Method Article
Aquí, presentamos un implante único imprimible en 3D para ratas, llamado TD Drive, capaz de registros simétricos de electrodos de alambre bilaterales, actualmente en hasta diez áreas cerebrales distribuidas simultáneamente.
Las intrincadas interacciones entre múltiples áreas del cerebro subyacen a la mayoría de las funciones atribuidas al cerebro. El proceso de aprendizaje, así como la formación y consolidación de recuerdos, son dos ejemplos que dependen en gran medida de la conectividad funcional a través del cerebro. Además, la investigación de las similitudes y/o diferencias hemisféricas va de la mano con estas interacciones multizonas. Por lo tanto, los estudios electrofisiológicos que intentan dilucidar aún más estos procesos complejos dependen del registro de la actividad cerebral en múltiples lugares simultáneamente y, a menudo, de manera bilateral. Aquí se presenta un implante imprimible en 3D para ratas, llamado TD Drive, capaz de realizar grabaciones simétricas de electrodos de alambre bilaterales, actualmente en hasta diez áreas cerebrales distribuidas simultáneamente. El diseño de código abierto se creó empleando principios de diseño paramétrico, lo que permite a los posibles usuarios adaptar fácilmente el diseño de la unidad a sus necesidades simplemente ajustando parámetros de alto nivel, como las coordenadas antero-posteriores y mediolaterales de las ubicaciones de los electrodos de registro. El diseño del implante se validó en n = 20 ratas Lister Hooded que realizaron diferentes tareas. 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 utilizando dos sistemas de grabación comerciales diferentes y headstages. Así, se presenta aquí el diseño y montaje adaptable de un nuevo implante electrofisiológico, facilitando una rápida preparación e implantación.
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 corticalessuperficiales 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 hiperimpulsoresde 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.
El presente estudio fue aprobado por la Comisión Central Holandesa Dierproeven (CCD) y se llevó a cabo de acuerdo con la Ley de Experimentos con Animales (códigos de protocolo: 2020-0020-006 y 2020-0020-010). Se utilizaron ratas macho Lister Hooded de 9-12 semanas a su llegada. Los reactivos y el equipo utilizado en el protocolo se enumeran en la Tabla de Materiales. Consulte la Figura complementaria 1 y la Figura complementaria 2 para conocer los pasos del proceso de construcción de la unidad.
1. Ajuste y creación de modelos 3D y datos de la placa de interfaz de electrodos (EIB)
2. Impresión de los modelos 3D y fabricación del BEI
NOTA: Para el presente estudio, se utilizó una impresora 3D disponible comercialmente para producir las piezas (ver Tabla de Materiales). Cuando se utilizan diferentes impresoras o se externaliza la producción, es posible que sea necesario utilizar resinas diferentes y comparables para producir las piezas.
3. Post-procesamiento del cuerpo impreso en 3D
NOTA: La tapa y las lanzaderas no deberían necesitar procesamiento posterior. Dependiendo de la calidad de las impresiones 3D, es posible que deban lijarse ligeramente o eliminar los restos de soporte. Al lijar y taladrar, tenga cuidado de no romper las paredes del cuerpo de la transmisión. Si es necesario, limpie las piezas posprocesadas con isopropanol y, un paño suave y/o aire comprimido.
Figura 2: Representación de la TD Drive. (A,B) TD Drive (A) sin y (B) con una tapa protectora en un modelo de cráneo de rata. (C) Tubos guía de poliimida insertados correctamente en cada uno de los seis sitios de registro. (D) Un conjunto de lanzadera aislado y completo con el tornillo guía, la lanzadera impresa en 3D y el inserto de latón soldado. (E) Cuerpo TD Drive con dos lanzaderas insertadas. Marcados en rojo: (a) orificios avellanados para la lanzadera, (b) guía de la lanzadera, (c) pedestales centrales del cuerpo de la transmisión, (d) plantilla de guía. (F,G) Las ubicaciones importantes en la parte superior (F) e inferior (G) del cuerpo de la unidad que podrían requerir un procesamiento posterior después de la impresión 3D se indican con una flecha roja cada una. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
4. Conjuntos de lanzaderas
5. Montaje de la unidad
6. Preparación de la cubierta protectora
7. Preparación de los electrodos de alambre
8. Preparación del cable de tierra y los cables de EEG
9. Carga de los haces de cables en la unidad
10. Cirugía de implantes impulsivos
NOTA: Este paso describe brevemente los procedimientos quirúrgicos para implantar el TD Drive. Un protocolo de implantación más extenso, que incluye una descripción de las herramientas, así como las dosis y concentraciones de los fármacos, se puede encontrar en el Archivo Complementario 1.
11. Recuperación del BEI
Usando las instrucciones proporcionadas en el protocolo, el TD Drive podría ser construido fácilmente por múltiples experimentadores. Después del desarrollo de la unidad (n = 4), se ejecutó un piloto completo con ocho animales. Se implantó un lote adicional de ocho animales y se realizó la recolección de datos experimentales. Dado que no se ha completado el análisis de los datos de estos animales, se han incluido en el análisis de supervivencia, pero no en otros análisis (por ejemplo, de focalización o histología). La cirugía de implante se realizó 2 semanas después de la llegada (ver Figura 3A para ver las ubicaciones objetivo utilizadas en el piloto). El implante se realizó con los procedimientos quirúrgicos habituales y duró ~3 h. Un cirujano experimentado realizó los implantes iniciales y podría enseñar tanto a los experimentadores experimentados como a los novatos con 2-3 cirugías a la independencia.
Figura 3: Cirugía de implantes, datos del sueño y actividad de banda ancha. (A) Vista general del esquema que muestra las ubicaciones objetivo de las craneotomías (círculos azules) y los tornillos del cráneo (verde: EEG, azul: GND, gris: tornillos de anclaje, tenga en cuenta que hay dos tornillos de anclaje en el lado del cráneo). (B) Fotografía de animales implantados con una cabeza atada durante el sueño y la vigilia. (C) Ejemplo de datos de sueño de animales atados PFC (Prelímbico) y HPC (Ca1), divididos en sueño REM con theta y sueño No REM con delta, husos y ondulaciones. Eje Y: microvoltios, eje x: segundos. Estos datos se pueden utilizar, por ejemplo, para la puntuación del sueño o la detección y el análisis de eventos de oscilación; (D) Ejemplo: actividad de banda ancha registrada de forma inalámbrica en un animal despierto (los canales ruidosos de la izquierda no estaban conectados). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Durabilidad del implante, detecciones delta e histología. (A) Diagrama de supervivencia del implante para dos rondas de experimentos de larga duración. Cabe destacar que en el día 85, n = 8 terminaron el experimento y se planeó la perfundida. (B) Ejemplo de datos para la estabilidad. Se muestra el recuento de detecciones delta en el canal del hipocampo durante los días de registro (~3 días a la semana). Cada animal mostró una variación normal en función de la cantidad de sueño, pero no hubo una deriva general en el tiempo en la señal y, por lo tanto, en las detecciones. (C) Histología representativa que muestra un objetivo bilateral para una rata. Columna izquierda: hemisferio izquierdo, columna derecha: hemisferio derecho. Las coordenadas AP indican las coordenadas anteroposteriores del corte representado, y las flechas apuntan a las lesiones en las áreas objetivo. Ampliación: 1,6x. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Todos los animales se recuperaron bien y toleraron el implante (Figura 3B). Los electrodos frontales y retroespleniales estaban fijos, pero los haces del hipocampo eran móviles. Los haces del hipocampo se implantaron a una profundidad dorsoventral de 2 mm y se ajustaron para maximizar la cobertura de HPC durante las 2 semanas de recuperación de la cirugía, donde se comprobó la señal en vivo durante los períodos de habituación al sueño. En 7 de los 8 animales, se alcanzaron todos los sitios objetivo en al menos un hemisferio (Tabla 2 para las tasas de aciertos, ver Figura 4C para histología representativa). Las grabaciones de vigilia y sueño se realizaron con éxito conectadas a una caja de grabación, así como las grabaciones inalámbricas en un laberinto más grande (datos de ejemplo Figura 3C, D). Los animales mantuvieron los implantes durante 2 meses, cuando los animales individuales comenzaban a perderlos; sin embargo, la mayoría de los animales conservaron los implantes hasta el final del experimento, 85-100 después del implante (Figura 4A). Durante este tiempo, el LFP se mantuvo estable, como se puede ver en un análisis de ejemplo donde se detectaron oscilaciones delta (Figura 4B). Hubo una variabilidad normal a lo largo del tiempo, pero no hubo una deriva sistemática de la señal en ninguna de las áreas cerebrales registradas (incluida la capa piramidal de CA1). Se recomienda que los experimentos finalicen dentro de las 10-15 semanas posteriores a la cirugía. Todos los BEI pudieron recuperarse.
Hemos aplicado este implante principalmente para medir las etapas del sueño y las oscilaciones del sueño en respuesta al aprendizaje y otras intervenciones. Por ejemplo, cómo la ingesta oral de CBD influye en la ocurrencia de oscilaciones y la coherencia entre las áreas cerebrales (ver Samanta et al.20).
Parámetro | Valor mínimo (mm) | Valor máximo (mm) |
medioLateralSite1 | 0.75 | 2 |
medioLateralSite2 | 1.5 | 5 |
medioLateralSite3 | 0.75 | 2 |
Tabla 1: Resumen de los límites impuestos manualmente a los parámetros que controlan las coordenadas mediolaterales de los sitios de registro.
Hemisferio | PFC | RSC | CA1 pyr. |
Derecha | 8 de 8 | 5 de 8 | 6 de 8 |
Izquierda | 8 de 8 | 7 de 8 | 7 de 8 |
Tabla 2: Tasa de aciertos para piloto de 8 animales. En 4 de los 8 animales, todos los electrodos se colocaron correctamente. Sin embargo, en 7 de los 8 animales, todas las áreas del cerebro fueron correctamente dirigidas en al menos un hemisferio (con la excepción de 1 rata a la que le faltaba la capa piramidal CA1).
Figura complementaria 1: Arquitectura de TD Drive. (Arriba) Visión general del mapeo de canales para el TD Drive cuando se utiliza con una cabecera Intan RHD32. (Abajo) Una ilustración adicional de las configuraciones del haz de cables. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura complementaria 2: Imágenes adicionales del TD Drive en varias etapas del proceso de construcción. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo complementario 1: Un ejemplo de protocolo para la implantación del TD Drive. Los procedimientos y las ubicaciones objetivo se ajustan a las preguntas de investigación de los autores y a las políticas institucionales. Haga clic aquí para descargar este archivo.
En este artículo se presenta un implante adaptable para registros de electrodos de alambre bilaterales, simétricos y multiárea para ratas que se mueven libremente.
La capacidad de ajustar fácilmente el implante cambiando los parámetros predefinidos fue una de las motivaciones para la creación del TD Drive. Si bien se pretende maximizar la flexibilidad para cambiar los parámetros, las limitaciones inherentes a las relaciones entre ellos imponen necesariamente límites a esta adaptabilidad. De forma predeterminada, no se establecen límites para los parámetros anteroposteriores, sino que estas coordenadas se rigen por las interacciones lógicas entre sitios y el tamaño total del cuerpo de la unidad. Los parámetros que controlan las coordenadas mediolaterales de todos los sitios de registro están sujetos a límites impuestos manualmente (véase el Cuadro 1). Detrás de las muchas opciones paramétricas hay numerosas interacciones entre las características de diseño. Estas interacciones pueden volverse inconexas bajo ciertas condiciones. En una situación ideal, todas las combinaciones posibles de valores de parámetros son válidas. Sin embargo, con el diseño más complejo del TD Drive, se optó por limitar las coordenadas mediolaterales dentro del rango probado. En principio, es posible elegir coordenadas fuera de los límites probados. Sin embargo, no se recomienda realizar estos cambios, ya que la integridad del diseño puede verse comprometida, y restaurarlo mientras se mantienen las coordenadas fuera de límite puede requerir experiencia en modelado CAD. Este es un resultado inherente del equilibrio entre la facilidad de producción del accionamiento y la flexibilidad: los mayores grados de libertad hacen que la definición paramétrica del accionamiento sea más compleja y puede dar lugar a resultados demasiado finos y no deseados (por ejemplo, la necesidad de producir diferentes EIB para pequeños cambios en el diseño del accionamiento).
Las elecciones de parámetros realizadas en esta manifestación del TD Drive están guiadas por las preferencias de los experimentadores actuales. Se optó, por ejemplo, por aumentar la altura de los pedestales del TD Drive, mejorando la facilidad de implantación durante la cirugía a costa de un implante final ligeramente superior. Sin embargo, el implante sigue siendo mucho más pequeño que los accionamientos con tetrodos móviles individualmente y fue bien aceptado por los animales. Los dos pedestales utilizados para anclar la unidad ("c" en la Figura 2E) se colocan deliberadamente en el plano central, paralelos a la sutura de la línea media del cráneo de la rata. Esto limita las ubicaciones de grabación a coordenadas mediolaterales > 0,75 mm. A menudo, la presencia del seno sagital por debajo de la línea media impone un límite similar para las craneotomías anatómicas. El diseño actual del TD Drive se ha creado en Autodesk Fusion. Si bien es uno de los programas más avanzados para el diseño paramétrico 3D asistido por computadora y, en el momento de la publicación, proporciona una licencia gratuita para uso académico, la naturaleza comercial y basada en la nube del programa representa un riesgo para la libre disponibilidad del diseño. Por lo tanto, portar el diseño a un verdadero software CAD paramétrico de código abierto21, como FreeCAD, podría ser necesario para una iteración futura.
La cirugía para el TD Drive se puede realizar en 2-3 h. Las ubicaciones objetivo del cable se marcan estereotácticamente (PFC +3.5AP junto a la línea media, HPC -3.8AP -/+ 2.5 ML, RSC -5.8 junto a la línea media), y los electrodos de tornillo, GND y tornillos de cráneo adicionales para la estabilidad se colocan en relación con esas ubicaciones. Si bien la plantilla TD Drive proporciona ubicaciones estereotácticas, las imprecisiones en la colocación del tubo de poliimida y el uso de material de tubo menos rígido pueden introducir pequeñas variaciones en la posición de los electrodos. Por lo tanto, se recomienda perforar pequeñas craneotomías (en lugar de orificios de fresa de 0,5 mm del tamaño de un tubo guía) para tener en cuenta esta variabilidad. En esta cirugía, se perfora una sola craneotomía más grande para los objetivos RSC y HPC. Para PFC y RSC, se optó por implantar haces de alambre a una profundidad fija. El haz PFC tenía cables dirigidos a dos profundidades diferentes para registrar desde la corteza prelímbica y la corteza cingulada anterior. Los haces de HPC eran móviles y se construyeron con 3 hilos a diferentes alturas para facilitar el acceso a la capa piramidal de Ca1, así como al estrato radial. El último cable, más corto, permitía la grabación desde el PPC. Logramos los mejores resultados para dirigirse al Ca1 del hipocampo cuando el cable de electrodo más largo se movió a la profundidad objetivo (2 mm ventralmente desde la superficie del cerebro) durante el tiempo de la cirugía, con solo pequeños ajustes en las dos semanas posteriores a la cirugía durante las comprobaciones de señal en vivo para adaptarse a las variaciones individuales y la hinchazón del cerebro después de la cirugía.
Un problema con los implantes grandes, como los hiperimpulsores de tetrodo, en ratas, es la posibilidad de que la estabilidad del implante se degrade y los animales pierdan el implante. Para el TD Drive, se observaron fracasos individuales debido a la degradación de la estabilidad del implante después de 2 meses (3 de 16 animales). Por lo tanto, el TD Drive se recomienda para experimentos con una duración máxima prevista de 8 semanas. Demostramos que para este período de tiempo, la señal es estable, incluso las grabaciones precisas de la capa piramidal del hipocampo, y no hay una deriva sistemática o un bamboleo significativo que afecte las grabaciones de LFP. Un factor para lograr esta estabilidad a largo plazo es el uso de múltiples tornillos de cráneo (ver Figura 3A). En ciertas situaciones, la cantidad de tornillos de anclaje de cráneo usados puede aumentar el riesgo de infecciones22. Sin embargo, es probable que esto sea más relevante en ratas fijadas a la cabeza, donde la tensión repetida de la fijación de la cabeza en la placa principal y los tornillos de anclaje conectados puede resultar en la degradación del implante que facilita las infecciones. Otro factor que aumenta el riesgo de fracaso del implante (y puede inducir molestias en los animales que se comportan) es el peso del implante. Un implante TD drive completo con tornillos de anclaje y cemento dental pesa alrededor de 7 g, y las piezas impresas en 3D y el EIB representan aproximadamente la mitad del peso. Debido al bajo peso de la unidad TD (menos de 1/3 de otros hiperimpulsores de tetrodo grandes), es poco probable que el peso excesivo del implante sea un factor significativo para las fallas de la unidad TD. Generalmente, el factor principal para implantes estables y libres de infecciones es un procedimiento de cirugía estéril y una buena adherencia del cemento dental que está recubriendo el implante al implante, los tornillos de anclaje y el cráneo23. Solo evaluamos el TD Drive para el registro de potenciales de campo locales y no intentamos adquirir actividad de una sola unidad. Si bien esperamos que el implante sea generalmente lo suficientemente estable como para hacerlo, el seguimiento de las mismas unidades dentro y entre sesiones podría requerir la optimización de la estabilidad de la lanzadera, por ejemplo, optimizando el riel guía de la lanzadera ("b" en la Figura 2E). La adición de lanzaderas móviles a los otros sitios de grabación permitiría el uso adicional de electrodos de alambre móviles, que son la forma preferida de garantizar una mejor calidad de señal a largo plazo en las grabaciones unitarias.
Con un tiempo total de montaje de unas 3 h y un tiempo de cirugía de unas 2-3 h, el TD Drive ofrece un compromiso entre los hipermotores de tetrodo y los implantes multihilo más sencillos y menos ajustables24. Con los objetivos elegidos, se lograron registros de 10 áreas cerebrales con 6 paquetes. En comparación con otros implantes para haces de alambre no móviles, la colocación simétrica de los sitios de registro proporciona otra ventaja: si la lateralización no es relevante, la implantación simultánea de alambres en ambos hemisferios duplica la probabilidad de alcanzar el objetivo correcto y el rendimiento de datos por animal. En el piloto, 4 de los 8 animales tenían los 5 sitios objetivo (PFC, incluida la corteza prelímbica (PRL) y la corteza cingulada anterior (ACC), RSC, PPC y capa piramidal de HPC Ca1) dirigidos bilateralmente correctamente, pero 7 de 8 tenían al menos cada área del cerebro en un lado registrada. Por lo tanto, esta unidad es aconsejable para aquellos que desean una solución rápida y fácil de construir para registrar LFP que pueda ser aplicada por investigadores menos experimentados, especialmente cuando se necesita un mayor número de animales, como en los estudios del sueño. Con muchos hiperimpulsores de tetrodo de alta gama que permitirían el registro de la actividad neuronal individual, incluso los investigadores muy hábiles y experimentados solo pueden construir e implantar de 2 a 6 implantes por año, de los cuales muchos no alcanzarán con éxito ninguna área cerebral de interés. Se necesitan muchos años de entrenamiento para lograr tasas de éxito más altas, e incluso entonces, el número de animales que se pueden registrar de manera eficiente sigue siendo bajo.
En resumen, el TD Drive presenta un accionamiento de alambre fácil y rápido de construir con 6 haces que se pueden adaptar fácilmente para contener diferentes sitios de registro y otros implantes como cánulas y fibras.
TS y PvH son empleados de 3Dneuro, Nijmegen, Países Bajos. 3Dneuro co-desarrolló y produce el TD Drive.
Los autores quieren agradecer a Angela Gómez Fonseca por la inspiración para desarrollar la unidad y a todos los estudiantes que realizaron experimentos piloto con los animales, Milan Bogers, Floor van Ravenswoud y Eva Severijnen. Este trabajo contó con el apoyo del Consejo Holandés de Investigación (NWO; Programa Crossover 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 |
Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este JoVE artículos
Solicitar permisoThis article has been published
Video Coming Soon
ACERCA DE JoVE
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos los derechos reservados