Developing preclinical devices for neuroscience research in the fields of animal tracking, fMRI acquisition, and 3D histology cutting

[ES] La neurociencia es un campo que abarca muchas especialidades. El objetivo de esta tesis es subsanar algunas carencias tecnológicas que existen en los métodos actuales de experimentación animal en neurociencia. En esta tesis, se presentan seis proyectos, que tendrán como objetivo mejorar el "Principio de las tres R", el cual fue enunciado por los biólogos ingleses W. M. S. Russell y R. L. Burch, durante la experimentación animal. El comportamiento es uno de los aspectos más importantes de la vida animal. Depende de los vínculos entre los animales, sus sistemas nerviosos y sus entornos. Para estudiar el comportamiento de los animales de laboratorio, se necesitan varias herramientas, pero una herramienta de seguimiento es esencial para llevar a cabo un estudio de comportamiento exhaustivo. Varias herramientas de seguimiento visual están actualmente disponibles. Sin embargo, todas tienen algunos inconvenientes. Por ejemplo, en una situación en la que un animal está dentro de una madriguera o cerca de otros animales, las cámaras de rastreo (tracking) no siempre pueden detectar la ubicación precisa o el movimiento del animal. Por esta razón, los entornos enriquecidos para intentar recrear el hábitat natural de los animales en experimentación no pueden utilizarse, ya que los datos recopilados son insuficientes/inexactos. Con la finalidad de mejorar los experimentos de tracking RFID Assisted Tracking Tile (RATT) es presentado en esta tesis. RATT es un sistema de seguimiento basado en tecnología de identificación pasiva de radiofrecuencia (RFID) y está compuesto por baldosas electrónicas con las que se puede construir una gran superficie, sobre la cual los animales pueden moverse libremente. Esto permite la identificación más precisa de los animales, así como el seguimiento de sus movimientos. Este sistema, que también se puede combinar con un sistema de seguimiento con cámaras, allana el camino para estudios completos de comportamiento en entornos enriquecidos. Dada la capacidad de rastrear animales y, por lo tanto, realizar experimentos de comportamiento exhaustivos, es posible observar cómo se comportan los sujetos desde un punto de vista externo. Sin embargo, si queremos comprender lo que sucede en el cerebro de estos sujetos, es necesario aplicar otras técnicas de análisis, por ejemplo, el estudio de señales dependientes del nivel de oxígeno en la sangre (BOLD, por sus siglas en inglés). Las señales BOLD se basan en las respuestas vasculares a la activación neuronal y se utilizan ampliamente en estudios de investigación clínicos y preclínicos. En entornos preclínicos, los animales suelen ser anestesiados. Sin embargo, los anestésicos causan cambios en la fisiología de los animales, p. Ej. hipotermia, y esto tiene el potencial de alterar las señales funcionales de MRI (fMRI). Para evitar la hipotermia en roedores anestesiados, se presenta TherMouseDuino. Este es un sistema de control automático de temperatura de código abierto, que reduce las fluctuaciones de la temperatura, lo que proporciona condiciones sólidas para realizar experimentos de resonancia magnética funcional. En los cursos de biología y neurociencia, la anatomía del cerebro se enseña generalmente utilizando imágenes de resonancia magnética (IRM) o secciones histológicas de diferentes planos. Estos muestran las áreas macroscópicas más importantes en el cerebro de un animal. Sin embargo, este método no es dinámico ni intuitivo. En esta tesis se presenta un cerebro de rata impreso en 3D con fines educativos. La manipulación manual de la estructura, facilitada por la ampliación de sus dimensiones, junto con la capacidad de desmontar el "cerebro" en algunas de sus partes principales, facilita la comprensión de la organización 3D del sistema nervioso. Este es un método alternativo y mejorado para enseñar a los estudiantes en general y a los biólogos, en particular, la anatomía del cerebro de rata.[CA] La neurociència és un camp que abasta moltes especialitats. L'objectiu d'aquesta tesi és esmenar algunes manques tecnològiques que existeixen en els mètodes actuals d'experimentació animal en neurociència. En aquesta tesi, es presenten sis projectes, que tindran com a objectiu millorar el "Principi de les tres R", el qual va ser enunciat pels biòlegs anglesos W. M. S. Russell i R. L. Burch, durant l'experimentació animal. El comportament és un dels aspectes m'és importants de la vida animal. Depèn dels vincles entre els animals, els seus sistemes nerviosos i els seus entorns. Per estudiar el comportament dels animals de laboratori, es necessiten diverses eines, però` una eina de seguiment és essencial per a dur a terme un estudi de comportament exhaustiu. Diverses eines de seguiment visual estan actualment disponibles. No obstant això, totes tenen alguns inconvenients. Per exemple, en una situació en la qual un animal esta` dins d'un cau o prop d'altres animals, les cambres de rastreig (tracking) no sempre poden detectar la ubicació precisa o el moviment de l'animal. Per aquesta raó, els entorns enriquits per a intentar recrear l'hàbitat natural dels animals en experimentació no poden utilitzar-se, ja que les dades recopilades són insuficients/inexactes. Amb la finalitat de millorar els experiments de tracking/seguiment RFID Assisted Tracking Tile (RATT) és presentat en aquesta tesi. RATT es un sistema de seguiment basat en tecnologia d'identificació passiva de radiofreqüència (RFID) i esta` compost per rajoles electròniques amb les quals es pot construir una gran superfície, sobre la qual els animals poden moures lliurement. Això permet la identificació més precisa dels animals, així com el seguiment dels seus moviments. Aquest sistema, que també es pot combinar amb un sistema de seguiment amb cambres, aplana el camí per a estudis complets de comportament en entorns enriquits. Donada la capacitat de rastrejar animals i, per tant, realitzar experiments de comportament exhaustius, és possible observar com es comporten els subjectes des d'un punt de vista extern. No obstant això, si volem comprendre el que succeeix en el cervell d'aquests subjectes, és necessari aplicar altres tècniques d'anàlisis, per exemple, l'estudi de senyals dependents del nivell d'oxigen en la sang (BOLD, per les seues sigles en anglès). Els senyals BOLD es basen en les respostes vasculars a l'activació neuronal i s'utilitzen àmpliament en estudis d'investigació clínics i preclínics. En entorns preclínics, els animals solen ser anestesiats. No obstant això, els anestèsics causen canvis en la fisiologia de els animals, per exemple hipotèrmia, i això te el potencial d'alterar els senyals funcionals de MRI (fMRI). Per a evitar la hipotèrmia en rosegadors anestesiats, es presenta TherMouseDuino. Aquest és un sistema de control automàtic de temperatura de codi obert, que redueix les fluctuacions de la temperatura, la qual cosa proporciona condicions solides per a realitzar experiments de ressonància magnètica funcional. En els cursos de biologia i neurociència, l'anatomia del cervell s'ensenya generalment utilitzant imatges de ressonància magnètica (IRM) o seccions histològiques de diferents plans. Aquests mostren les àrees macroscòpiques més importants en el cervell de un animal. No obstant això, aquest mètode no és dinàmic ni intuïtiu. En aquesta tesi es presenta un cervell de rata imprès en 3D amb finalitats educatius. La manipulació manual de l'estructura, facilitada per l'ampliació de les seues dimensions, juntament amb la capacitat de desmuntar el "cervell" en algunes de les seues parts principals, facilita la comprensió de l'organització 3D del sistema nerviós. Aquest és un mètode alternatiu i millorat per a ensenyar a els estudiants en general i als biòlegs, en particular, l'anatomia del cervell de rata.[EN] Neuroscience is a field that covers many specialties. The objective of this thesis is to correct some technological deficiencies that exist in current methods of animal experimentation in neuroscience. In this thesis, six projects are presented, which will aim to improve the "Principle of the three Rs" in animal experimentation enunciated by the English biologists W. M. S. Russell and R. L. Burch. In the present era of impressive progress in neuroscience, it is still not arguable that a complete understanding of the brain cannot be possible without a comparable understanding of animal behavior. In order to study the behavior of laboratory animals, various tools are needed, being a reliable tracking system one of the most important to follow large populations of individual subjects that interact in complex manners. Several visual tracking tools are currently available. However, they all have some drawbacks. For example, in a situation where an animal is inside a cave, or is in close proximity to other animals, tracking cameras cannot always detect the precise location or movement of the animal. For this reason, environments that have been enriched in order to attempt to recreate the natural habitat of the animals under experiment, cannot be used, as the data gathered is insufficient/inaccurate. In order to improve the current tracking systems , the RATT is presented. RATT is a tracking system based on passive RFID technology and it is composed of electronic tiles. Using several tiles, a large surface area, on which the animals can move freely, can be built. This enables the more accurate identification of the animals, as well as the tracking of their movements. This system, which can also be combined with a visual tracking system, paves the way for complete behavioral studies in enriched environments. Given the ability to track animals and thus conduct thorough behavioral experiments, it is possible to observe how the subjects behave from an external viewpoint. However, if we want to understand what is going on in the brains of these subjects, it is necessary to apply other analysis techniques, for example the study of BOLD signals. BOLD signals are based on vascular responses to neuronal activation and are used extensively in clinical and preclinical research studies. In preclinical settings, animals are usually anesthetized. However, anesthetics cause changes in the physiology of the animals, e.g. hypothermia, and this has the potential to disrupt fMRI signals. In order to avoid hypothermia in anesthetized rodents, TherMouseDuino is presented. This is an Open-Source automatic temperature control system, which reduces temperature fluctuations, thus providing robust conditions in which to perform fMRI experiments. In biology and neuroscience courses, brain anatomy is generally taught using MRI or histological sections of different planes. These show the most important macroscopic areas in an animals' brain. However, this method is neither dynamic nor intuitive. An anatomical 3D printed rat brain with educative purposes is presented in this thesis. Hand manipulation of the structure, facilitated by the scaling up of its dimensions, together with the ability to dismantle the "brain" into some of main its constituent parts, facilitates the understanding of the 3D organization of the nervous system. This is an alternative and improved method for teaching students in general and biologists, in particular, the rat brain anatomy.This work was supported in part by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) and FEDER funds under grants BFU2015-64380-C2-2-R (D.M.) and BFU2015-64380-C2-1-R, by EU Horizon 2020 Program 668863-SyBil-AA grant (S.C.). S.C. acknowledges financial support from the Spanish State Research Agency, through the “Severo Ochoa” Programme for Centres of Excellence in R&D (ref. SEV-2013-0317) and by a grant “Ayudas para la formación de personal investigador (FPI)” from the Vicerrectorado de Investigación, Innovación y Transferencia of the Universitat Politècnica de València.Quiñones Colomer, DR. (2019). Developing preclinical devices for neuroscience research in the fields of animal tracking, fMRI acquisition, and 3D histology cutting [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/118795TESI

Dispositivo automático de posicionamiento para corte de tejido tridimensional en una muestra, vibrátomo que lo comprende y su uso

La presente invención se refiere a un dispositivo automático de posicionamiento para corte de tejido tridimensional, en una muestra de tejido viva o fijada caracterizado porque al menos comprende: - una plataforma (1) para depositar las muestras de tejido - un subsistema electromecánico que al menos comprende - un primer motor (2) y primeros medios mecánicos que imprimen un movimiento angular a la plataforma (1) - un segundo motor (3) y segundos medios mecánicos que imprimen un movimiento de inclinación de la plataforma (1) a un vibrátomo que comprende este dispositivo de posicionamiento, y a su uso en histología, anatomía, neurociencia, bioquímica o farmacología.Peer reviewedUniversitat Politécnica de Valencia, Consejo Superior de Investigaciones CientíficasA1 Solicitud de adición a la patent

Open Source 3D Printed Lung Tumor Movement Simulator for Radiotherapy Quality Assurance

[EN] In OECD (Organization for Economic Co-operation and Development) countries, cancer is one of the main causes of death, lung cancer being one of the most aggressive. There are several techniques for the treatment of lung cancer, among which radiotherapy is one of the most effective and least invasive for the patient. However, it has associated difficulties due to the moving target tumor. It is possible to reduce the side effects of radiotherapy by effectively tracking a tumor and reducing target irradiation margins. This paper presents a custom electromechanical system that follows the movement of a lung tumor. For this purpose, a hysteresis loop of human lung movement during breathing was studied to obtain its characteristic movement equation. The system is controlled by an Arduino, steppers motors and a customized 3D printed mechanism to follow the characteristic human breathing, obtaining an accurate trajectory. The developed device helps the verification of individualized radiation treatment plans and permits the improvement of radiotherapy quality assurance procedures.This work was supported in part by the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad (MINECO) and FEDER funds under grants BFU2015-64380-C2-2-R (D.M.). D.R.Q. was supported by grant "Ayudas para la formacion de personal investigador (FPI)" from the Vicerrectorado de Investigacion, Innovacion y Transferencia of the Universitat Politecnica de Valencia.Quiñones Colomer, DR.; Soler-Egea, D.; González-Pérez, V.; Reibke, J.; Simarro-Mondejar, E.; Pérez Feito, R.; García Manrique, JA.... (2018). Open Source 3D Printed Lung Tumor Movement Simulator for Radiotherapy Quality Assurance. Materials. 11(8 (1317)):1-11. https://doi.org/10.3390/ma11081317S111118 (1317

Sistema automático de posicionamiento para corte de tejido tridimensional en muestras vivas o fijadas

[EN] Automatic positioning system for three-dimensional fabric cut in living or fixed samples is designed using 3D modeling techniques to optimize peak performance. It consists of two containers with dimensions approximately equal to the containers which are usually used in VT 1200S Leica vibratome but modified to provide a mechanical system which is composed of two gears. The first consists of two toothed gears which transmit the angular movement of the platform on which the tissue samples are deposited. The remaining gear comprises a host and a toothed gear which provides the aforementioned platform the possibility of changing the inclination with which the blade of a vibratome incident on the tissue, obtaining with the two degrees of freedom, the possibility of multi histological sections through a path defined by the investigator. The control part of the whole mechanical system consists of an Arduino which is a platform for creating electronic prototype open source and a set of drivers for two stepper motors (steppers) NEMA 14 which actuate the gears above mentioned. These motors have a resolution of 1.8 ° per step, but thanks to the control system and engrajes reach a resolution and angular tilt milli. System speed goes configured according to the feed rate at which the vibratome is configured. The whole system is powered by a power supply which provides 12 V voltage range necessary for the Arduino and Steppers system. The system has two limit switches which platform positioned at the point of origin each time a cut is made, all to optimize cutting and get the desired cutting path. All parts designed to be manufactured using different prototyping techniques such as fused deposition modeling and selective laser sintering.[ES] El sistema automático de posicionamiento para corte de tejido tridimensional en muestras vivas o fijadas está diseñado mediante técnicas de modelado 3D para optimizar su máximo funcionamiento. Está constituido por dos recipientes con unas dimensiones aproximadamente iguales que los recipientes que se emplean habitualmente en el vibrátomo VT 1200S de Leica pero modificados para disponer un sistema mecánico el cual está compuesto de dos engranajes. El primero de ellos está compuesto por dos engranajes dentados los cuales trasmiten el movimiento angular de la plataforma en la que se depositan las muestras de tejido. El engranaje restante está compuesto por un sinfín y un engranaje dentado el cual dota a la plataforma anteriormente mencionada de la posibilidad de modificar la inclinación con la que la cuchilla del vibrátomo incide en el tejido, consiguiendo con estos dos grados de libertad la posibilidad de realizar cortes histológicos multidireccionales a través de una trayectoria definida por el investigador. La parte de control de todo el sistema mecánico está compuesta por un Arduino el cual es una plataforma de creación de prototipos electrónicos de código abierto y un conjunto de drivers para dos motores paso a paso (steppers) nema 14, los cuales accionaran los engranajes anteriormente mencionados. Estos motores tienes una resolución de 1.8º por paso, pero gracias al sistema de control y a los engrajes se llega a una resolución angular y de inclinación de miligrados. La velocidad del sistema va configurada en función de la velocidad de avance a la que se configure el vibrátomo. Todo el sistema esta alimentado mediante una fuente de alimentación de 12 V la cual proporciona el rango de tensión necesaria para el sistema Arduino y los Steppers. El sistema dispone de dos finales de carrera los cuales posicionan la plataforma en el punto de origen cada vez que se realiza un corte, todo ello para optimizar el corte y obtener la trayectoria de corte deseada. Todas las piezas diseñadas se fabricaran mediante diferentes técnicas de prototipado tales como el modelado por deposición fundida o el sinterizado laser selectivo.Quiñones Colomer, DR. (2014). Sistema automático de posicionamiento para corte de tejido tridimensional en muestras vivas o fijadas. http://hdl.handle.net/10251/54799Archivo delegad

Sensorización de un dispositivo automático de posicionamiento para corte de tejido 3d mediante bluetooth low energy y control del mismo mediante matlab

[ES] En el siguiente trabajo de final de grado se va a desarrollar la implementaci´on de sensores deposicionamientoenunSistema autom´atico de posicionamiento para corte de tejido tridimensional en muestras vivas o fijadas[12]. Este sistema fue desarrollado y patentado en mi anterior trabajo de final de m´aster, pretendi´endose mejorar el sistema con este proyecto. Otrapartedeltrabajoseralasensorizaci´ondelaorientaci´onespacialdelsistema,mediante aceler´ometros, giroscopios y magnet´ometros, los que permitir´an determinar la orientaci´on. Estasensorizaci´onsetratar´aderealizarpordosmodalidadesdecomunicaciones,talescomo bus I2C y BLE (Blue Tooth Low Energy).Quiñones Colomer, DR. (2015). Sensorización de un dispositivo automático de posicionamiento para corte de tejido 3d mediante bluetooth low energy y control del mismo mediante matlab. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/136088Archivo delegad

Guía de programación del Bioloid

En este trabajo vamos a realizar un manual de cómo programar en lenguaje C un robot humanoide llamado Bioloid. El robot es de la casa Robotis y usa 18 servomotores DYNAMIXEL AX-12A. Este manual mostrar'a todos los pasos necesarios para poder llegar a programar con éxito cualquier tipo de robot de la casa Bioloid a partir de una base de C. Además seguiremos el mismo método de trabajo que hemos seguido durante meses y enseñaremos a interpretar y utilizar los diferentes medios que cada usuario de Bioloid tiene a su alcance para conseguir un final deseado. La decisión de utilizar el lenguaje C en este trabajo ha sido porque podemos llegar a controlar características del robot y del ambiente que lo rodea que con los programas que nos facilita la casa Robotis no somos capaces. A nuestro parecer, la programación del Bioloid desde el software que incluye la casa fabricante es muy poco útil o imposible programar algo con un poco de complejidad. Así que después de semanas de dudas y debate entre nosotros, hemos decidido que la mejor manera para conseguir que nuestro robot realice acciones que consideramos buenas es la de programar en C sobre el microcontrolador que incluyen. Esto, evidentemente, nos alarga el tiempo de ejecución de cualquier movimiento que queramos implementarle al bioloid, ya que en C necesitamos mucha información y trabajo para llegar a un final exitoso. Nuestro propósito es el de mostrar a cualquier usuario cómo programar en C los movimientos de cada uno de los servos para llegar a implementar cualquier movimiento del robot. También mostraremos la posibilidad de leer variables de sus diferentes sensores y poder conocer mejor el medio que lo rodea. Explicaremos las características que el robot tiene en diferentes procesos de su implementación y además enseñaremos soluciones a diferentes problemas que hemos encontrado en el proceso de programación.Quiñones Colomer, DR.; Llinares Llata, V. (2012). Guía de programación del Bioloid. http://hdl.handle.net/10251/37120.Archivo delegad

Baldosa y malla para la identificación y seguimiento de animales y sistema de identificación y seguimiento de animales

Baldosa para la identificación y seguimiento de animales con un implante digital, comprendiendo dicha baldosa: - Una antena activa configurada para emitir una señal RF, y para recibir señales RF de los implantes digitales como respuesta a la señal RF emitida por dicha antena; - Medios de comunicación configurados para transmitir a un terminal digital remoto las señales RF del implante digital recibidas por la antena; y - Medios para la unión adyacente de baldosas entre sí. Malla para la identificación y seguimiento de animales que comprende por lo menos dos baldosas. Sistema de identificación y seguimiento de animales que comprende: - Un implante digital configurado para disponerse en un animal y para recibir señales RF y emitir señales RF en respuesta a una señal RF recibida; - Una baldosa y/o una malla según la invención; y - Un terminal digital remoto configurado para recibir las señales RF.Peer reviewedUniversitat Politècnica de València, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (España)A1 Solicitud de patente con informe sobre el estado de la técnic

Automatic positioning device for three-dimensional tissue cutting in a sample, vibratome comprising same and use thereof

La presente invención se refiere a un dispositivo automático de posicionamiento para corte de tejido tridimensional, en una muestra de tejido viva o fijada caracterizado porque al menos comprende: - una plataforma (1) para depositar las muestras de tejido - un subsistema electromecánico que al menos comprende - un primer motor (2) y primeros medios mecánicos que imprimen un movimiento angular a la plataforma (1) - un segundo motor (3) y segundos medios mecánicos que imprimen un movimiento de inclinación de la plataforma (1) a un vibrátomo que comprende este dispositivo de posicionamiento, y a su uso en histología, anatomía, neurociencia, bioquímica o farmacología.Peer reviewedUniversitat Politécnica de Valencia, Consejo Superior de Investigaciones CientíficasB9 Patente corregid

TherMouseDuino: An affordable Open-Source temperature control system for functional magnetic resonance imaging experimentation with mice

[Introduction]: Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is one of the most highly regarded techniques in the neuroimaging field. This technique is based on vascular responses to neuronal activation and is extensively used in clinical and animal research studies. In preclinical settings, fMRI is usually applied to anesthetized animals. However, anesthetics cause alterations, e.g. hypothermia, in the physiology of the animals and this has the potential to disrupt fMRI signals. The current temperature control method involves a technician, as well as monitoring the acquisition MRI sequences, also controlling the temperature of the animal; this is inefficient.[Methods]: In order to avoid hypothermia in anesthetized rodents an Open-Source automatic temperature control device is presented. It takes signals from an intrarectal temperature sensor, as well as signals from a thermal bath, which warms up the body of the animal under study, in order to determine the mathematical model of the thermal response of the animal.[Results]: A Proportional-Integral-Derivative (PID) algorithm, which was discretized in an Arduino microcontroller, was developed to automatically keep stable the body temperature of the animal under study. The PID algorithm has been shown to be accurate in preserving the body temperature of the animal.[Conclusion]: This work presents the TherMouseDuino. It is an Open-Source automatic temperature control system and reduces temperature fluctuations, thus providing robust conditions in which to perform fMRI experiments. Furthermore, our device frees up the technician to focus solely on monitoring the MRI sequences.This work was supported in part by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) and FEDER funds under grants BFU2015-64380-C2-2-R (D.M.) and BFU2015-64380-C2-1-R and EU Horizon 2020 Program 668863-SyBil-AA grant (S.C.). S.C. acknowledges financial support from the Spanish State Research Agency, through the “Severo Ochoa” Programme for Centres of Excellence in R&D (ref. SEV-2013-0317). D.R.Q. was supported by grant “Ayudas para la formación de personal investigador (FPI)” from the Vicerrectorado de Investigación, Innovación y Transferencia of the Universitat Politècnica de València.Peer reviewe