Konstruktion av Microdrive arrayer för kroniska neurala Recordings i Vakna uppför Möss
Summary
Utformning och montering av Microdrives för in vivo elektrofysiologiska inspelningar av hjärnans signaler från musen beskrivs. Genom att fästa mikroelektrod buntar till kraftiga körbara bärare, dessa tekniker möjliggör långsiktiga och stabila neurala inspelningar. Den lätta konstruktionen möjliggör obegränsad beteendemässiga prestanda genom djuret följande enhet implantation.
Abstract
State-of-the-art elektrofysiologiska inspelningar från hjärnorna av fritt beter djur tillåter forskare att samtidigt undersöka lokala fält potentialer (LFPs) från populationer av nervceller och potentialer åtgärder från enskilda celler, som djuret bedriver experimentellt relevanta uppgifter. Kroniskt implanterade Microdrives tillåter hjärnan inspelningar att pågå under perioder om flera veckor. Miniatyriserade enheter och lätta komponenter tillåter dessa långsiktiga inspelningar att uppstå i små däggdjur, såsom möss. Genom att använda tetrodes, som består av tätt flätade knippen av fyra elektroder i vilka varje tråd har en diameter på 12,5 | im, är det möjligt att isolera fysiologiskt aktiva nervceller i ytliga hjärnregioner såsom hjärnbarken, dorsal hippocampus och subiculum, liksom som djupare regioner som striatum och amygdala. Dessutom försäkrar denna teknik stabila, hifi-neurala inspelningar som djuret utmanas med en variety av beteendemässiga uppgifter. Detta manuskript beskriver flera tekniker som har optimerats för att spela in från musen hjärnan. Först visar vi hur man kan tillverka tetrodes, ladda dem till körbara rör, och guld-platta sina tips för att minska deras impedans från MQ till KQ sortiment. Det andra, visar vi hur man konstruerar en anpassad microdrive aggregat för att bära och flytta tetrodes vertikalt, med användning av billiga material. Tredje, visar vi steg för montering av en kommersiellt tillgänglig microdrive (Neuralynx VersaDrive) som är avsedd att bära självständigt rörliga tetrodes. Slutligen presenterar vi representativa resultat av lokala fält potentialer och singel-enhet signaler som erhållits i den dorsala subiculum av möss. Dessa tekniker kan lätt modifieras för att tillgodose olika typer av elektrodanordningar och system inspelning i musen hjärnan.
Introduction
Användningen av mikroelektrod tekniken för inspelning extracellulära neurala signaler in vivo har en lång och uppskattad tradition inom neurovetenskap 1, 2. Förmågan att spela elektrisk aktivitet från många områden i hjärnan i fritt beter djur är dock en nyare teknik som blir allt vanligare som mjukvarupaket för förvärv, analys och diskriminering av neurala signaler blir mer sofistikerad och användarvänlig 3, 4. De tekniska framstegen på mjukvarusidan har också åtföljts av minskningar i vikt och volym av de implantat som har skalats ner tillräckligt för att spela i små däggdjur, såsom möss. Genom att använda lätta (mestadels plast) komponenter, forskarna har möjlighet att konstruera Microdrive som möjliggör självständig positionering av elektroder eller tetrodes att rikta ett stort antal olika områden i hjärnan 5-7. Även djupa hjärnans strukturer, t.ex.amygdala 6 och striatum 5, kan rutinmässigt inriktas med valet av en lämpligt lång drivskruv. Dessa inspelningsteknik tillåta forskare att få hög-fidelity neurala signaler och är i linje med den elektriska aktiviteten i enstaka nervceller registrerades intracellulärt 8, 9. Genom att använda dessa typer av Microdrive, har vi spelade framgångsrikt single-enheter från möss i upp till två månader efter implantation 10. Dessutom har det lättviktiga av anordningarna (ca 1,5-2,0 g) resulterade i spatial förmåga som är jämförbar med icke-implanterade möss i många beteende uppgifter. Framför allt har vi visat att implanterade möss uppvisar normal prestanda i romanen objektet erkännande uppgift 10 och objektet platsen uppgiften (opublicerade data).
Användningen av Microdrive kopplade till flera tetrodes tillåter forskare att övervaka och analysera neural aktivitet på nätverksnivåsamtidigt inspelning från multipel av enkelstegs enheter inom hjärnan. Inspelning med dessa tetrodes har flera stora fördelar för ändamål enhetskoder och möjliggör hög noggrannhet förvärv och diskriminering av flera singel-enheter 11. Vi beskriver hur man tillverka och förgylla buntar tetrode och därefter lasta dem i körbara elektrodbärorganen. En typ av diskhållaren vi beskriver är kommersiellt tillgänglig och den andra är en enkel, men lätt att bygga, driva konstruktion som kan rymma flera flygbolag och arrangemang tetrode utan en betydande investering av resurser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har beskrivit en uppsättning tekniker för att konstruera lätta och kompakta Microdrives för inspelning av extracellulära enheten och fältpotential aktivitet i möss. Genom att bygga anpassade Microdrive med baser skulpterad ur akrylglas (metylmetakrylat), kan det centrala systemet enkelt anpassas för flera enheter och för inriktningen av ett brett utbud av neurala regioner. Vi har framgångsrikt modifierade systemet för inspelning från flera hjärnan mål och med större matriser för inspelningar i möss. …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Daniel Carpi för hans hjälp och tidiga bidrag till detta projekt. Vi tackar även Lucrecia Novoa för hennes hjälp med konstverk och bilder. Detta arbete stöddes av NIH / NIAID program bevilja 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).
