Summary

الجراحة الفراغية لغرس صفائف ميكروالكترود في المارموسيت المشتركة (Callithrix jacchus)

Published: September 29, 2019
doi:

Summary

ويقدم هذا العمل بروتوكولا لتنفيذ المجسم ، وغرس العصبية من صفائف ميكروالكترود في marmoset المشتركة. هذه الطريقة علي وجه التحديد تمكن التسجيلات الكهربائية في الحيوانية يتصرف بحريه ولكن يمكن تكييفها بسهوله لأي تدخل الجراحة العصبية الأخرى مماثله في هذا النوع (علي سبيل المثال ، قني لأداره المخدرات أو أقطاب لتحفيز الدماغ).

Abstract

Marmosets (Callithrix jacchus) هي الرئيسيات الصغيرة غير البشرية التي تكتسب شعبيه في البحوث الطبية الحيوية وما قبل السريرية ، بما في ذلك أعصاب. هذه الكائنات أقرب بكثير من البشر من القوارض كما انها تعرض السلوكيات المعقدة ، بما في ذلك مجموعه واسعه من النطق والتفاعلات الاجتماعية. هنا ، يوصف اجراء الجراحة العصبية الفراغية فعاله لغرس صفائف القطب التسجيل في marmoset المشتركة. هذا البروتوكول أيضا تفاصيل الخطوات قبل وبعد العملية الجراحية للعناية بالماشية المطلوبة لاجراء هذه الجراحة بنجاح. وأخيرا ، يظهر هذا البروتوكول مثالا علي الإمكانيات الميدانية المحلية والتسجيلات النشاط الطفرة في marmoset يتصرف بحريه 1 أسبوع بعد العملية الجراحية. عموما ، يوفر هذا الأسلوب فرصه لدراسة وظيفة الدماغ في اليقظة والتصرف بحريه marmosets. ويمكن استخدام نفس البروتوكول بسهوله من قبل الباحثين العاملين مع الرئيسيات الصغيرة الأخرى. الاضافه إلى ذلك ، فانه يمكن تعديلها بسهوله للسماح للدراسات الأخرى التي تتطلب يزرع ، مثل تحفيز الأقطاب الكهربائية ، والحقن المجهري ، وغرس optrodes أو دليل cannulas ، أو استئصال مناطق الانسجه المنفصلة.

Introduction

المارموسيين المشتركة (callithrix jacchus) تكتسب الاعتراف باعتبارها نموذجا كائنا حيا هاما في العديد من مجالات البحث ، بما في ذلك العلوم العصبية. هذه الرئيسيات العالم الجديد تمثل نموذجا الحيوانية التكميلية الهامه لكل من القوارض وغيرها من الرئيسات غير البشرية (NHPs) ، مثل المكاك الريسوس. مثل القوارض ، وهذه الكائنات الصغيرة ، وسهله للتلاعب ، واقتصاديه نسبيا لرعاية وتولد1،2،3،4، بالمقارنة مع nhps أكبر. وعلاوة علي ذلك ، فان هذه الكائنات لديها ميل للتوامه والخصوبة العالية بالنسبة إلى الأخرى nhps1،2،3. ميزه أخرى لل marmoset علي العديد من الرئيسيات الأخرى هو ان البيولوجيا الجزيئية الحديثة أدوات3،4،5،6،7 والجينوم المتسلسلة2 ,3,4,5, 8 وقد استخدمت لتعديل وراثيا لهم. كلا الطرق في الحيوانية باستخدام لينتيفيروس5، وضرب الخروج الحيوانية باستخدام الزنك الاصبع نوكليسيس (zfns) والنسخ المنشط مثل المنحرف المستجيب (talens)7، وقد أثمرت الحيوانية مؤسس قابله للحياة.

ميزه [أين رلايشن تو] قوارض ان [مرمويتس], كرئيسيات, [فيلوجيني] قريبه إلى أناس3,5,6,9,10,11. مثل البشر ، المارموسيين هي الحيوانية التي تعتمد علي النظام البصري متطورة للغاية لتوجيه الكثير من سلوكهم10. وعلاوة علي ذلك ، تظهر المارموسيين التعقيد السلوكي ، بما في ذلك مجموعه واسعه من السلوكيات الاجتماعية مثل استخدام النطق المختلفة3، مما يسمح للباحثين لمعالجه الاسئله غير ممكن في الأنواع الأخرى. من منظور [نيوروسكينتيفيك] ، وقد المارموسيين العقول lissenكيفالونيا ، علي عكس ماكاك أكثر شيوعا المستخدمة9. وعلاوة علي ذلك ، المارموسيين لديها الجهاز العصبي المركزي علي غرار البشر ، بما في ذلك القشرة الاماميه أكثر تطورا للغاية9. معا, كل هذه الخصائص وضع المارموسيين كنموذج قيمه لدراسة وظيفة الدماغ في الصحة والمرض.

وهناك طريقه شائعه لدراسة وظيفة المخ تنطوي علي زرع أقطاب كهربائيه في مواقع محدده تشريحيا عن طريق جراحه المخ والأعصاب الفراغية. وهذا يسمح للتسجيل الزمني للنشاط العصبي في المناطق المستهدفة المختلفة في مستيقظا وبحريه التصرف الحيوانية12,13. جراحه الأعصاب الفراغية هي تقنيه لا غني عنها تستخدم في العديد من خطوط البحث ، لأنها تسمح بالاستهداف الدقيق للمناطق العصبية. بالمقارنة مع الأدب المكاك والقوارض ، هناك عدد اقل من الدراسات المنشورة التي تصف جراحه المخ والأعصاب الفراغية الخاصة بالمارموسيت ، وهي تميل إلى تقديم تفاصيل متفرقة عن الخطوات التي تنطوي عليها الجراحة. وعلاوة علي ذلك ، فان أولئك الذين لديهم تفاصيل أكبر تركز أساسا علي إجراءات تسجيل الفيزيولوجيا الكهربية في الماشية المقيدة الراس14و15و16و17.

من أجل تسهيل اعتماد أوسع من المارموسيين ككائن نموذجي في بحوث علوم الأعصاب ، والطريقة الحالية يحدد الخطوات المحددة اللازمة لجراحه الأعصاب المجسمة الناجحة في هذا النوع. بالاضافه إلى غرس صفائف التسجيل ، كما هو مفصل في الطريقة الحالية ، يمكن تكييف نفس التقنية للعديد من الغايات التجريبية الأخرى ، بما في ذلك غرس الأقطاب الكهربائية المحفزة لعلاج الامراض18 أو القيادة السببية دائره السلوك19؛ غرس دليل cannulas لاستخراج والكمية من الناقلات العصبية20، وحقن الكواشف ، بما في ذلك تلك التي للحث علي نماذج المرض12 أو لدراسات تتبع الدوائر15؛ استئصال المناطق النسيجية المنفصلة21؛ غرس من [اوبترودس] ل أوبتوجينيتيك دراسات22; غرس النوافذ البصرية للتحليل المجهري القشري23؛ وغرس صفائف الكتروكورتيغرافي (ECoG)24. التالي ، فان الهدف العام لهذا الاجراء هو تحديد الخطوات الجراحية التي ينطوي عليها غرس صفائف ميكروالكترود للتسجيلات الكهربية الفسيولوجية المزمنة في السلوك الحر للمارموسيتس.

Protocol

وأجريت تجارب حيوانيه وفقا لدليل المعاهد الصحية الوطنية لرعاية واستخدام المختبرات الحيوانية ووافقت عليها لجنه الأخلاقيات التابعة لمعهد سانتوس دومونت (البروتوكول 02/2015 العاص). 1. اعداد الجراحة نعلق كل صفيف القطب الكهربائي إلى حامل القطب متوافق مع الإطار الفراغي لاستخدا…

Representative Results

وكان الغرض من هذه الدراسة لوصف اجراء الجراحة العصبية الفراغية لغرس صفائف ميكروالكترود للتسجيلات الفسيولوجية الكهربائية في marmoset المشتركة. والجراحة النموذجية (من الحث التخدير للشفاء التخدير) تستمر لحوالي 5 − 7 ساعة ، اعتمادا علي عدد من صفائف مزروع. هنا ، تم زرع صفائف اثنين بشكل متناظر ، واح?…

Discussion

ويقدم هذا العمل وصفا مفصلا للإجراءات التي ينطوي عليها غرس صفائف تسجيل القطب المجهري في الدماغ marmoset. ويمكن استخدام هذا البروتوكول نفسه بسهوله عند غرس الأقطاب الكهربائية ، سواء كانت محليه الصنع أو متاحه تجاريا ، في الرئيسيات الصغيرة الأخرى. بالاضافه إلى ذلك ، فانه يمكن تكييفها بسهوله لغايا…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ويود أصحاب البلاغ ان يشكروا برناردو لويز علي المساعدة التقنية في التصوير والتحرير. وقد دعم هذا العمل معهد سانتوس دومونت (ISD) ، ووزارة التعليم البرازيلية (MEC) وCoordenação دي ابيرفيتشونتو دي بيساك دي نيفل المتفوقة (الرؤوس).

Materials

Equipments
683 Small Animal Ventilator Harvard Apparatus, Inc. 55-0000
Anesthesia Assembly BRASMED COLIBRI
Barber Clippers Mundial HC-SERIES
Dental Drill Norgen B07-201-M1KG
Homeothermic Heating Pad and Monitor Harvard Apparatus, Inc. 50-7212
Marmoset Stereotaxic Frame Narishige Scientific Instrument Lab SR-6C-HT
Patient Monitor and Pulse Oximeter Bionet Co., Ltd BM3
Stereotaxic Micromanipulator Narishige Scientific Instrument Lab SM-15R
Surgical Microscope Opto SM PLUS IBZ
Instruments
Allis tissue forceps Sklar 36-2275
Alm Retractor, rounded point, 4×4 teeth Rhosse RH11078
Angled McPherson Forceps Oftalmologiabr 11301A
Curved Surgial Scissors Harvard Apparatus, Inc. 72-8422
Curved Tissue Forceps Sklar 47-1186
Delicate Dissection forceps WPI WP5015
Dental Drill Bit Microdont ISO.806.314.001.524.010
Essring Tissue Forceps Sklar 19-2460
FG 1/4 Dental Drill Bit Microdont ISO.700.314.001.006.005
Halsey Needle Holder WPI 15926-G
Halstead Mosquito forceps WPI 503724-12
Hemostatic Forceps, Straight Sklar 17-1260
Jewler Forceps Sklar 66-7436
McPherson-Vannas Optathalmic microscissor, 3 mm point Argos Instrumental ARGOS-4004
Pereosteal Raspatory Golgran 38-1
Scalpal Handle Harvard Apparatus, Inc. 72-8354
Screwdrivers Eurotool SCR-830.00
Sodering Iron Hikari 21K006
Surgical Scissor Harvard Apparatus, Inc. 72-8400
Toothed forceps WPI 501266-G
Disposables/Single Use
1 ml sterile syringe with 26 G needle Descarpack 7898283812785
130 cm x 140 cm surgical field, presterilized ProtDesc 7898467276344
24G Needle, presterilized Descarpack 7898283812846
50 cm x 50 cm surgical field, presterilized Esterili-med 110100236
Cotton Tipped Probes, Presterilized Jiangsu Suyun Medical Materials Co. LTD 23007
Cotton tipped Qutips Higie Topp 7898095296063
Electrode Array Home made
Endotracheal tube without cuff, internal diameter 2.0 mm, outer diameter 2.9 mm Solidor 7898913077201
Tinned copper wire, 0.15 mm diameter
M1.4×3 Stainless steel screws USMICROSCREW M14-30M-SS-P
Medical Tape Missner 7896544910102
Nylon surgical sutures Shalon N540CTI25
Scalpal Blade, presterilized AdvantiVe 1037
solder Kester SN63PB37
Sterile Saline 0.9% Isofarma 7898361700041
Sterile Surgical Gloves Maxitex 7898949349051
Sterile Surgical Gown ProtDesc 7898467281208
Surgical Gauze, 15 cm x 26 cm presterilized Héika 7898488470315
Gelfoam Pfizer
Drugs/Chemicals
0.25mg/ml Atropine Isofarma
10% Lidocaine Spray Produtos Químicos Farmacêuticos Ltda. 7896676405644
2.5% Enrofloxacino veterinary antibiotic Chemitec 0137-02
Dexametasona Veterinary Anti inflammatory MSD R06177091A-00-15
Hydrogen Peroxide Farmax 7896902211537
Isoflourane BioChimico 7897406113068
Jet Acrylic polymerization solution Artigos Odontológicos Clássico
Jet Auto Polymerizing Acrylic Artigos Odontológicos Clássico
Ketamine 10% Syntec
Lidocaine and Phenylephrine 1.8 ml local anesthetic SS White 7892525041049
Povidone-Iodine solutiom Farmax 7896902234093
Riohex 2% surgical Soap Rioquímica 7897780209418
Silver Paint SPI Supplies 05002-AB
Tramadol chloride 50 mg/ml União Química 7896006245452
Refresh gel (polyacrylic acid) Allergan

References

  1. Okano, H., Hikishima, K., Iriki, A., Sasaki, E. The common marmoset as a novel animal model system for biomedical and neuroscience research applications. Seminars in Fetal and Neonatal Medicine. 17 (6), 336-340 (2012).
  2. Harris, R. A., et al. Evolutionary genetics and implications of small size and twinning in callitrichine primates. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (4), 1467-1472 (2014).
  3. Kishi, N., Sato, K., Sasaki, E., Okano, H. Common marmoset as a new model animal for neuroscience research and genome editing technology. Development, Growth & Differentiation. 56 (1), 53-62 (2014).
  4. Sasaki, E. Prospects for genetically modified non-human primate models, including the common marmoset. Neuroscience Research. 93, 110-115 (2015).
  5. Sasaki, E., et al. Generation of transgenic non-human primates with germline transmission. Nature. 459 (7246), 523-527 (2009).
  6. Sasaki, E. Creating Genetically Modified Marmosets. The Common Marmoset in Captivity and Biomedical Research. , 335-353 (2019).
  7. Sato, K., et al. Generation of a Nonhuman Primate Model of Severe Combined Immunodeficiency Using Highly Efficient Genome Editing. Cell Stem Cell. 19 (1), 127-138 (2016).
  8. Sato, K., et al. Resequencing of the common marmoset genome improves genome assemblies and gene-coding sequence analysis. Scientific Reports. 5, 16894 (2015).
  9. Chaplin, T. A., Yu, H. H., Soares, J. G. M., Gattass, R., Rosa, M. G. P. A Conserved Pattern of Differential Expansion of Cortical Areas in Simian Primates. Journal of Neuroscience. 33 (38), 15120-15125 (2013).
  10. Mitchell, J. F., Leopold, D. A. The marmoset monkey as a model for visual neuroscience. Neuroscience Research. 93, 20-46 (2015).
  11. Brok, H. P. M., et al. Non-human primate models of multiple sclerosis: Non-human primate models of MS. Immunological Reviews. 183 (1), 173-185 (2001).
  12. Santana, M. B., et al. Spinal Cord Stimulation Alleviates Motor Deficits in a Primate Model of Parkinson’s disease. Neuron. 84 (4), 716-722 (2014).
  13. MacDougall, M., et al. Optogenetic manipulation of neural circuits in awake marmosets. Journal of Neurophysiology. 116 (3), 1286-1294 (2016).
  14. Wakabayashi, M., et al. Development of stereotaxic recording system for awake marmosets (Callithrix jacchus). Neuroscience Research. 135, 37-45 (2018).
  15. Johnston, K. D., Barker, K., Schaeffer, L., Schaeffer, D., Everling, S. Methods for chair restraint and training of the common marmoset on oculomotor tasks. Journal of Neurophysiology. 119 (5), 1636-1646 (2018).
  16. Sedaghat-Nejad, E., et al. Behavioral training of marmosets and electrophysiological recording from the cerebellum. Journal of Neurophysiology. , (2019).
  17. Kringelbach, M. L., Owen, S. L., Aziz, T. Z. Deep-brain stimulation. Future Neurology. 2 (6), 633-646 (2007).
  18. Talakoub, O., Gomez Palacio Schjetnan, A., Valiante, T. A., Popovic, M. R., Hoffman, K. L. Closed-Loop Interruption of Hippocampal Ripples through Fornix Stimulation in the Non-Human Primate. Brain Stimulation. 9 (6), 911-918 (2016).
  19. Oddo, M., Hutchinson, P. J. Understanding and monitoring brain injury: the role of cerebral microdialysis. Intensive Care Medicine. 44 (11), 1945-1948 (2018).
  20. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Cortical and subcortical lesions impair skilled walking in the ladder rung walking test: a new task to evaluate fore- and hindlimb stepping, placing, and co-ordination. Journal of Neuroscience Methods. 115 (2), 169-179 (2002).
  21. Gradinaru, V., Mogri, M., Thompson, K. R., Henderson, J. M., Deisseroth, K. Optical Deconstruction of Parkinsonian Neural Circuitry. Science. 324, 354-359 (2009).
  22. Hammer, D. X., et al. Longitudinal vascular dynamics following cranial window and electrode implantation measured with speckle variance optical coherence angiography. Biomedical Optics Express. 5 (8), 2823-2836 (2014).
  23. Komatsu, M., Kaneko, T., Okano, H., Ichinohe, N. Chronic Implantation of Whole-cortical Electrocorticographic Array in the Common Marmoset. Journal of Visualized Experiments. (144), (2019).
  24. Oliveira, L. M. O., Dimitrov, D. . Surgical Techniques for Chronic Implantation of Microwire Arrays in Rodents and Primates. , (2008).
  25. Santana, M. B., et al. Spinal Cord Stimulation Alleviates Motor Deficits in a Primate Model of Parkinson’s disease. Neuron. 84 (4), 716-722 (2014).
  26. Santana, M., Palmér, T., Simplício, H., Fuentes, R., Petersson, P. Characterization of long-term motor deficits in the 6-OHDA model of Parkinson’s disease in the common marmoset. Behavioural Brain Research. 290, 90-101 (2015).
  27. Misra, S., Koshy, T. A review of the practice of sedation with inhalational anaesthetics in the intensive care unit with the AnaConDa device. Indian Journal of Anaesthesia. 56 (6), 518-523 (2012).
  28. Freire, M. A. M., et al. Distribution and Morphology of Calcium-Binding Proteins Immunoreactive Neurons following Chronic Tungsten Multielectrode Implants. PLOS ONE. 10 (6), 0130354 (2015).
  29. Budoff, S., et al. Astrocytic Response to Acutely- and Chronically Implanted Microelectrode Arrays in the Marmoset (Callithrix jacchus) Brain. Brain Sciences. 9 (2), 19 (2019).
  30. Dzirasa, K., Fuentes, R., Kumar, S., Potes, J. M., Nicolelis, M. A. L. Chronic in vivo multi-circuit neurophysiological recordings in mice. Journal of Neuroscience Methods. 195 (1), 36-46 (2011).
  31. Nicolelis, M. A. L., et al. Chronic, multisite, multielectrode recordings in macaque monkeys. Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (19), 11041-11046 (2003).
  32. Lehew, G., Nicolelis, M. A. L. . State-of-the-Art Microwire Array Design for Chronic Neural Recordings in Behaving Animals. , (2008).
  33. Paxinos, G., Watson, C., Petrides, M., Rosa, M., Tokuno, H. . The Marmoset Brain in Stereotaxic Coordinates. , (2012).
  34. Brown, M. J., Pearson, P. T., Tomson, F. N. Guidelines for animal surgery in research and teaching. American Journal of Veterinary Research. 54 (9), 1544-1559 (1993).
  35. Flecknell, P. A. Anaesthesia of Animals for Biomedical Research. British Journal of Anaesthesia. 71 (6), 885-894 (1993).
  36. Kurihara, S., et al. A Surgical Procedure for the Administration of Drugs to the Inner Ear in a Non-Human Primate Common Marmoset (Callithrix jacchus). Journal of Visualized Experiments. (132), (2018).
  37. Boer, R. A., de Vries, A. M. O., Louwerse, A. L., Sterck, E. H. M. The behavioral context of visual displays in common marmosets (Callithrix jacchus). American Journal of Primatology. 75 (11), 1084-1095 (2013).
  38. Kudo, C., Nozari, A., Moskowitz, M. A., Ayata, C. The impact of anesthetics and hyperoxia on cortical spreading depression. Experimental Neurology. 212 (1), 201-206 (2008).
  39. Ghomashchi, A., et al. A low-cost, open-source, wireless electrophysiology system. 2014 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 3138-3141 (2014).
  40. Fu, T. M., Hong, G., Viveros, R. D., Zhou, T., Lieber, C. M. Highly scalable multichannel mesh electronics for stable chronic brain electrophysiology. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (47), 10046-10055 (2017).

Play Video

Cite This Article
Budoff, S. A., Rodrigues Neto, J. F., Arboés, V., Nascimento, M. S. L., Kunicki, C. B., Araújo, M. F. P. d. Stereotaxic Surgery for Implantation of Microelectrode Arrays in the Common Marmoset (Callithrix jacchus). J. Vis. Exp. (151), e60240, doi:10.3791/60240 (2019).

View Video