Ortak Marmoset Mikroelektrot Dizileri İmplantasyonu için Stereotaksik Cerrahi (Callithrix jacchus)
Summary
Bu çalışma, mikroelektrot dizilerinin ortak marmoset’e stereotaksik, nöroşirürjik implantasyonu gerçekleştirmek için bir protokol sunmaktadır. Bu yöntem özellikle serbestçe davranan hayvanlarda elektrofizyolojik kayıtları sağlar, ancak bu türdeki diğer benzer nöroşirürjik müdahalelere (örneğin, ilaç yönetimi için kanül veya beyin stimülasyonu için elektrotlar) kolayca adapte edilebilir.
Abstract
Marmosets(Callithrix jacchus)nörolojik bilimler de dahil olmak üzere biyomedikal ve klinik öncesi araştırmalarda popülerlik kazanıyor küçük insan dışı primatlar vardır. Filogenetik olarak, bu hayvanlar insanlara kemirgenlerden çok daha yakındır. Ayrıca, çok çeşitli vokaller ve sosyal etkileşimler de dahil olmak üzere karmaşık davranışlar sergilerler. Burada, ortak marmoset elektrot dizileri kayıt implantasyonu için etkili bir stereotaksik nöroşirürjik prosedür açıklanmıştır. Bu protokol aynı zamanda hayvan bakımının ameliyat öncesi ve sonrası adımlarını da başarıyla gerçekleştirebilmek için gerekli olan ayrıntıları ile tamamlanmaktadır. Son olarak, bu protokol cerrahi işlemden 1 hafta sonra serbestçe davranan bir marmoset yerel alan potansiyeli ve başak aktivite kayıtları bir örnek gösterir. Genel olarak, bu yöntem uyanık ve serbestçe marmosets davranan beyin fonksiyonu çalışma için bir fırsat sağlar. Aynı protokol kolayca diğer küçük primatlar ile çalışan araştırmacılar tarafından kullanılabilir. Buna ek olarak, elektrotlar, mikroenjeksiyonlar, optrodes veya rehber kanüllerin implantasyonu veya ayrık doku bölgelerinin ablasyon gibi implantlar gerektiren diğer çalışmalar, izin vermek için kolayca değiştirilebilir.
Introduction
Ortak marmosets(Callithrix jacchus) araştırma birçok alanda önemli bir model organizma olarak tanıma kazanıyor, nörobilim de dahil olmak üzere. Bu yeni dünya primatları, rhesus makak gibi hem kemirgenler hem de insan olmayan diğer primatlar (NHP) için önemli bir tamamlayıcı hayvan modelini temsil eder. Kemirgenler gibi, bu hayvanlar için bakım ve doğurmak için küçük, işlemek kolay, ve nispeten ekonomik1,2,3,4, büyük NHPs ile karşılaştırıldığında. Ayrıca, bu hayvanların diğer NHPs1göre eşleştirme ve yüksek fecundity için bir eğilim var,2,3. Marmoset diğer birçok primatlar üzerinde sahip olduğu bir diğer avantajı modern moleküler biyoloji araçları3,4,5,6,7 ve sıralı genom2 ,3,4,5,8 genetik olarak değiştirmek için kullanılmıştır. Her iki knock-in hayvanlar lentivirus5kullanarak , ve çinko-parmak nükleazlar kullanarak knock-out hayvanlar (ZFNs) ve transkripsiyon aktivatör benzeri efektör nükleazlar (TALENS)7, canlı kurucu hayvanlar vermiştir.
Kemirgenler ile ilgili bir avantaj marmosets, primatlar gibi, filogenetik insanlara yakınolmasıdır 3,5,6,9,10,11. Insanlar gibi, marmosets davranışlarını10çok rehberlik etmek için son derece gelişmiş bir görsel sisteme bağlı diurnal hayvanlardır. Ayrıca, marmosets farklı vokalizasyonkullanımı gibi sosyal davranışların geniş bir yelpazede de dahil olmak üzere davranış karmaşıklığısergilemek 3, araştırmacılar diğer türlerde mümkün olmayan sorulara hitap etmek için izin. Bir nörobilimsel açıdan bakıldığında, marmosets lissencephaly beyinleri var, daha yaygın olarak kullanılan rhesus makak aksine9. Ayrıca, marmosets daha yüksek gelişmiş prefrontal korteks 9 dahil olmaküzere, insanlara benzer merkezi bir sinir sistemi var. Birlikte, tüm bu özellikleri sağlık ve hastalık beyin fonksiyonu çalışma için değerli bir model olarak marmosets pozisyon.
Beyin fonksiyonlarını incelemek için yaygın bir yöntem stereotaksik nöroşirürji yoluyla anatomik olarak belirli yerlerde elektrotlar implante içerir. Bu uyanık ve serbestçe hayvanlar12,13davranan farklı hedef alanlarda nöral aktivitenin kronik kayıt sağlar. Stereotaksik nöroşirürji, nöroanatomik bölgelerin kesin olarak hedeflemesine olanak sağladığı ndan, birçok araştırma hattında kullanılan vazgeçilmez bir tekniktir. Makak ve kemirgen literatürile karşılaştırıldığında, marmoset özgü stereotaksik nöroşirürji açıklayan daha az yayınlanmış çalışmalar vardır, ve onlar cerrahi dahil adımları seyrek detay sağlamak eğilimindedir. Ayrıca, daha fazla ayrıntı ile olanlar esas olarak baş-ölçülü hayvanlarda elektrofizyoloji kayıt prosedürleri odaklanmak14,15,16,17.
Marmosetlerin nörolojik araştırmalarda model organizma olarak daha geniş bir şekilde benimsenmesini kolaylaştırmak için, mevcut yöntem bu türde başarılı bir stereotaksik nöroşirürji için gerekli belirli adımları tanımlar. Kayıt dizilerinin implantasyonuna ek olarak, mevcut yöntemde de belirtildiği gibi, aynı teknik hastalıkların tedavisi için uyarıcı elektrotların implantasyonu da dahil olmak üzere diğer birçok deneysel uça uyarlanabilir18 veya nedensel olarak sürüş devre davranışı19; nörotransmitterlerin ekstraksiyonve niceleme için kılavuz kanüllerin implantasyonu20, reaktif enjeksiyonları, bu hastalık modelleri indükleyen için olanlar da dahil olmak üzere12 veya devre izleme çalışmaları15; ayrık doku bölgelerinin ablasyon21; optogenetik çalışmalar için optrodes implantasyonu22; kortikal mikroskobik analiz için optik pencerelerin implantasyonu23; ve elektrokortikografik (ECoG) dizilerinin implantasyonu24. Bu nedenle, bu işlemin genel amacı serbestçe davranan marmosets kronik elektrofizyolojik kayıtlar için mikroelektrot dizilerinin implantasyonu nda yer alan cerrahi adımları ana hatlar etmektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma, marmoset beyninde mikroelektrot kayıt dizilerinin implantasyonunda yer alan prosedürlerin ayrıntılı bir açıklamasını sunmaktadır. Aynı protokol, diğer küçük primatlarda ev yapımı veya ticari olarak mevcut olsun, elektrotlar implante ederken kolayca kullanılabilir. Ayrıca, kolayca beyin yapılarının hassas hedefleme gerektiren diğer deneysel biter için adapte edilebilir. Bu nedenle, bu protokol stereotaksik koordinatlar ve kranial sondaj teknikleri ile ilgili kasıtlı olarak belirsiz…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar bernardo Luiz filme ve düzenleme ile teknik yardım için teşekkür etmek istiyorum. Bu çalışma Santos Dumont Enstitüsü (ISD), Brezilya Eğitim Bakanlığı (MEC) ve Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) tarafından desteklendi.
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
- 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).
- 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).
- 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).
- Sasaki, E. Prospects for genetically modified non-human primate models, including the common marmoset. Neuroscience Research. 93, 110-115 (2015).
- Sasaki, E., et al. Generation of transgenic non-human primates with germline transmission. Nature. 459 (7246), 523-527 (2009).
- Sasaki, E. Creating Genetically Modified Marmosets. The Common Marmoset in Captivity and Biomedical Research. , 335-353 (2019).
- 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).
- Sato, K., et al. Resequencing of the common marmoset genome improves genome assemblies and gene-coding sequence analysis. Scientific Reports. 5, 16894 (2015).
- 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).
- Mitchell, J. F., Leopold, D. A. The marmoset monkey as a model for visual neuroscience. Neuroscience Research. 93, 20-46 (2015).
- 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).
- 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).
- MacDougall, M., et al. Optogenetic manipulation of neural circuits in awake marmosets. Journal of Neurophysiology. 116 (3), 1286-1294 (2016).
- Wakabayashi, M., et al. Development of stereotaxic recording system for awake marmosets (Callithrix jacchus). Neuroscience Research. 135, 37-45 (2018).
- 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).
- Sedaghat-Nejad, E., et al. Behavioral training of marmosets and electrophysiological recording from the cerebellum. Journal of Neurophysiology. , (2019).
- Kringelbach, M. L., Owen, S. L., Aziz, T. Z. Deep-brain stimulation. Future Neurology. 2 (6), 633-646 (2007).
- 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).
- Oddo, M., Hutchinson, P. J. Understanding and monitoring brain injury: the role of cerebral microdialysis. Intensive Care Medicine. 44 (11), 1945-1948 (2018).
- 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).
- Gradinaru, V., Mogri, M., Thompson, K. R., Henderson, J. M., Deisseroth, K. Optical Deconstruction of Parkinsonian Neural Circuitry. Science. 324, 354-359 (2009).
- 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).
- 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).
- Oliveira, L. M. O., Dimitrov, D. . Surgical Techniques for Chronic Implantation of Microwire Arrays in Rodents and Primates. , (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lehew, G., Nicolelis, M. A. L. . State-of-the-Art Microwire Array Design for Chronic Neural Recordings in Behaving Animals. , (2008).
- Paxinos, G., Watson, C., Petrides, M., Rosa, M., Tokuno, H. . The Marmoset Brain in Stereotaxic Coordinates. , (2012).
- 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).
- Flecknell, P. A. Anaesthesia of Animals for Biomedical Research. British Journal of Anaesthesia. 71 (6), 885-894 (1993).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
