TD Drive: параметрический имплантат с открытым исходным кодом для многозонной электрофизиологической регистрации у ведущих себя и спящих крыс
26 апреля 2024 г.
В этой статье мы представляем уникальный имплантат для крыс, который можно напечатать на 3D-принтере, названный TD Drive, способный вести симметричную двустороннюю запись электродов, в настоящее время в десяти распределенных областях мозга одновременно.
Цель нашего исследования состоит в том, чтобы лучше понять нейронные механизмы, лежащие в основе обработки памяти, особенно изучить взаимодействие между конкретными областями мозга в режиме реального времени в различные моменты обучения, а также во время сна. В связи с этим мы разработали новый драйвовый имплантат, который позволяет нам одновременно наблюдать за нейронной активностью в нескольких областях мозга у свободно движущихся крыс во время выполнения задач и отдыха. Чтобы записать активность мозга у животных, исследователи обычно используют самодельные сложные имплантаты с десятками индивидуально подвижных проволочных электродов.
Тем не менее, для успешного использования и имплантации этих устройств могут потребоваться годы обучения. Наш диск прост в сборке и не нуждается в экспертных руках, что делает такого рода исследования более доступными. Привод TD был разработан на основе трех идей, противопоставляя его другим сложным конструкциям.
Он должен позволять записывать несколько областей мозга на двусторонней основе, быть относительно простым и быстрым в сборке, а исследователи должны иметь возможность адаптировать дизайн самостоятельно, не обладая глубокими знаниями в области 3D-дизайна. Мы стремимся понять, как различные области мозга взаимодействуют друг с другом, когда грызуны выполняют простые и сложные поведенческие задачи? Как обучение и различные лекарства влияют на взаимодействие между областями мозга во время сна, и как эти взаимодействия во время сна связаны с производительностью памяти?
Обзор
В данном исследовании представлен новый, простой в изготовлении имплантат, напечатанный на 3D-принтере, под названием TD Drive, предназначенный для двусторонней регистрации данных с помощью проволочных электродов у свободно передвигающихся крыс. Цель работы заключается в расширении понимания нейронных механизмов, участвующих в процессах памяти, путем записи активности из нескольких областей мозга во время выполнения различных поведенческих задач и во время сна, что делает подобные исследования более доступными.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронауки
- Электрофизиология
- Поведенческие исследования
Теоретическая часть
- Нейронные механизмы, лежащие в основе процессов памяти, изучены недостаточно полно.
- Предыдущие устройства для регистрации данных сложны в устройстве и требуют длительного обучения для использования.
- Данное исследование направлено на упрощение процесса регистрации нейронной активности.
Цель исследования
- Исследование взаимодействий между областями мозга во время обучения и сна.
- Создание более доступной системы регистрации данных для исследователей.
- Изучение влияния обучения и лекарственных препаратов на нейронные взаимодействия.
Используемые методы
- Платформа включает в себя имплантат, напечатанный на 3D-принтере, для электродной записи.
- В качестве биологической модели используются свободно передвигающиеся крысы, что позволяет проводить запись во время поведенческих актов.
- Упоминания о мультиомном или метаболическом анализе отсутствуют.
- Предоставлены подробные инструкции по сборке имплантата с акцентом на простоту конструкции.
Основные результаты
- Имплантат позволяет проводить одновременную запись сигналов из нескольких областей мозга.
- Обеспечивает возможность исследования нейронной активности в режиме реального времени во время выполнения задач и в состоянии покоя.
- Демонстрирует расширение возможностей доступа к электрофизиологическим исследованиям.
Выводы
- Данное исследование демонстрирует значительный прогресс в доступности нейронных записей.
- Практическое значение работы заключается в более глубоком понимании механизмов обработки памяти и нейронных взаимодействий.
Часто задаваемые вопросы
Промышленная значимость для руководства
Одновременная электрофизиологическая регистрация данных из нескольких областей мозга свободно перемещающихся и спящих крыс имеет решающее значение для проверки механистических гипотез в нейробиологии и исследованиях памяти. Параметрический дизайн системы TD Drive с открытым исходным кодом обеспечивает масштабируемый и воспроизводимый сбор данных из распределенных областей мозга, что способствует раннему поиску и валидации мишеней при разработке препаратов для ЦНС. Доступность и адаптивность этой системы снижают технические барьеры, облегчая более широкое изучение портфеля препаратов и стандартизацию между различными исследовательскими центрами.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет исследовать работу нейронных цепей и межрегиональные связи при выполнении задач на обучение и память.
- Способствует снижению биологических рисков, обеспечивая возможность двусторонней записи в режиме реального времени из десяти областей мозга.
- Облегчает функциональную валидацию мишеней за счет фиксации динамических нейронных ответов на поведенческие и фармакологические воздействия.
- Повышает достоверность прогнозов при выборе мишеней в ЦНС благодаря получению многоточечных данных высокого разрешения.
Скрининг и разработка анализа
- Предоставляет валидированную, настраиваемую платформу для получения количественных электрофизиологических показателей в доклинических моделях.
- Стандартизирует размещение электродов и протоколы записи, повышая воспроизводимость результатов в различных исследованиях и группами разных специалистов.
- Обеспечивает масштабируемость анализа и повторное использование платформы за счет возможности быстрой адаптации к новым областям мозга или экспериментальным парадигмам.
- Поддерживает надежную оценку влияния соединений на активность нейронных сетей in vivo.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет доклинические измерения нейронной активности с поведенческими и сонными парадигмами, имеющими значение для конкретного заболевания.
- Обеспечивает трансляционную непрерывность, позволяя проводить лонгитюдные записи одного и того же животного в различных поведенческих состояниях.
- Снижает риски при принятии решений о дальнейшем продвижении исследований, предоставляя надежные многосайтовые нейронные биомаркеры для программ изучения ЦНС.
- Облегчает межвидовые и межмодельные сравнения благодаря стандартизированному оборудованию с открытым исходным кодом.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
TD Drive интегрируется в континуум от этапа поиска до доклинических исследований, обеспечивая возможность проверки гипотез путем анализа нейронных цепей, количественного скрининга и разработки трансляционных биомаркеров на моделях грызунов.
- Фундаментальная биология: обеспечивает проверку механистических гипотез и уточнение сигнальных путей с помощью одновременной многорегиональной регистрации.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные электрофизиологические данные для оценки соединений и терапевтических вмешательств.
- Аналитика: предоставляет нейронные данные высокого разрешения из нескольких участков для статистического сравнения экспериментальных условий.
- Трансляционные исследования: связывает поведенческие, сомнологические и фармакологические исследования с определением соответствующих нейронных биомаркеров.
- Корпоративное повторное использование: предлагает параметрическую платформу с открытым исходным кодом, адаптируемую к различным потребностям исследований ЦНС.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов и снижает механистическую неоднозначность при валидации мишеней в ЦНС.
- Операционная ценность: Оптимизирует сборку и имплантацию устройств, снижая порог обучения и технические сложности.
- Стратегическая ценность: Обеспечивает более обоснованное принятие решений о продолжении или прекращении разработки («go/no-go»), а также эффективно распределяет капитал при сортировке портфеля препаратов для лечения заболеваний ЦНС.
- Влияние на портфель: Поддерживает приоритезацию программ по ЦНС с учетом рисков и способствует их продвижению за счет генерации надежных и масштабируемых данных.
Особенности реализации
- Требуются базовые навыки проведения хирургических операций на грызунах и методов электрофизиологической регистрации.
- Необходим доступ к 3D-печати, стандартному лабораторному оборудованию и совместимым системам регистрации данных.
- Требуется межгрупповая стандартизация протоколов размещения электродов и сбора данных.
- Метод может быть адаптирован для различных областей мозга и вариантов дизайна эксперимента путем корректировки параметров модели.
- Срок службы имплантата и стабильность сигнала могут варьироваться в зависимости от поведения животного и особенностей обращения с ним.
