجح أن تؤثر قيود الوزن على هذه المجموعات.
بالإضافة إلى ذلك ، لا تسمح جميع الأنظمة المتكاملة بتعديل مواضع الأقطاب الكهربائية بعد الزرع. هذا أمر مهم ، لأن التسمم أو التندب بسبب إدخال المسبار19 ، خاصة في ال 48 ساعة الأولى بعد الزرع20 ، يمكن أن يقلل من جودة النشاط العصبي المسجل. يمكن أن تحد التعديلات الدقيقة على عمق إدخال المسبار من هذه الآثار السلبية على سلامة الإشارة. لذلك ، يمكن أن تكون آليات تحديد المواقع الدقيقة ، التي تسمى عادة محركات الأقراص الصغيرة ، مفيدة حتى في المجسات التي تحتوي على عدد كبير من الأقطاب الكهربائية الموزعة على طولها.
للتغلب على مثل هذه المقايضات ، نقدم نظاما جديدا للفسيولوجيا الكهربية المزمنة للفئران يعالج قيود التصميمات السابقة من خلال تقديم حل خفيف الوزن وفعال من حيث التكلفة ومعياري. تم تصميم نظام غرسة DREAM ليزن أقل من 10٪ (~ 2.1 جم) من وزن جسم الفأر النموذجي ، مما يضمن رفاهية والحد الأدنى من التأثير على السلوك. يظهر التحقق من صحة تصميم غرسة DREAM تأثيرا ضئيلا على المقاييس السلوكية الرئيسية مثل الحركة – والتي يمكن أن تتأثر بشكل كبير في القوارض عند وضع الأحمال على الجمجمة. يمكن أن يفيد ذلك النماذج التجريبية التي تستخدم المتحركة بحرية وكذلك الثابتة الرأس من خلال تعزيز رفاهية والسماح بإجراء تجارب أكثر صحة من الناحية الأخلاقية.
يشتمل النظام على محرك ميكرودرايف للضبط المرن لعمق التسجيل حتى 7 مم ويمكن تكييفه مع أنواع مختلفة من المجسات وأجهزة التسجيل ، مما يوفر للباحثين أداة فعالة من حيث التكلفة ومتعددة الاستخدامات لمختلف التطبيقات التجريبية. يتم دمج النظام بشكل روتيني مع محرك ميكرودرايف معدني21 ، والذي يوفر استردادا ثابتا للمسبار مقارنة بالأنظمة الأخرى (متوسط معدل الاسترداد المتوقع: حوالي ثلاث عمليات إعادة استخدام موثوقة لكل مسبار) ويقلل بشكل كبير من تكلفة التجارب الفردية.
يتميز التصميم بقفص فاراداي الواقي المطبوع بتقنية 3D ، مما يسمح بحماية رخيصة ولكنها قوية من الضوضاء الكهربية والتأثيرات الميكانيكية والمواد المعدية ، مما يتيح تسجيلات مستقرة وخالية من الضوضاء تعاني من الحد الأدنى من معدلات الإصابة. يتكون هذا القفص القابل للزرع مما يسمى ب “التاج” ، المصمم للحماية من الصدمات ولتوفير هيكل للطلاء الشبكي المعدني الموصل لقفص فاراداي ، وحلقة التاج ، التي تعمل كحامل لمكبر صوت قابل للزرع و / أو موصل مسبار (انظر الشكل 1).
أخيرا ، تم تصميم ألواح الرأس المضمنة في نظام الغرسة المعياري لتكون متوافقة مع نظام تثبيت الرأس الجديد والفعال دون إضافة كتلة إضافية إلى الغرسة. على عكس الأنظمة الأخرى الموجودة ، فإنه لا يتطلب شد مسامير صغيرة بالقرب من الغرسة ، وتسريع تثبيت الفئران في الإعداد التجريبي ، وتحسين العلاقة بين المجرب ، وكذلك الالتزام السلوكي. في الوقت نفسه ، يتم استخدام صفيحة الرأس كقاعدة لبناء الوحدات الأخرى لنظام الفيزيولوجيا الكهربية المزمن DREAM.
يتم نشر ملفات التصميم الخاصة بغرسة DREAM كأجهزة مفتوحة المصدر في https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/. في الأقسام التالية ، سيتم وصف تصميم وتصنيع نظام زرع DREAM ، وسيتم إثبات تنفيذه الناجح في نموذج الماوس ، وسيتم مناقشة تطبيقاته ومزاياه المحتملة مقارنة بالأنظمة الحالية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقدم هذه المخطوطة بروتوكولا للزرع السريع والآمن والموحد للمجسات ، والذي يسمح أيضا باستعادة المسبار وإعادة استخدامه في نهاية التجربة. يستخدم هذا النهج نظاما معياريا لمكونات الزرع ، وتحديدا محرك أقراص صغير ، متوافق مع جميع مجسات السيليكون وأنظمة التسجيل الشائعة ، ولوحة رأس يمكن استخدامها للتجارب السلوكية الثابتة للرأس ، وقفص فاراداي يمكن ارتداؤه لحماية الغرسة. تسمح هذه الكوكبة للمستخدمين بتكييف غرساتهم بمرونة مع النماذج التجريبية المختلفة ، مثل السلوك الثابت للرأس مقابل السلوك الحر الحركة أو تصغير الزرع (بدون قفص فاراداي) مقابل زيادة متانة الإشارة على المدى الطويل (مع قفص فاراداي) – دون الحاجة إلى التضحية بتوحيد الغرسة في هذه العملية.
هذا النهج يجعل التسجيلات الكهربية المزمنة أكثر توحيدا (من خلال العناصر الجاهزة التي لا تتطلب التجميع باليد) ، وأقل تكلفة (من خلال استعادة المسبار) ، وأقل استهلاكا للوقت (عن طريق تبسيط خطوات الجراحة) ، وأكثر توافقا بسهولة مع رعاية وسلوكه (من خلال تقليل حجم الزرع وتثبيت الرأس الخالي من الإجهاد). على هذا النحو ، يهدف هذا البروتوكول إلى جعل الغرسات الكهربية في سلوك القوارض قابلة للتحقيق لمجموعة واسعة من الباحثين خارج المختبرات الرائدة في طليعة المجال.
لتحقيق هذا الهدف ، يقلل البروتوكول المقدم هنا من المفاضلة بين العديد من الجوانب التي غالبا ما تكون حاسمة بنفس القدر من غرسات microdrive ، وهي المرونة ، والنمطية ، وسهولة الزرع ، والاستقرار ، والتكلفة الإجمالية ، والتوافق مع السلوك ، وقابلية إعادة استخدام المسبار. في الوقت الحالي ، غالبا ما تتفوق الأساليب المتاحة في بعض هذه الجوانب ولكن بتكلفة باهظة لميزات أخرى. على سبيل المثال ، بالنسبة لحالات الاستخدام التي تتطلب ثباتا مطلقا للزرع على مدى فترات زمنية طويلة ، قد يكون أفضل نهج للزرع هو تثبيت المسبار مباشرة على الجمجمة25. ومع ذلك ، فإن هذا يمنع أيضا إعادة استخدام المسبار ، وكذلك إعادة وضع مواقع التسجيل في حالة جودة التسجيل السيئة ، وهو غير متوافق مع وضع الزرع القياسي. وبالمثل ، في حين أن محرك AMIE يوفر حلا خفيف الوزن ومنخفض التكلفة لزرع المجسات القابلة للاسترداد ، إلا أنه يقتصر على مجسات فردية ومقيد في وضع الإحداثيات المستهدفة17. في الطرف الآخر من الطيف ، بعض محركات النانو المتاحة تجاريا (انظر الجدول 116،17،21،26،27،28،29،30) صغيرة للغاية ، ويمكن وضعها بحرية على الجمجمة ، وزيادة عدد المجسات التي يمكن زرعها في واحد16. ومع ذلك ، فهي باهظة الثمن مقارنة بالحلول الأخرى ، وتتطلب من المجربين أن يكونوا على درجة عالية من المهارات اللازمة لجراحات الزرع الناجحة ، ويحظرون إعادة استخدام المسبار. محرك الأقراص الصغير الذي طوره Vöröslakos et al.21 ، وهو نسخة خفيفة الوزن منه هي أيضا جزء من هذا البروتوكول ، يضحي بحجم غرسة صغير لتحسين سهولة الاستخدام وانخفاض السعر وإعادة استخدام المسبار
الجدول 1: مقارنة بين الاستراتيجيات الشائعة لزراعة المسبار المزمن في القوارض. التوفر: ما إذا كان محرك الأقراص الصغير مفتوح المصدر (للباحثين لبناء أنفسهم) أو متاحا تجاريا أو كليهما. نمطية: تتكون الأنظمة المتكاملة من مكون واحد أو عدد قليل من المكونات التي لها علاقة ثابتة مع بعضها البعض ، بينما تسمح الأنظمة المعيارية بوضع المسبار / محرك الأقراص الصغير مجانا بالنسبة للحماية (ترس الرأس / قفص فاراداي) بعد إنتاج الغرسة (على سبيل المثال ، في وقت الجراحة). تم تحديد النمطية من المعلومات المنشورة أو بروتوكولات الزرع للغرسات المدرجة. إصلاح الرأس: نعم: تحتوي الغرسة على آليات لتثبيت الرأس مدمجة في تصميمها ، X: تترك الغرسة المساحة لإضافة صفيحة رأس إضافية للتثبيت دون مشاكل كبيرة ، لا: من المحتمل أن يخلق تصميم الغرسة مشكلات في المساحة أو يتطلب تعديلات كبيرة في التصميم للاستخدام مع تثبيت الرأس. موضع المسبار: مقيد: موقع المسبار محدود في مرحلة تصميم الزرع. مرن: يمكن تعديل موقع المسبار حتى أثناء الجراحة. عدد المجسات: عدد المجسات التي يمكن زرعها. لاحظ أن زرع مجسات >2 على الماوس يشكل تحديا كبيرا مستقلا عن نظام الزرع المختار. دقق في قابلية إعادة الاستخدام: نعم ، إذا كان من الممكن ، من الناحية النظرية ، إعادة استخدام المجسات. الوزن / الحجم: وزن وضخامة الغرسة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.
لإنشاء نظام يوفق بين هذه المتطلبات المختلفة بسلاسة أكبر ، تم تصميم غرسة DREAM على أساس غرسة Vöröslakos21 ، ولكن مع العديد من التعديلات الأساسية. أولا ، لتقليل الوزن الإجمالي للزرع ، يتم إنتاج محرك الأقراص الصغير المستخدم هنا من الألومنيوم المشكل آليا بدلا من الفولاذ المقاوم للصدأ المطبوع 3D ، ويتم تصغير تاج فاراداي ، مما يحقق انخفاضا إجماليا في الوزن يتراوح بين 1.2 و 1.4 جم اعتمادا على اختيار مادة لوح الرأس (انظر الجدول 2). ثانيا ، تم تصميم لوحة الرأس المحيطة بمحرك الأقراص الصغير للسماح بآلية تثبيت رأس متكاملة تتيح تثبيت الرأس بسرعة وخالية من الإجهاد مع مضاعفة كقاعدة لقفص فاراداي ، مما يتيح الوصول إلى معظم المناطق المستهدفة المحتملة للتسجيلات العصبية وإضافة الحد الأدنى من الوزن إلى الغرسة. يضمن الشكل المسطح لآلية التثبيت ونقص النتوءات أيضا الحد الأدنى من ضعف المجال البصري للحيوانات أو حركتها (انظر الشكل 2A-C) ، وهو تحسن واضح مقارنة بالأنظمة السابقة31,32. كما تم تغيير تاج وخاتم فاراداي المثبت على لوح الرأس بشكل كبير مقارنة بالتصميمات السابقة. لا تتطلب الآن أي تكيف مخصص (على سبيل المثال ، من حيث وضع الموصل) أو اللحام طوال الجراحة ، وإزالة الأسباب المحتملة لتلف الزرع والتباين غير المتوقع في جودة الزرع. بدلا من ذلك ، توفر غرسة DREAM العديد من الاختلافات القياسية في حلقة التاج التي تسمح بوضع كل موصل في أحد المواضع الأربعة المحددة مسبقا ، مما يقلل من التباين والجهد أثناء الجراحة. أخيرا ، من خلال تحسين نظام الزرع لاستعادة المسبار ، تسمح غرسة DREAM للمجربين بخفض التكلفة بشكل كبير بالإضافة إلى وقت التحضير لكل عملية زرع حيث يمكن عادة استعادة محرك الأقراص الصغير والمسبار وتنظيفهما وإعادة استخدامهما معا.
للحصول على نظرة عامة أكثر شمولا على المقايضات التي تطرحها أنظمة الزرع المختلفة ، انظر الجدول 1. في حين أن النهج المقدم هنا لا يوفر عموما أقصى أداء مقارنة بجميع الاستراتيجيات الأخرى ، على سبيل المثال ، من حيث الحجم أو الاستقرار أو التكلفة ، فإنه يعمل في النطاق الأعلى عبر جميع هذه المعلمات ، مما يجعله أكثر سهولة في التطبيق على مجموعة واسعة من التجارب.
هناك ثلاثة جوانب من البروتوكول حاسمة بشكل خاص للتكيف مع كل حالة استخدام محددة: كوكبة الأرض والمرجع ، وتقنية تدعيم محرك الأقراص الصغير ، والتحقق من صحة الزرع عبر التسجيل العصبي. أولا ، عند زرع الأرض والدبابيس المرجعية ، كان الهدف هو تحديد النقطة الحلوة بين الاستقرار الميكانيكي / الكهربائي والغزو. في حين أن الأسلاك الفضية العائمة المضمنة في الآجار ، على سبيل المثال ، أقل توغلا من البراغي العظمية33 ، فمن المحتمل أن تكون أكثر عرضة للإزاحة بمرور الوقت. يضمن استخدام المسامير ، إلى جانب الأجار ، اتصالا كهربائيا مستقرا مع ميزة سهولة التحكم أثناء الإدخال ، وتجنب صدمة الأنسجة. من غير المحتمل أن يتم إزاحة المسامير الأرضية المثبتة في الجمجمة ، وفي حالة فصل السلك عن الدبوس ، عادة ما تكون إعادة التثبيت بسيطة بسبب مساحة السطح الأكبر واستقرار الدبوس المزروع.
الجدول 2: مقارنة أوزان المكونات بين غرسة DREAM والغرسة التي وصفها Vöröslakos et al.21. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.
ثانيا ، يجب أن يحدث تدعيم محرك الأقراص الصغير بشكل عام قبل إدخال المسبار في الدماغ. هذا يمنع الحركة الجانبية للمسبار داخل الدماغ إذا لم يتم تثبيت محرك الأقراص الصغير بشكل مثالي في حامل التوضيع التجسيمي أثناء الإدراج. للتحقق من موضع المسبار قبل تثبيت محرك الأقراص الصغير في مكانه ، يمكن للمرء أن يخفض طرف ساق المسبار لفترة وجيزة للتأكد من المكان الذي سيتصل فيه بالدماغ لأن استقراء موضع الهبوط قد يكون صعبا نظرا لتحول اختلاف المنظر في المجهر. بمجرد إنشاء موضع microdrive ، يمكن للمرء اختياريا حماية حج القحف باستخدام المطاط الصناعي السيليكوني قبل تدعيم محرك الأقراص الصغير لضمان عدم ملامسة الأسمنت عن طريق الخطأ مع حج القحف ؛ ومع ذلك ، لا ينصح بخفض المسبار من خلال المطاط الصناعي السيليكوني ، حيث يمكن سحب بقايا المطاط الصناعي السيليكوني إلى الدماغ وتسبب الالتهاب والتسمم الغذائي.
ثالثا ، اعتمادا على البروتوكول التجريبي المستخدم ، قد يكون أو لا يكون تسجيل الاختبار مباشرة بعد الجراحة مفيدا. إلى حد كبير ، لن يكون النشاط العصبي المسجل مباشرة بعد إدخال المسبار ممثلا مباشرا للنشاط المسجل بشكل مزمن ، بسبب عوامل مثل تورم الدماغ العابر وحركة الأنسجة حول المسبار ، مما يعني أنه من غير المرجح أن يستقر كل من عمق الإدخال وكذلك أشكال موجات السنبلة بشكل مباشر. على هذا النحو ، يمكن أن تعمل التسجيلات الفورية بشكل أساسي على التأكد من جودة الإشارة العامة وسلامة الزرع. يوصى باستخدام زلاجة microdrive المتحركة في الأيام اللاحقة بعد الجراحة بمجرد استقرار الدماغ لضبط الوضع. يساعد هذا أيضا على تجنب تحريك المسبار بأكثر من 1000 ميكرومتر في اليوم ، مما يقلل من الأضرار التي تلحق بموقع التسجيل وبالتالي تحسين طول عمر موقع التسجيل.
وأخيرا، قد يرغب المستعملون في تكييف النظام للتسجيل من أكثر من موقع مستهدف واحد. نظرا لأن هذا النظام معياري ، فإن المستخدم لديه الكثير من الفسحة حول كيفية تجميع المكونات ووضعها فيما يتعلق ببعضها البعض (انظر أعلاه والشكل التكميلي 3 والشكل التكميلي 4). ويشمل ذلك التعديلات التي من شأنها أن تسمح بتركيب مكوك ممتد أفقيا على محرك الأقراص الصغير ، مما يسمح بزرع مجسات متعددة أو مجسات كبيرة متعددة السيقان ، بالإضافة إلى زرع محركات ميكرو فردية متعددة (انظر الشكل التكميلي 3 والشكل التكميلي 4). تتطلب هذه التعديلات فقط استخدام حلقة تاج معدلة ، مع زيادة عدد مناطق التثبيت للموصلات / لوحات الواجهة / مراحل الرأس. ومع ذلك ، فإن قيود المساحة لهذا التصميم تمليها النموذج الحيواني ، في هذه الحالة ، الماوس ، مما يجعل تكديس مجسات متعددة على محرك ميكرو واحد أكثر جاذبية من حيث البصمة من زرع عدة محركات ميكرو بشكل مستقل عن بعضها البعض. يمكن أن تدعم محركات الأقراص الصغيرة المستخدمة هنا المجسات المكدسة ، وبالتالي ، فإن القيد الحقيقي الوحيد هو عدد المراحل الرئيسية أو الموصلات التي يمكن أن تناسب قيود المساحة والوزن التي يحددها النموذج الحيواني. يمكن أيضا استخدام الفواصل لزيادة مسارات التركيب والإدراج غير الرأسية.
في الختام ، يسمح هذا البروتوكول بزرع مسبار غير مكلف وخفيف الوزن وقابل للتعديل بشكل مهم ، مع ميزة إضافية تتمثل في تصميم محرك الأقراص المصغر الذي يعطي الأولوية لاستعادة المسبار. يعالج هذا مشاكل التكلفة الباهظة للتحقيقات ذات الاستخدام الواحد ، والحاجز العالي للمهارات الجراحية والزرع ، فضلا عن حقيقة أن الحلول التجارية للزرع المزمن غالبا ما تكون صعبة التكيف مع حالات الاستخدام الفريدة. تشكل هذه المشكلات نقطة ألم للمختبرات التي تستخدم بالفعل الفيزيولوجيا الكهربية الحادة ورادعا لتلك التي لا تجري بعد تجارب الفيزيولوجيا الكهربية. يهدف هذا النظام إلى تسهيل استيعاب أبحاث الفيزيولوجيا الكهربية المزمنة على نطاق أوسع بما يتجاوز هذه القيود.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل مجلس البحوث الهولندي (NWO; برنامج كروس أوفر 17619 “INTENSE، TS) وتلقى تمويلا من البرنامج الإطاري السابع للاتحاد الأوروبي (FP7 / 2007-2013) بموجب اتفاقية المنحة رقم 600925 (Neuroseeker، TS، FB، PT)، وكذلك من جمعية ماكس بلانك.
Materials
| 0.05" Solder Tail Socket | Mill-Max | 853-93-100-10-001000 | |
| 1,1’-dioctadecyl-3,3,3’,3’- Reagent tetramethylindocarbocyanine perchlorate (’DiI’; DiIC18(3)) | ThermoFisher | D282 | Lipophilic dye used for easier histological verification of the probe location |
| Adhesive Putty (Blu-Tack) | Bostik | 308590110 | Variations (e.g. by Pritt) should be available in your stationary store |
| Agar | Sigma Aldrich | A1296 | Make with saline for conductivity. |
| Amplifier (Miniamp-64) | Cambridge Neurotech | Miniature and implantable amplifier and digitiser. Alternative Implantable digitiser, or implantable Omnetics connector use possible. | |
| Analgesic Cream (EMLA Cream) | Aspen | 39699/0088 | Analgesic cream used for operative pain containing prilocaine, lidocaine. |
| Angled Spacer | 3DNeuro | Angled spacer for non-perpendicular drive mounting.. Open souce, also available at https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ | |
| Blue light curing LED | B.A. International | 818223 | Curing light for primer polymerisation. 420-480 nm wavelength |
| Bone wax | SMI | Z046 | Wax to protect craniotomy and probe post surgery. |
| Copper mesh | Dexmet | 3CU6-050FA | Copper mesh used to electrically and physically shield probe and craniotomy. |
| Cyanoacrylate glue (Loctite) | Loctite | 1363589 | Cyanoacrylate gel glue |
| Dental Cement (SuperBond C&B) | Sun Medical | K058E | Dental cement (SuperBond) |
| Depilation Cream (Veet) | Veet | 310000091434 | Hair removal cream for removal of hair around surgical site. |
| Faraday crown | 3DNeuro | 3D printed implantable protective cage. Open souce, also available at https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ | |
| Faraday ring | 3DNeuro | 3D printed implantable protective ring for faraday cage. Open souce, also available at https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ | |
| Haemostatic Sponge | SMI | ZHG101010 | Absorbable gelatin haemostatic sponge |
| Heat Shrink Tubing | HellermannTyton | TA32-9/3 BK | Heat Shrink tubing for making soft tipped forceps |
| Iodine | Braunol | 9322507 | Aqueous povidone-iodine solution. |
| Microdrive (R2Drive) | 3DNeuro | Recoverable Metal micro drive with moveable shuttle. Open souce, also available at https://buzsakilab.github.io/ 3d_print_designs/ |
|
| Mineral Oil | Sigma-Aldrich | M5310-100ML | Oil used as solvent to create craniotomy protection gel. |
| Non-Shedding Wipes (Kimtech) | Kimtech | 7552 | Non-shedding wipes |
| Primer | Bisco | B-7202P | Universal skull adhesive preventing moisture from deteriorating the cement and providing a solid base to build up cement onto. |
| R2Drive holder | 3DNeuro | Stereotactic attachment for mounting R2Drive. Open souce, also available at https://buzsakilab.github.io/ 3d_print_designs/ |
|
| Self-adherent wrap | 3M | VB050 | Protective wrap for implant post surgery |
| Silicon probe (H2) | Cambridge Neurotech | Chronically implantable linear silicon probe with 32 channels. Alternative Probe use possible. | |
| Silicone Elastomer (Duragel) | Cambridge Neurotech | Silicone Elastomer | |
| Silicone Plaster (Kwikcast) | WPI | KWIK-CAST | |
| Silver conductive epoxy | MG Chemicals | 8331D-14G | Silver epoxy |
| Size 5 Dumont forceps | FSTools | 11251-10 | Small forceps for lifting bone flap. |
| Stainless steel wire, Teflon coated | Science Products GmBH | SS-3T | Ground wire |
| Stereotax (RWD) | RWD | 68803 | Stereotax for surgical procedures on mice. |
| Tergazyme | Alconox | 1304 | A possible enzymatic cleaner to clean probe |
| Two Part Fast setting Epoxy Resin | Gorilla | EP3 | Epoxy for permanent bonding of DREAM implant parts. |
| Vannas Spring Scissors Round Handle | FSTools | 15403-08 | 0.075mm straight tipped spring rebound veterinary scissors. |
| Veterinary Cyanoacrylate glue (Vetbond) | 3M | 70-0068-5256-3 | Veterinary cyanoacrylate glue |
References
- Epsztein, J., Brecht, M., Lee, A. K. Intracellular determinants of hippocampal CA1 place and silent cell activity in a novel environment. Neuron. 70 (1), 109-120 (2011).
- Okun, M., et al. Diverse coupling of neurons to populations in sensory cortex. Nature. 521 (7553), 511-515 (2015).
- Jun, J. J., et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).
- Znamenskiy, P., Kim, M. -. H., Muir, D. R., Iacaruso, M. F., Hofer, S. B., Mrsic-Flogel, T. D. Functional specificity of recurrent inhibition in visual cortex. Neuron. 112 (6), 991-1000.e8 (2024).
- Rowland, J. M., et al. Propagation of activity through the cortical hierarchy and perception are determined by neural variability. Nat Neurosci. 26 (9), 1584-1594 (2023).
- Roth, M. M., Dahmen, J. C., Muir, D. R., Imhof, F., Martini, F. J., Hofer, S. B. Thalamic nuclei convey diverse contextual information to layer 1 of visual cortex. Nat Neurosci. 19 (2), 299-307 (2016).
- Zong, W., et al. Large-scale two-photon calcium imaging in freely moving mice. Cell. 185 (7), 1240-1256.e30 (2022).
- Demas, J., et al. High-speed, cortex-wide volumetric recording of neuroactivity at cellular resolution using light beads microscopy. Nat Methods. 18 (9), 1103-1111 (2021).
- Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents – EEG, ECoG, LFP and spikes. Nat Rev Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).
- Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. J Neurosci Methods. 148 (1), 1-18 (2005).
- Savya, S. P., et al. In vivo spatiotemporal dynamics of astrocyte reactivity following neural electrode implantation. Biomaterials. 289, 121784 (2022).
- Perge, J. A., et al. Intra-day signal instabilities affect decoding performance in an intracortical neural interface system. J Neural Eng. 10 (3), 036004 (2013).
- Pachitariu, M., Steinmetz, N., Kadir, S., Carandini, M., Harris, K. D. Kilosort: realtime spike-sorting for extracellular electrophysiology with hundreds of channels. bioRxiv. , (2016).
- Buzsáki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).
- Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: Drive fabrication. J Vis Exp. (26), e1094 (2009).
- Jacobs, T., Darch, H., Holtzman, T., De Zeeuw, C. I., Romano, V. Standard operating protocol: Implantation of Cambrige NeuroTech chronic silicon probe and mini-amp-64 digital headstage in mice. Protocol Exchange. , (2023).
- Juavinett, A. L., Bekheet, G., Churchland, A. K. An adaptable, reusable, and light implant for chronic Neuropixels probes. bioRxiv. , (2024).
- Kozai, T. D. Y., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies. ACS Chem Neurosci. 6 (1), 48-67 (2015).
- Nguyen, D. P., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly. J Vis Exp. (26), 1098 (2009).
- Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Exp Neurol. 195 (1), 115-126 (2005).
- 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).
- . IMEC Neuropixels 1.0 User Manual V1.0.8 Available from: https://www.neuropixels.org/_files/ugd/328966_ca209d53ffb346b3bf98be39b903efa9.pdf (2023)
- Baranauskas, G., et al. Carbon nanotube composite coating of neural microelectrodes preferentially improves the multiunit signal-to-noise ratio. J Neural Eng. 8 (6), 066013 (2011).
- Niell, C. M., Stryker, M. P. Modulation of visual responses by behavioral state in mouse visual cortex. Neuron. 65 (4), 472-479 (2010).
- Okun, M., Carandini, M., Harris, K. D. Long term recordings with immobile silicon probes in the mouse cortex. bioRxiv. , (2015).
- Chung, J., Sharif, F., Jung, D., Kim, S., Royer, S. Micro-drive and headgear for chronic implant and recovery of optoelectronic probes. Sci Rep. 7 (1), 2773 (2017).
- Bimbard, C., et al. An adaptable, reusable, and light implant for chronic Neuropixels probes. bioRxiv. , (2024).
- Jones, E. A. A. Chronic recoverable Neuropixels in mice. protocols.io. , (2023).
- . Neuronexus Products – dDrive Available from: https://www.neuronexus.com/products/accessories/microdrives/ddrive (2024)
- van Daal, R. J. J., et al. Implantation of Neuropixels probes for chronic recording of neuronal activity in freely behaving mice and rats. Nat Protoc. 16 (7), 3322-3347 (2021).
- Guo, Z. V., et al. Procedures for behavioral experiments in head-fixed mice. PLoS One. 9 (2), e88678 (2014).
- Groblewski, P. A., et al. A standardized head-fixation system for performing large-scale, in vivo physiological recordings in mice. J Neurosci Methods. 346, 108922 (2020).
- Vasilev, D., Raposo, I., Totah, N. K. Brightness illusions evoke pupil constriction preceded by a primary visual cortex response in rats. Cereb Cortex. 33 (12), 7952-7959 (2023).
.