Bouw van Microdrive Arrays voor Chronische Neurale Recordings in Awake Behaving Muizen
Summary
Het ontwerp en de assemblage van microdrives in vivo elektrofysiologische opnames van hersenen signalen van de muis beschreven. Door het aanbrengen van micro-elektrode bundels aan stevige driveable dragers, deze technieken zorgen voor langdurige en stabiele neurale opnames. Het lichtgewicht ontwerp zorgt voor onbeperkte gedrags prestaties door het dier volgende station implantatie.
Abstract
State-of-the-art elektrofysiologische opnames van de hersenen van vrij gedragen dieren kunnen de onderzoekers om gelijktijdig te onderzoeken lokale veld potentialen (LFP's) van populaties van neuronen en actiepotentialen van individuele cellen, als het dier zich bezighoudt met experimenteel relevante taken. Chronisch geïmplanteerde microdrives zorgen voor hersenen opnames voor het laatst over periodes van enkele weken. Geminiaturiseerde drives en lichtgewicht componenten zorgen voor deze langdurige opnames te voorkomen in kleine zoogdieren, zoals muizen. Door tetrodes, bestaande uit strak gevlochten bundels van vier elektroden waarin elke draad een diameter van 12,5 urn, is het mogelijk om fysiologisch actieve neuronen isoleren oppervlakkige hersengebieden zoals de cerebrale cortex, dorsale hippocampus en subiculum, alsmede als diepere gebieden, zoals het striatum en de amygdala. Bovendien is deze techniek verzekert een stabiele, high-fidelity neurale opnames als het dier wordt uitgedaagd met een variety van gedrags-taken. Dit manuscript beschrijft een aantal technieken die zijn geoptimaliseerd voor het opnemen van de hersenen van muizen. Ten eerste, laten we zien hoe tetrodes fabriceren, laad ze in driveable buizen, en goud-plate hun tips om hun impedantie te verminderen van MQ tot kOhm bereik. Ten tweede, laten we zien hoe u een aangepaste microdrive assemblage construeren voor het dragen en verplaatsen van de tetrodes verticaal, met het gebruik van goedkope materialen. Ten derde, laten we de stappen voor het samenstellen van een in de handel verkrijgbaar microdrive (Neuralynx VersaDrive) die bedoeld is om onafhankelijk beweegbare tetrodes dragen. Tot slot presenteren we representatieve resultaten van de lokale veldpotentialen en single-unit signalen verkregen in de dorsale subiculum van muizen. Deze technieken kunnen eenvoudig worden aangepast aan verschillende typen elektrodereeksen en opnemen regelingen muizenhersenen tegemoet.
Introduction
Het gebruik van de micro-elektrode techniek voor het opnemen van extracellulaire neurale signalen in vivo heeft een lange en gewaardeerde traditie in de neurowetenschappen 1, 2. De mogelijkheid om elektrische activiteit opnemen van vele hersengebieden in vrij gedragen dieren is echter een meer recente technologie die wordt steeds vaker als de softwarepakketten voor de verwerving, analyse en discriminatie van neurale signalen wordt steeds geavanceerder en gebruiksvriendelijker 3, 4. De technologische vooruitgang op het softwarematig zijn ook gepaard met verlaging van het gewicht en volume van de implanteerbare inrichtingen, die voldoende verkleind voor het opnemen van kleine zoogdieren, zoals muizen. Door licht (meestal plastic) onderdelen, kunnen de onderzoekers microdrives die zorgen voor onafhankelijke plaatsing van elektroden of tetrodes richten allerlei hersengebieden 5-7 construeren. Zelfs diepe hersenstructuren zoalsamygdala 6 en het striatum 5, kan routinematig worden gericht met de selectie van een geschikt lange rit schroef. Deze opname technieken kunnen de onderzoekers de high-fidelity neurale signalen te verkrijgen en zijn in register met de elektrische activiteit van enkele neuronen opgenomen intracellulair 8, 9. Gebruik van dit soort microdrives hebben we met succes een-eenheden opgenomen van muizen gedurende maximaal twee maanden na implantatie 10. Bovendien heeft het geringe gewicht van de inrichtingen (ongeveer 1.5-2.0 g) resulteerde in behavioral prestaties die vergelijkbaar zijn met non-geïmplanteerde muizen in veel gedragstaken. In het bijzonder, hebben we aangetoond dat de geïmplanteerde muizen vertonen normale prestaties in de roman objectherkenning taak 10 en het object huistaak (ongepubliceerde gegevens).
Het gebruik van microdrives gekoppeld aan meerdere tetrodes stelt onderzoekers in staat om toezicht te houden en te analyseren neurale activiteit op netwerkniveauterwijl ook het opnemen van meerdere single-eenheden binnen de hersenen. Opnemen met deze tetrodes heeft een aantal belangrijke voordelen voor de eenheid identificatie en maakt het mogelijk de hoge nauwkeurigheid acquisitie en discriminatie van meerdere single-eenheden 11. We beschrijven hoe te fabriceren en goud-plate Tetrode bundels en dan vervolgens te laden in driveable elektroden dragers. Een type aandrijving drager beschrijven we de handel verkrijgbaar is en de andere is een eenvoudige, maar gemakkelijk uit te breiden, aandrijving ontwerp dat meerdere carriers en Tetrode arrangementen kunnen vangen zonder een aanzienlijke investering van middelen.
Protocol
Representative Results
Discussion
We hebben een set van technieken beschreven voor het construeren van licht en compact microdrives voor het opnemen van extracellulaire eenheid en veld potentiële activiteit in muizen. Door het bouwen van aangepaste microdrives met basen gevormd uit acrylglas (methylmethacrylaat), kan de kern van het systeem eenvoudig worden aangepast voor meerdere stations en voor het richten van een breed scala van neurale regio. We hebben met succes het systeem voor het registreren van meerdere hersenen doelen en met grotere arrays v…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken Daniël Carpi voor zijn hulp en vroeg bijdragen aan dit project. We danken ook Lucrecia Novoa voor haar hulp bij het kunstwerk en beelden. Dit werk werd ondersteund door NIH / NIAID programma subsidie 5P01AI073693-03.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| 0.0005″ (12.5 μM) diameter Platinum-Iridium wire | California Fine Wire | CFW#100-167 | HML VG insulated www.calfinewire.com |
| 0.002″ (50 μM) diameter Stableohm 675 wire | California Fine Wire | CFW# 100-188 | HML insulated Ni-Cr |
| polyamide tubing | Polymicro Technologies | 1068150020 | 99 micron I.D., 166 micron O.D. www.polymicro.com |
| brass guides | World Plastics Inc | 3.3 x 6.6 mm | |
| Delrin blocks | World Plastics Inc | 3.13 x 2.5 mm | |
| Fillister head brass screws | J.I. Morris Co. | 00-90 x 1/2 | drive screw www.jimorrisco.com |
| hex brass nuts | J.I. Morris Co. | 00-90 | |
| Fillister head brass screws | J.I. Morris Co. | 000-120 x 3/32 | EIB mount and ground screw |
| plexiglass acrylic | Canal Street Plastics | 5 mm thick, clear, www.cpcnyc.com | |
| cyanoacrylate | Krazy Glue | 2 g tube | |
| electronic interface board | Neuralynx | EIB-18 | www.neuralynx.com |
| non-cyanide gold solution | SIFCO | SIFCO 5355 | www.sifcoasc.com |
| VersaDrive 4 | Neuralynx | four tetrode model | |
| tetrode assembly station | Neuralynx | ||
| motorized tetrode spinner | Neuralynx | tetrode spinner 2.0 | |
| VersaDrive jig | Neuralynx | ||
| soldering iron | Radio Shack | 64-2802B | www.radioshack.com |
| nanoZ | Neuralynx | ||
| small bit drill/driver | Ram Products | Rampower 35 | with footpedal controller, www.ramprodinc.com |
| drill bits | Small Parts, Inc. | 3/32″ bits, www.smallpartsinc.com | |
| dissecting microscope | Olympus | SZ-60 | www.olympusamerica.com |
| heat gun | Alphawire | Fit gun 3 | use setting “1” only, www.alphawire.com |
| 26 AWG copper wire | Arcor Electronics | F26 | for ground wires, www.arcorelectronics.com |
| soldering flux | Eagle | 2 oz, #205 | |
| 0.02″ diameter solder | Kester | 24-6337-0010 | www.kester.com |
| benchtop vise | Vacu-Vise | Model 300 | |
| fiber optic light | Nikon | MKII | dual light arms, www.nikon.com |
| 5-min epoxy | Allied Electronics | 25 ml, www.alliedelec.com | |
| fine tweezers | Roboz Surgical Instrument Co. | RS-4907, RS-5010 | INOX material, www.roboz.com |
| micro dissecting scissors | Roboz Surgical Instrument Co. | RS-5880 |
Table 1. Materials and reagents used for constructing tetrodes and microdrives.
References
- Recce, M. L., O’Keefe, J. The tetrode: a new technique for multi-unit extracellular recording. Soc. Neurosci. Abstr. 15, 1250 (1989).
- O’Keefe, J., Recce, M. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus. 3, 317-330 (1993).
- Chen, G., Wang, L. P., Tsien, J. Z. Neural population-level memory traces in the mouse hippocampus. PLoS ONE. 4 (12), e8256 (2009).
- Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents — EEG, ECoG, LFP, and spikes. Nat. Rev. Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).
- Tort, A. B., Kramer, M. A., et al. Dynamic cross-frequency coupling of local field potential oscillations in rat striatum and hippocampus during performance of a T-maze task. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 105 (51), 20517-20522 (2008).
- Seidenbecher, T., Laxmi, R., et al. Amygdalar and hippocampal theta rhythm synchronization during fear memory retrieval. Science. 301 (5634), 846-850 (2003).
- Yamamoto, J., Wilson, M. A. Large-scale chronically implantable precision motorized microdrive array for freely behaving animals. J. Neurophysiol. 100 (4), 2430-2440 (2008).
- Harris, K. D., Henze, D. A., et al. Accuracy of tetrode spike separation as determined by simultaneous intracellular and extracellular measurements. J. Neurophysiol. 84 (1), 401-414 (2000).
- Henze, D. A., Borhegyi, Z., et al. Intracellular features predicted by extracellular recordings in the hippocampus in vivo. J. Neurophysiol. 84 (1), 390-400 (2000).
- Chang, E. H., Huerta, P. T. Neurophysiological correlates of object recognition in the dorsal subiculum. Front. Behav. Neurosci. 6, 46 (2012).
- Gray, C. M., Maldonado, P. E., et al. Tetrodes markedly improve the reliability and yield of multiple single-unit isolation from multi-unit recordings in cat striate cortex. J. Neurosci. Methods. 63 (1-2), 43-54 (1995).
- O’Keefe, J., Dostrovsky, J. The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Res. 34 (1), 171-175 (1971).
- Wilson, M. A., McNaughton, B. L. Dynamics of the hippocampal ensemble code for space. Science. 261 (5124), 1055-1058 (1993).
- Buzsáki, G. . Rhythms of the Brain. , (2006).
- McHugh, T. J., Blum, K. I., et al. Impaired hippocampal representation of space in CA1-specific NMDAR1 knockout mice. Cell. 87 (7), 1339-1349 (1996).
- Resnik, E., McFarland, J. M., et al. The effects of GluA1 deletion on the hippocampal population code for position. J. Neurosci. 32 (26), 8952-8968 (2012).
- Cacucci, F., Yi, M., et al. Place cell firing correlates with memory deficits and amyloid plaque burden in Tg2576 Alzheimer mouse model. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (22), 7863-7868 (2008).
- Sigurdsson, T., Stark, K. L., et al. Impaired hippocampal-prefrontal synchrony in a genetic mouse model of schizophrenia. Nature. 464 (7289), 763-767 (2010).
- Engel, A. K., Moll, C. K., et al. Invasive recordings from the human brain: clinical insights and beyond. Nat. Rev. Neurosci. 6 (1), 35-47 (2005).
- Cash, S. S., Halgren, E., et al. The human K-complex represents an isolated cortical down-state. Science. 324 (5930), 1084-1087 (2009).
