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Method Article
Hier präsentieren wir ein einzigartiges, 3D-druckbares Implantat für Ratten namens TD Drive, das in der Lage ist, symmetrische, bilaterale Drahtelektrodenaufzeichnungen durchzuführen, derzeit in bis zu zehn verteilten Hirnbereichen gleichzeitig.
Komplizierte Wechselwirkungen zwischen mehreren Gehirnbereichen liegen den meisten Funktionen zugrunde, die dem Gehirn zugeschrieben werden. Der Prozess des Lernens sowie die Bildung und Konsolidierung von Erinnerungen sind zwei Beispiele, die stark von der funktionellen Konnektivität des Gehirns abhängen. Darüber hinaus geht die Untersuchung von hemisphärischen Ähnlichkeiten und/oder Unterschieden Hand in Hand mit diesen Multi-Area-Interaktionen. Elektrophysiologische Studien, die versuchen, diese komplexen Prozesse weiter aufzuklären, beruhen daher auf der Aufzeichnung der Gehirnaktivität an mehreren Stellen gleichzeitig und oft bilateral. Hier wird ein 3D-druckbares Implantat für Ratten namens TD Drive vorgestellt, das in der Lage ist, symmetrische, bilaterale Drahtelektrodenaufzeichnungen durchzuführen, derzeit in bis zu zehn verteilten Hirnarealen gleichzeitig. Das Open-Source-Design wurde unter Verwendung parametrischer Designprinzipien entwickelt, die es potenziellen Anwendern ermöglichen, das Antriebsdesign einfach an ihre Bedürfnisse anzupassen, indem sie einfach High-Level-Parameter anpassen, wie z. B. die anterior-posterioren und mediolateralen Koordinaten der Positionen der Aufzeichnungselektroden. Das Implantatdesign wurde an n = 20 Lister-Kapuzenratten validiert, die unterschiedliche Aufgaben ausführten. Das Implantat war sowohl mit Tethered Sleep Recordings und Open Field Recordings (Object Exploration) als auch mit drahtlosen Aufnahmen in einem großen Labyrinth unter Verwendung von zwei verschiedenen kommerziellen Aufzeichnungssystemen und Headstages kompatibel. So wird hier das anpassungsfähige Design und die Montage eines neuen elektrophysiologischen Implantats vorgestellt, das eine schnelle Vorbereitung und Implantation ermöglicht.
Die Mehrbereichsnatur der Gehirninteraktionen während des Wach- und Schlafzustands macht es schwierig, die ablaufenden physiologischen Prozesse erschöpfend zu untersuchen. Während Ansätze wie die funktionelle MRT (fMRT) und der funktionelle Ultraschall (fUS) die Probenahme der Gehirnaktivität aus dem gesamten Gehirn ermöglichen 1,2, nutzen sie die neurovaskuläre Kopplung, um die Gehirnaktivität aus der hämodynamischen Aktivität abzuleiten, was ihre zeitliche Auflösung einschränkt2. Darüber hinaus erfordert die fMRT, dass das Forschungsobjekt in einem MRT-Scanner platziert wird, was Versuche mit frei beweglichen Tieren verbietet. Die optische Bildgebung der Kalziumdynamik mit Einzel- oder Multiphotonen-Bildgebung ermöglicht die zelltypspezifische Aufzeichnung von Hunderten von Neuronen gleichzeitig3. Am Kopf montierte Mikroskope wie das Miniscope3, die ein frei bewegliches Verhalten ermöglichen, sind jedoch in der Regel auf die Abbildung oberflächlicher kortikaler Areale in intakten Gehirnen beschränkt4. Während der Durchmesser ihres Sichtfeldes auf dem Kortex in der Größenordnung von 1 mm liegen kann, kann der Platzbedarf dieser kopfmontierten Mikroskope es schwierig machen, mehrere, insbesondere benachbarte Bereiche anzuvisieren. Um die Mehrbereichsdynamik des Gehirns im Wach- und Schlafbereich genau zu erfassen, ist daher die extrazelluläre Elektrophysiologie, die mit Elektroden aufgezeichnet wird, die in den interessierenden Hirnbereichen implantiert sind, aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung und räumlichen Präzision eine der Methoden der Wahl5. Darüber hinaus ermöglicht es die Charakterisierung der Schlafdynamik bei Tieren, die mit Analysen aus dem menschlichen EEG kompatibel ist, wodurch der Translationswert dieser Methode erhöhtwird 6.
Klassischerweise wurden in Studien, in denen die Gehirnaktivität mit extrazellulären Elektroden aufgezeichnet wurde, einzelne Drahtelektroden oder Elektrodenbündel verwendet, wie z. B. Tetroden7. Modernste Sonden wie die Neuropixels-Sonde8 ermöglichen es, mehrere Bereiche gleichzeitig anzupeilen, da sie auf einer Achse ausgerichtet sind, die es ermöglicht, die Sonde entlang dieser Achse zu implantieren, ohne das Tier zu beeinträchtigen. Die genaue gleichzeitige Erfassung mehrerer, räumlich getrennter Bereiche ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung, da die bestehenden Methoden entweder kosten- oder zeitintensiv sind.
In den letzten Jahren sind additive Fertigungsverfahren wie die Stereolithografie breit verfügbar geworden. Dies ermöglichte es den Forschern, neuartige Elektrodenimplantate zu entwickeln, die an ihre experimentellen Anforderungen angepasst werden konnten9, z. B. ein vereinfachtes wiederholbares Targeting mehrerer Hirnareale. Häufig werden diese Implantatdesigns auch als Open-Source-Hardware mit der akademischen Gemeinschaft geteilt, so dass andere Forscher sie für ihre eigenen Zwecke anpassen können. Der Grad der Anpassungsfähigkeit bestimmter Implantate hängt sowohl von der Art und Weise ab, wie das Implantat gestaltet ist, als auch davon, wie es gemeinsam genutzt wird. Die parametrische Modellierung10 ist ein beliebter Ansatz in der computergestützten Konstruktion, bei dem verschiedene Komponenten der Konstruktion durch voneinander abhängige Parameter und eine definierte Konstruktionshistorie miteinander verknüpft werden. Die Implementierung eines parametrischen Ansatzes für das Design von Implantaten erhöht deren Wiederverwendbarkeit und Anpassungsfähigkeit10, da durch die Änderung einzelner Parameter automatisch die vollständigen Designs aktualisiert werden, ohne dass eine komplexe Neumodellierung des Designs erforderlich ist. Eine daraus resultierende Notwendigkeit ist, dass das Design selbst in einem editierbaren Format geteilt wird, das die parametrischen Beziehungen und die Designhistorie bewahrt. Dateiformate, die nur geometrische Grundkörper darstellen, wie z. B. STL oder STEP, machen nachträgliche parametrische Änderungen an veröffentlichten Modellen unmöglich.
Während die Tetroden-Hyperantriebe 11,12,13 Aufzeichnungen von Dutzenden von Tetroden ermöglichen, sind ihre Montage und Implantation zeitintensiv, und ihre Qualität hängt weitgehend von den Fähigkeiten und Erfahrungen des einzelnen Forschers ab. Darüber hinaus kombinieren sie in der Regel die Führungsrohre, die die Aufzeichnungselektroden an ihren Zielort lenken, in einem oder zwei größeren Bündeln, wodurch die Anzahl und Verteilung der Bereiche, die effizient angesteuert werden können, begrenzt wird.
Andere Implantate14, 15 legen den gesamten Schädel frei und ermöglichen die freie Platzierung mehrerer einzelner Mikroantriebe, die die Aufzeichnungselektroden tragen. Während die Anordnung unabhängiger Mikroantriebe16 während der Operationszeit die Flexibilität maximiert, erhöht sie die Operationszeit und kann es aufgrund des Platzbedarfs der einzelnen Mikroantriebe schwierig machen, mehrere benachbarte Bereiche anzuvisieren. Darüber hinaus sind die Implantate zwar Open Source, werden aber nur als STL-Dateien veröffentlicht, was eine Änderung erschwert.
Ein Beispiel für einen Antrieb mit einer eher inhärenten parametrischen Philosophie ist der RatHat17. Durch die Bereitstellung einer chirurgischen Schablone, die die gesamte dorsale Oberfläche des Schädels abdeckt, ermöglicht es ein präzises Anvisieren mehrerer Gehirnziele, ohne dass während der Operation ein stereotaktischer Rahmen verwendet werden muss. Es stehen mehrere Implantatvarianten für Kanülen, Optroden oder Tetroden zur Verfügung. Obwohl das Laufwerk für akademische Zwecke kostenlos verwendet werden kann, ist es nicht Open Source veröffentlicht, was für Forscher eine Hürde darstellt, das Implantat zu bewerten und zu verwenden.
In diesem Artikel wird das TD Drive (siehe Abbildung 1) vorgestellt, ein neuartiges 3D-druckbares Implantat für extrazelluläre Elektrodenaufnahmen bei Ratten. Der TD Drive zielt darauf ab, einige der Nachteile bestehender Lösungen zu überwinden: Er ermöglicht es, mehrere Gehirnbereiche, die über beide Hemisphären gespiegelt sind, mit unabhängigen Drahtelektroden gleichzeitig anzusprechen. Aufgrund seines einfachen Aufbaus kann es von weniger erfahrenen Forschern in wenigen Stunden zu relativ geringen Kosten zusammengebaut werden. Das TD Drive wird als Open Source veröffentlicht, in leicht modifizierbaren Dateiformaten, damit Forscher es an ihre spezifischen Bedürfnisse anpassen können. Durch die Einbeziehung eines parametrischen 3D-Modellierungsansatzes von Anfang an in den Designprozess des TD Drive können die zu ändernden Parameter abstrahiert werden: Um die Zielpositionen zu ändern, können die Forscher einfach die Parameter bearbeiten, die ihre dorsoventralen und anteroposterioren Koordinaten darstellen, ohne dass der Antrieb selbst neu konstruiert werden muss. Die Dateien zum Modifizieren und Herstellen des TD Drive finden Sie unter https://github.com/3Dneuro/TD_Drive.
Abbildung 1: Überblick über den TD Drive. (A) Rendering eines TD Drive mit Schutzkappe. (B) Rendering mit gezeigten Innenteilen. Der TD Drive verfügt über (a) mehrere, parametrisch einstellbare Aufnahmeplätze für feste und bewegliche Elektrodendrähte, eine EIB mit (b) einem High-Density-Omnetics-Stecker, der mit gängigen kabelgebundenen und drahtlosen Datenerfassungssystemen kompatibel ist, und (c) eine intuitive Kanalzuordnung, die für Aufnahmen mit Intan/Open Ephys-Systemen optimiert ist (siehe Ergänzende Abbildung 1) und (d) eine Kappe zum Schutz des Implantats bei Tethered Recordings und wenn kein Kopftisch angeschlossen ist. (C) Eine Führungsschablone an der Unterseite des TD Drive erleichtert das Platzieren von Führungskanülen und dient als redundante Überprüfung der Implantatpositionen während der Operation. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Das Implantatdesign wurde in n = 4 pilotiert, in n = 8 validiert und in n= 8 Lister-Kapuzenratten bestätigt, die unterschiedliche Aufgaben ausführten. Die ersten 4 Tiere wurden verwendet, um den Antrieb zu entwickeln und Parameter einzustellen. Dann wurde ein vollständiges Pilotprojekt mit 8 Tieren durchgeführt (siehe Ergebnisse). Eine zweite Kohorte von 8 Tieren wurde durchgeführt und in die Implantatüberlebensanalyse einbezogen. Das Implantat war kompatibel mit Tethered Sleep Recordings und Open Field Recordings (Object Exploration) sowie drahtlosen Aufnahmen in einem großen Labyrinth (HexMaze 9 m x 5 m) unter Verwendung von zwei verschiedenen kommerziellen Aufzeichnungssystemen und Headstages. Die beiden 8er-Kohorten wurden mit zwei verschiedenen Erfassungssystemen aufgezeichnet - angebunden für längere Schlafaufzeichnungen und drahtlos für Aufnahmen zur Erkundung großer Labyrinthe. Wir können daraus schließen, dass dieser einfache Drahtantrieb langwierige Experimente mit größeren Kohorten durch weniger erfahrene Forscher ermöglicht, um sowohl die Analyse des Schlafstadiums als auch die Oszillationsanalyse in mehreren Gehirnbereichen zu ermöglichen. Dies steht im Gegensatz zu den meisten bisherigen elektrophysiologischen Implantaten, die aufgrund der Schwierigkeit und Zeitintensität kleinere Tierkohorten ermöglichen und in der Regel sehr erfahrene Experimentatoren benötigen. Mit diesem Antrieb kann jedoch keine individuelle Neuronenaktivität aufgezeichnet werden. daher ist der Einsatz auf Untersuchungen des lokalen Feldpotentials (LFP) und der Summierungsaktivität beschränkt.
Die vorliegende Studie wurde von der niederländischen Zentralkommission Dierproeven (CCD) genehmigt und gemäß dem Tierversuchsgesetz (Protokollcodes: 2020-0020-006 und 2020-0020-010) durchgeführt. Es wurden männliche Lister-Ratten mit Kapuze verwendet, die 9-12 Wochen alt waren. Die Reagenzien und die Ausrüstung, die im Protokoll verwendet werden, sind in der Materialtabelle aufgeführt. In der ergänzenden Abbildung 1 und der ergänzenden Abbildung 2 finden Sie die Schritte des Antriebsaufbaus.
1. Anpassen und Erstellen von 3D-Modellen und Daten der Elektrodenschnittstellenplatine (EIB)
2. Drucken der 3D-Modelle und Herstellung der EIB
HINWEIS: Für die vorliegende Studie wurde ein kommerziell erhältlicher 3D-Drucker zur Herstellung der Teile verwendet (siehe Materialtabelle). Beim Einsatz verschiedener Drucker oder bei der Auslagerung der Produktion kann es vorkommen, dass andere, vergleichbare Harze für die Herstellung der Teile verwendet werden müssen.
3. Nachbearbeitung des 3D-gedruckten Körpers
HINWEIS: Kappe und Schiffchen sollten nicht nachbearbeitet werden müssen. Je nach Qualität der 3D-Drucke kann es sein, dass sie leicht geschliffen oder Stützreste entfernt werden müssen. Achten Sie beim Schleifen und Bohren darauf, die Wände des Antriebskörpers nicht zu brechen. Reinigen Sie nachbearbeitete Teile bei Bedarf mit Isopropanol und/oder einem weichen Tuch und/oder Druckluft.
Abbildung 2: Rendering des TD-Laufwerks. (A,B) TD-Laufwerk (A) ohne und (B) mit Schutzkappe auf einem Rattenschädelmodell. (C) Führungsrohre aus Polyimid, die korrekt in jede der sechs Aufnahmestellen eingesetzt werden. (D) Eine isolierte, fertige Shuttle-Baugruppe bestehend aus der Führungsschraube, dem 3D-gedruckten Shuttle und dem Einsatz aus gelötetem Messing. (E) TD-Antriebskörper mit zwei eingesetzten Shuttles. Rot markiert: (a) Senklöcher für das Shuttle, (b) Shuttle-Führung, (c) Mittelsockel des Antriebskörpers, (d) Führungsschablone. (F,G) Wichtige Stellen an der Ober- (F) und Unterseite (G) des Antriebskörpers, die nach dem 3D-Druck möglicherweise nachbearbeitet werden müssen, sind jeweils durch einen roten Pfeil gekennzeichnet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
4. Shuttle-Baugruppen
5. Zusammenbau des Laufwerks
6. Vorbereiten der Schutzhülle
7. Vorbereiten der Drahtelektroden
8. Vorbereiten des Erdungskabels und der EEG-Drähte
9. Laden der Drahtbündel in das Laufwerk
10. Implantatchirurgie vorantreiben
HINWEIS: In diesem Schritt werden die chirurgischen Verfahren zur Implantation des TD Drive kurz beschrieben. Ein ausführlicheres Implantationsprotokoll, einschließlich einer Beschreibung der Werkzeuge sowie der Dosen und Konzentrationen von Arzneimitteln, findet sich in der Zusatzakte 1.
11. Erholung der EIB
Mit den Anweisungen im Protokoll konnte der TD Drive von mehreren Experimentatoren leicht gebaut werden. Nach der Antriebsentwicklung (n = 4) wurde ein vollwertiger Pilot mit acht Tieren gefahren. Eine weitere Charge von acht Tieren wurde implantiert und eine experimentelle Datenerhebung durchgeführt. Da die Datenanalyse dieser Tiere noch nicht abgeschlossen ist, wurden sie in die Überlebensanalyse einbezogen, nicht jedoch in andere Analysen (z. B. Targeting oder Histologie). Die Impla...
In diesem Artikel wird ein anpassungsfähiges Implantat für bilaterale, symmetrische Mehrbereichs-Drahtelektrodenaufnahmen für sich frei bewegende Ratten vorgestellt.
Die Möglichkeit, das Implantat durch Ändern vordefinierter Parameter einfach anzupassen, war eine der Motivationen für die Entwicklung des TD Drive. Obwohl das Ziel darauf abzielt, die Flexibilität für sich ändernde Parameter zu maximieren, setzen inhärente Einschränkungen in den Bezieh...
TS und PvH sind Mitarbeiter von 3Dneuro, Nijmegen, Niederlande. 3Dneuro hat den TD Drive mitentwickelt und produziert.
Die Autoren danken Angela Gomez Fonseca für die Inspiration zur Entwicklung des Antriebs und allen Studenten, die Pilotversuche mit den Tieren durchgeführt haben, Milan Bogers, Floor van Ravenswoud und Eva Severijnen. Diese Arbeit wurde vom Niederländischen Forschungsrat (NWO; Crossover-Programm 17619 "INTENSE").
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 |
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