TD Drive：一种参数化开源植入物，用于行为和睡眠大鼠的多区域电生理记录

摘要

在这里，我们提出了一种独特的、可 3D 打印的大鼠植入物，名为 TD Drive，能够进行对称的双侧线电极记录，目前同时在多达 10 个分布式大脑区域进行记录。

摘要

多个大脑区域之间错综复杂的相互作用是大脑的大多数功能的基础。学习过程以及记忆的形成和巩固是两个严重依赖大脑功能连接的例子。此外，研究半球的相似性和/或差异性与这些多区域交互密切相关。因此，试图进一步阐明这些复杂过程的电生理学研究依赖于同时且通常以双侧方式记录多个位置的大脑活动。这里展示的是一种名为 TD Drive 的大鼠 3D 打印植入物，能够对称地进行双侧线电极记录，目前同时在多达十个分布式大脑区域进行记录。开源设计采用参数化设计原则创建，允许潜在用户通过简单地调整高级参数（例如记录电极位置的前后和内外侧坐标）轻松使驱动器设计适应他们的需求。植入物设计在 n = 20 只执行不同任务的 Lister Hooded 大鼠中进行了验证。该植入物与联机睡眠记录和旷场记录（对象探索）以及使用两种不同的商业记录系统和头部在大型迷宫中进行无线记录兼容。因此，这里介绍的是新型电生理植入物的适应性设计和组装，有助于快速准备和植入。

引言

觉醒和睡眠期间大脑交互的多区域性质使得很难详尽地研究正在进行的生理过程。虽然功能性 MRI （fMRI） 和功能超声 （fUS） 等方法允许从全脑中采样大脑活动 ^1,2，^但它们利用神经血管耦合从血流动力学活动推断大脑活动，从而限制了它们的时间分辨率²。此外，功能磁共振成像 （fMRI） 要求将研究对象放置在 MRI 扫描仪中，禁止对自由移动的动物进行实验。使用单光子或多光子成像对钙动力学进行光学成像，可同时对数百个神经元进行细胞类型特异性记录³。然而，头戴式显微镜（如 Miniscope³）确实允许自由移动，通常仅限于对完整大脑的浅表皮层区域进行成像⁴。虽然它们在皮层上的视场直径可能在 1 mm 左右，但这些头戴式显微镜的空间要求使其难以瞄准多个区域，尤其是相邻区域。因此，为了准确捕捉清醒和睡眠中的多区域大脑动力学，用植入感兴趣大脑区域的电极记录的细胞外电生理学是首选方法之一，因为它具有高时间分辨率和空间精度⁵。此外，它允许表征与从人类脑电图获得的分析相符的动物睡眠动力学，从而提高该方法的转化价值

研究方案

这项研究得到了荷兰中央委员会Dierproeven（CCD）的批准，并根据《动物实验法》（协议代码：2020-0020-006和2020-0020-010）进行。使用到达时 9-12 周龄的雄性 Lister Hooded 大鼠。实验方案中使用的试剂和设备列在 材料表中。有关驱动器构建过程的步骤，请参见 补充图 1 和 补充图 2 。

1. 调整和创建 3D 模型和电极接口板 （EIB） 数据

1. 在 Autodesk Fusion 中打开驱动器体设计。单击 Modify 选项卡下的 Change Parameters。通过在 anteroPosteriorSite1 中输入前后坐标，在 medioLateralSite1 中输入内侧坐标来调整第一个记录位置的坐标。可以通过调整直径来调整导管或电极的孔直径Site1。对录制位置 2 和 3 重复此操作，模型设计将自动调整。
   注意：当前协议使用的三个位置是海马体 （HPC），包含可移动的金属丝束，以及前额叶 （PFC） 和脾后 （RSC） ....

讨论

本文介绍了一种适应性强的植入物，用于自由移动大鼠的双侧、对称多区域焊丝电极记录。

通过更改预定义参数轻松调整植入物的能力是创建 TD Drive 的动机之一。虽然旨在最大限度地提高参数变化的灵活性，但它们之间关系的固有约束必然会限制这种适应性。默认情况下，前后参数没有设置任何限制，这些坐标由逻辑站点间交互和驱动器主体的整体.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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
M2.5x5 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