Opførelse af Microdrive Arrays for kroniske Neural Recordings i Awake Behaving Mus
Summary
Udformningen og montage af Microdrives til in vivo elektrofysiologiske optagelser af hjernens signaler fra musen er beskrevet. Ved at binde mikroelektrode bundter til robuste køreklare luftfartsselskaber giver disse teknikker for langsigtede og stabile neurale optagelser. Det lette design giver mulighed for ubegrænset adfærdsmæssige resultater af dyret følgende drev implantation.
Abstract
State-of-the-art elektrofysiologiske optagelser fra hjerner frit opfører dyr give forskere til samtidig at undersøge de lokale feltpotentialer (LFPs) fra populationer af neuroner og handling potentialer fra individuelle celler, som dyret engagerer sig i eksperimentelt relevante opgaver. Kronisk implanterede Microdrives tillader hjernen optagelser til strække sig over perioder på flere uger. Miniaturiserede drev og lette komponenter tillader disse langsigtede optagelser forekomme i små pattedyr, såsom mus. Ved hjælp tetrodes, der består af tæt flettede bundter af fire elektroder, hvor hver ledning har en diameter på 12,5 um, er det muligt at isolere fysiologisk aktive neuroner i overfladiske områder af hjernen, såsom hjernebarken, dorsal hippocampus, og subiculum, samt som dybere regioner som striatum og amygdala. Desuden er denne teknik sikrer stabile, high-fidelity neurale optagelser, da dyret udfordres med en variety adfærdsmæssige opgaver. Dette håndskrift beskriver flere teknikker, som er blevet optimeret til at optage fra musen hjernen. Først viser vi, hvordan at fabrikere tetrodes, indlæse dem i køreklare rør og guld-plade deres tips for at reducere deres impedans fra MOhm til kQ rækkevidde. For det andet, vi vise, hvordan man konstruere en brugerdefineret mikrodrev samling til transport og bevæge tetrodes lodret, med brug af billige materialer. For det tredje, vi viser trinene for at samle en kommercielt tilgængelig mikrodrev (Neuralynx VersaDrive), der er designet til at bære selvstændigt bevægelige tetrodes. Endelig præsenterer vi repræsentative resultater af lokale feltpotentialer og single-unit signaler opnået i den dorsale subiculum af mus. Disse teknikker kan let modificeres til at rumme forskellige typer af elektrode arrays og optagelse ordninger i musehjernen.
Introduction
Anvendelsen af mikroelektrode teknik til optagelse ekstracellulære neurale signaler in vivo har en lang og værdsat tradition i neurovidenskab 1, 2. Evnen til at optage elektriske aktivitet fra mange områder af hjernen i frit opfører dyr er dog en nyere teknologi, der bliver mere og mere almindeligt som de softwarepakker til erhvervelse, analyse og diskrimination af neurale signaler bliver mere sofistikerede og brugervenlige 3, 4.. De teknologiske fremskridt på software siden er også blevet ledsaget af reduktioner i vægt og hovedparten af implantabelt udstyr, som er blevet skaleret ned tilstrækkeligt til optagelse i små pattedyr, såsom mus. Ved at bruge letvægts (hovedsagelig plast) komponenter, er forskere i stand til at konstruere Microdrives der giver mulighed for uafhængig positionering af elektroder eller tetrodes at målrette en bred vifte af hjernen regioner 5-7. Selv dybe hjernens strukturer, såsomamygdala 6 og striatum 5 kan rutinemæssigt målrettet med udvælgelsen af en passende lang drivskrue. Disse optagelse teknikker give forskere til at opnå high-fidelity neurale signaler, og er i register med den elektriske aktivitet i enkelte neuroner indspillet intracellulært 8, 9. Ved hjælp af disse typer af Microdrives, har vi med succes indspillet single-enheder fra mus i op til to måneder efter implantation 10. Desuden har den lette karakter af indretningerne (ca. 1,5-2,0 g) resulterede i adfærdsmæssige ydeevne, der er sammenlignelig med ikke-implanterede mus i mange adfærdsmæssige opgaver. Især har vi påvist, at implanterede mus udviser normale udførelse i den nye objekt anerkendelse opgave 10 og objektet sted opgave (upublicerede data).
Brugen af Microdrives koblet til flere tetrodes giver forskerne at overvåge og analysere neurale aktivitet på netværksniveausamtidig optagelse fra flere single-enheder i hjernen. Optagelse med disse tetrodes har flere store fordele for unit identifikation og gør det muligt høj nøjagtighed erhvervelse og diskrimination af multiple single-enheder 11. Vi beskriver, hvordan at fabrikere og guld-plade tetrode bundter og efterfølgende indlæse dem i køreklare elektrode luftfartsselskaber. En type drev luftfartsselskab, vi beskriver, er kommercielt tilgængelige, og den anden er en enkel, men let udvides, drev design, der kan rumme flere luftfartsselskaber og tetrode arrangementer uden en betydelig investering af ressourcer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har beskrevet en række teknikker til konstruktion lette og kompakte Microdrives til optagelse af ekstracellulære enhed og marken potentielle aktivitet i mus. Ved at bygge brugerdefinerede Microdrives med baser gammeldags fra akrylglas (methylmethacrylat), kan det centrale system, der let tilpasses til flere drev og for målretning af en bred vifte af neurale områder. Vi har med succes ændret systemet til optagelse fra flere hjerne targets og med større arrays til optagelser i mus. Med yderligere modifikation kan…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Daniel Carpi for hans hjælp og tidlig bidrag til dette projekt. Vi takker også Lucrecia Novoa for hendes hjælp med illustrationer og billeder. Dette arbejde blev støttet af NIH / NIAID programmet tilskud 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).
