ABSTRACT Chronic electrophysiological recordings in rodents have significantly improved our understanding of neuronal dynamics and their behavioral relevance. However, current methods for chronically implanting probes present steep trade-offs between cost, ease of use, size, adaptability and long-term stability. SUMMARY Introducing a lightweight, cost-effective probe implant system for chronic electrophysiology in rodents, optimized for ease of use, probe recovery, experimental versatility and compatibility with behavior. This protocol introduces a novel chronic probe implant system for mice called the DREAM (Dynamic, Recoverable, Economical, Adaptable and Modular), designed to overcome the trade-offs associated with currently available options. The system provides a lightweight, modular and cost-effective solution with standardized hardware elements that can be combined and implanted in straightforward steps and explanted safely for recovery and multiple re-use of probes, significantly reducing experimental costs. The DREAM implant system integrates three hardware modules: (1) a microdrive that can carry all standard silicon probes, allowing experimenters to adjust recording depth across a travel distance of up to 7mm; (2) a 3D-printable, open-source design for a wearable Faraday cage covered in copper mesh for electrical shielding, impact protection and connector placement, and (3) a miniaturized head-fixation system for improved animal welfare and ease of use. The corresponding surgery protocol was optimized for speed (total duration: 2 hours), probe safety and animal welfare. The resulting implants had minimal impact on animals’ behavioral repertoire, were easily applicable in freely moving and head-fixed contexts and delivered clearly identifiable spike waveforms and healthy neuronal responses for weeks of data collection post-implant. Infections and other surgery complications were extremely rare. As such, the DREAM implant system is a versatile, cost-effective solution for chronic electrophysiology in mice, enhancing animal well-being, and enabling more ethologically sound experiments. Its design simplifies experimental procedures across various research needs, increasing accessibility of chronic electrophysiology in rodents to a wide range of research labs.

Chronic electrophysiological recordings in rodents have significantly improved our understanding of neuronal dynamics and their behavioral relevance. However, current methods for chronically implanting probes present steep trade-offs between cost, ease of use, size, adaptability, and long-term stability. This protocol introduces a novel chronic probe implant system for mice called the DREAM (Dynamic, Recoverable, Economical, Adaptable, and Modular), designed to overcome the trade-offs associated with currently available options. The system provides a lightweight, modular and cost-effective solution with standardized hardware elements that can be combined and implanted in straightforward steps and explanted safely for recovery and multiple reuse of probes, significantly reducing experimental costs. The DREAM implant system integrates three hardware modules: (1) a microdrive that can carry all standard silicon probes, allowing experimenters to adjust recording depth across a travel distance of up to 7 mm; (2) a three-dimensional (3D)-printable, open-source design for a wearable Faraday cage covered in copper mesh for electrical shielding, impact protection, and connector placement, and (3) a miniaturized head-fixation system for improved animal welfare and ease of use. The corresponding surgery protocol was optimized for speed (total duration: 2 h), probe safety, and animal welfare. The implants had minimal impact on animals' behavioral repertoire, were easily applicable in freely moving and head-fixed contexts, and delivered clearly identifiable spike waveforms and healthy neuronal responses for weeks of post-implant data collection. Infections and other surgery complications were extremely rare. As such, the DREAM implant system is a versatile, cost-effective solution for chronic electrophysiology in mice, enhancing animal well-being, and enabling more ethologically sound experiments. Its design simplifies experimental procedures across various research needs, increasing accessibility of chronic electrophysiology in rodents to a wide range of research labs.

Declarative memory encompasses representations of specific events as well as knowledge extracted by accumulation over multiple episodes. To investigate how these different sorts of memories are created, we developed a new behavioral task in rodents. The task consists of three distinct conditions (stable, overlapping, random). Rodents are exposed to multiple sample trials, in which they explore objects in specific spatial arrangements. In the stable condition, the locations are constant during all sample trials; in the test trial, one objects location is changed. In the random condition, object locations are presented in the sample phase without a specific spatial pattern. In the overlapping condition, one location is shared (overlapping) between all trials while the other location changes during sample trials. We show that in the overlapping condition, instead of only remembering the last sample trial, rodents form a cumulative memory of the sample trials. Here we could show that both mice and rats can accumulate information across multiple trials and express a long-term abstracted memory.

We present a training procedure and a T-maze equipped with sensors and automated feeders for training spatial behavioral tasks in rodents. The maze can be transformed from an enclosed box to a maze of variable dimensions. The modularity of the protocol and setup makes it highly flexible and suitable for training a wide variety of spatial tasks, and facilitates incremental training stages of increasing maze size for more efficient learning. The apparatus, in its software and hardware, is able to adapt to animal performance, adjusting task challenges and difficulty. Two different methods of automatic behavioral scoring are evaluated against manual methods. Sensors embedded in the maze provide information regarding the order of reward locations visited and the time between the activation of the cue via the nose-poke and the activation of the reward location sensors. The distributions of these reaction times differ between correct and incorrect trials, providing an index of behavior and motivation. The automated maze system allows the trainer to operate and monitor the task away from the experimental set-up, minimizing human interference and improving the reproducibility of the experiment. We show that our method succeeds in training a binary forced-choice task in rats.

It is an uninformative truism to state that the brain operates at multiple spatial and temporal scales, each with each own set of emergent phenomena. More worthy of attention is the point that our current understanding of it cannot clearly indicate which of these phenomenological scales are the significant contributors to the brain’s function and primary output (i.e. behaviour). Apart from the sheer complexity of the problem, a major contributing factor to this state of affairs is the lack of instrumentation that can simultaneously address these multiple scales without causing function altering damages to the underlying tissue. One important facet of this problem is that standard neural recording devices normally require one output connection per electrode. This limits the number of electrodes that can fit along the thin shafts of implantable probes generating a limiting balance between density and spread. Sharing a single output connection between multiple electrodes relaxes this constraint and permits designs of ultra-high density probes.Here we report the design and in-vivo validation of such a device, a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) scanning probe with 1344 electrodes; the outcome of the European research project NeuroSeeker. We show that this design targets both local and global spatial scales by allowing the simultaneous recording of more than 1000 neurons spanning 7 functional regions with a single shaft. The neurons show similar recording longevity and signal to noise ratio to passive probes of comparable size and no adverse effects in awake or anesthetized animals. Addressing the data management of this device we also present novel visualization and monitoring methods. Using the probe with freely moving animals we show how accessing a number of cortical and subcortical brain regions offers a novel perspective on how the brain operates around salient behavioural events. Finally, we compare this probe with lower density, non CMOS designs (which have to adhere to the one electrode per output line rule). We show that an increase in density results in capturing neural firing patterns, undetectable by lower density devices, which correlate to self-similar structures inherent in complex naturalistic behaviour.To help design electrode configurations for future, even higher density, CMOS probes, recordings from many different brain regions were obtained with an ultra-dense passive probe.

ABSTRACT Intricate interactions between multiple brain areas underlie most functions attributed to the brain. The process of learning, as well as formation and consolidation of memories are two examples that rely heavily on functional connectivity across the brain. In addition, investigating hemispheric similarities and/or differences goes hand in hand with these multi-area interactions. Electrophysiological studies trying to further elucidate these complex processes thus depend on recording brain activity at multiple locations simultaneously and often in a bilateral fashion. Presented here is a 3D-printable implant for rats, named TD drive, capable of symmetric, bilateral wire electrode recordings, currently in up to ten distributed brain areas simultaneously. The open-source design was created employing parametric design principles, allowing prospective users to easily adapt the drive design to their needs by simply adjusting high-level parameters, such as anterior-posterior and medio-lateral coordinates of the recording electrode locations. The implant design was validated in n = 20 Lister Hooded rats that performed different tasks. The implant was compatible with tethered sleep recordings and open field recordings (Object Exploration) as well as wireless recording in a large maze (HexMaze 9×5 m) using two different commercial recording systems and headstages. In sum, presented here is the adaptable design and assembly of a new electrophysiological implant facilitating fast preparation and implantation.