Bygging av Microdrive Arrays for Kroniske Neural Recordings i Awake Behaving Mus
Summary
Prosjektering og montering av Microdrives for in vivo elektrofysiologiske opptak av hjernen signaler fra musen er beskrevet. Ved å feste microelectrode bunter til solide kjørbar bærere, disse teknikkene gir mulighet for langsiktig og stabil nevrale innspillinger. Den lette designen sørger for ubegrenset atferdsmessige ytelse av dyret følgende stasjon implantasjon.
Abstract
State-of-the-art elektrofysiologiske opptak fra hjernen til fritt oppfører dyr tillate forskere å samtidig undersøke lokale feltet potensialer (LFPs) fra populasjoner av nerveceller og aksjonspotensialer fra enkeltceller, som dyret engasjerer seg i eksperimentelt relevante oppgaver. Kronisk implantert Microdrives tillate hjernen innspillinger til å vare over perioder på flere uker. Miniatyriserte stasjoner og lette komponenter tillate disse langsiktige opptak til forekomme i små pattedyr, for eksempel mus. Ved å bruke tetrodes, som består av flettede bunter av tett fire elektroder hvor hver ledning har en diameter på 12,5 mikrometer, er det mulig å isolere fysiologisk aktive neuroner i overfladiske hjerneområder slik som cerebral cortex, dorsal hippocampus, og subiculum, samt som dypere områder som i striatum og amygdala. Videre sikrer denne teknikken stabil, høy fidelity nevrale innspillinger som dyret blir utfordret med en variety av atferdsmessige oppgaver. Dette manuskriptet beskriver flere teknikker som har blitt optimalisert for å ta opp fra musen hjernen. Først viser vi hvordan du kan dikte tetrodes, laste dem inn i kjørbar rør, og gull-plate sine tips for å redusere sin impedans fra MΩ til kohm rekkevidde. Sekund, viser vi hvordan du kan lage en tilpasset Microdrive montering for gjennomføring og flytting av tetrodes vertikalt, med bruk av billige materialer. Tredje, viser vi trinn for montering av en kommersielt tilgjengelig Microdrive (Neuralynx VersaDrive) som er designet til å bære uavhengig bevegelige tetrodes. Til slutt presenterer vi representative resultater på lokalt felt potensialer og single-enhet signaler innhentet i dorsal subiculum av mus. Disse teknikkene kan enkelt endres for å imøtekomme ulike typer elektrode arrays og opptak ordninger i musen hjernen.
Introduction
Bruken av mikroelektroden teknikk for opptak av ekstracellulære signaler nevrale in vivo har en lang tradisjon og vurderes i en Neuroscience, 2.. Muligheten for å registrere elektrisk aktivitet fra mange områder av hjernen i fritt oppfører dyrene er imidlertid en nyere teknologi som blir stadig mer vanlig som programvarepakkene for erverv, analyse og diskriminering av nevrale signaler blir mer sofistikert og brukervennlig tre, 4. Den teknologiske fremskritt på programvaresiden har også vært ledsaget av reduksjoner i vekt og mesteparten av implanterbare enheter, som har blitt skalert ned tilstrekkelig for opptak i små pattedyr, for eksempel mus. Ved å bruke lette (hovedsakelig plast) komponenter, forskerne er i stand til å konstruere Microdrives som gir mulighet for uavhengig justering av elektroder eller tetrodes å målrette et bredt spekter av områder av hjernen 5-7. Selv dype strukturer i hjernen, slik somamygdala 6 og striatum 5, kan rutinemessig målrettet med valget av en hensiktsmessig lang kjøretur skruen. Disse innspillingen teknikker tillate forskere å oppnå høy-fidelity nevrale signaler og er i register med den elektriske aktiviteten av single nevroner registrert intracellulært 8, 9. Ved hjelp av disse typer Microdrive, har vi lykkes spilt single-enheter fra mus i opptil to måneder etter implantasjon 10. I tillegg har den lette vekten av de enheter (ca. 1,5-2,0 g) resulterte i atferdsmessige ytelse som kan sammenlignes med ikke-implanterte mus i mange atferdsmessige oppgaver. Spesielt har vi vist at implantert mus viser normal ytelse i romanen objekt anerkjennelse oppgave 10 og objektet sted oppgave (upubliserte data).
Bruk av Microdrive koblet til flere tetrodes tillater forskerne å overvåke og analysere nevrale aktiviteten på nettverksnivåsamtidig opptak fra flere single-enheter i hjernen. Opptak med disse tetrodes har flere store fordeler for enhet identifikasjon og gjør det mulig for høy nøyaktighet kjøp og diskriminering av flere single-enheter 11. Vi beskriver hvordan å dikte og gull-plate tetrode bunter og så deretter laste dem inn i kjørbar elektrode bærere. En type stasjon transportør vi beskriver er kommersielt tilgjengelig, og den andre er en enkel, men lett utvides, drive design som kan romme flere operatører og tetrode ordninger uten en betydelig investering av ressurser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har beskrevet et sett med teknikker for å konstruere lette og kompakte Microdrives for opptak av ekstracellulær enhet og feltpotensial aktivitet i mus. Ved å bygge tilpassede Microdrives med baser fashioned fra akrylglass (metylmetakrylat), kan kjernen systemet enkelt tilpasses for flere stasjoner og for målretting av et bredt spekter av nevrale regioner. Vi har nå endret systemet for innspilling fra flere hjernen mål og med større arrays for opptak i mus. Med ytterligere endringer, kan motoriserte drivelement…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Daniel Carpi for hans hjelp og tidlige bidrag til dette prosjektet. Vi takker også Lucrecia Novoa for hennes assistanse med kunstverk og bilder. Dette arbeidet ble støttet av NIH / NIAID program stipend 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.
Riferimenti
- 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).
