الجراحة الفراغية لغرس صفائف ميكروالكترود في المارموسيت المشتركة (Callithrix jacchus)
Summary
ويقدم هذا العمل بروتوكولا لتنفيذ المجسم ، وغرس العصبية من صفائف ميكروالكترود في marmoset المشتركة. هذه الطريقة علي وجه التحديد تمكن التسجيلات الكهربائية في الحيوانية يتصرف بحريه ولكن يمكن تكييفها بسهوله لأي تدخل الجراحة العصبية الأخرى مماثله في هذا النوع (علي سبيل المثال ، قني لأداره المخدرات أو أقطاب لتحفيز الدماغ).
Abstract
Marmosets (Callithrix jacchus) هي الرئيسيات الصغيرة غير البشرية التي تكتسب شعبيه في البحوث الطبية الحيوية وما قبل السريرية ، بما في ذلك أعصاب. هذه الكائنات أقرب بكثير من البشر من القوارض كما انها تعرض السلوكيات المعقدة ، بما في ذلك مجموعه واسعه من النطق والتفاعلات الاجتماعية. هنا ، يوصف اجراء الجراحة العصبية الفراغية فعاله لغرس صفائف القطب التسجيل في marmoset المشتركة. هذا البروتوكول أيضا تفاصيل الخطوات قبل وبعد العملية الجراحية للعناية بالماشية المطلوبة لاجراء هذه الجراحة بنجاح. وأخيرا ، يظهر هذا البروتوكول مثالا علي الإمكانيات الميدانية المحلية والتسجيلات النشاط الطفرة في marmoset يتصرف بحريه 1 أسبوع بعد العملية الجراحية. عموما ، يوفر هذا الأسلوب فرصه لدراسة وظيفة الدماغ في اليقظة والتصرف بحريه marmosets. ويمكن استخدام نفس البروتوكول بسهوله من قبل الباحثين العاملين مع الرئيسيات الصغيرة الأخرى. الاضافه إلى ذلك ، فانه يمكن تعديلها بسهوله للسماح للدراسات الأخرى التي تتطلب يزرع ، مثل تحفيز الأقطاب الكهربائية ، والحقن المجهري ، وغرس optrodes أو دليل cannulas ، أو استئصال مناطق الانسجه المنفصلة.
Introduction
المارموسيين المشتركة (callithrix jacchus) تكتسب الاعتراف باعتبارها نموذجا كائنا حيا هاما في العديد من مجالات البحث ، بما في ذلك العلوم العصبية. هذه الرئيسيات العالم الجديد تمثل نموذجا الحيوانية التكميلية الهامه لكل من القوارض وغيرها من الرئيسات غير البشرية (NHPs) ، مثل المكاك الريسوس. مثل القوارض ، وهذه الكائنات الصغيرة ، وسهله للتلاعب ، واقتصاديه نسبيا لرعاية وتولد1،2،3،4، بالمقارنة مع nhps أكبر. وعلاوة علي ذلك ، فان هذه الكائنات لديها ميل للتوامه والخصوبة العالية بالنسبة إلى الأخرى nhps1،2،3. ميزه أخرى لل marmoset علي العديد من الرئيسيات الأخرى هو ان البيولوجيا الجزيئية الحديثة أدوات3،4،5،6،7 والجينوم المتسلسلة2 ,3,4,5, 8 وقد استخدمت لتعديل وراثيا لهم. كلا الطرق في الحيوانية باستخدام لينتيفيروس5، وضرب الخروج الحيوانية باستخدام الزنك الاصبع نوكليسيس (zfns) والنسخ المنشط مثل المنحرف المستجيب (talens)7، وقد أثمرت الحيوانية مؤسس قابله للحياة.
ميزه [أين رلايشن تو] قوارض ان [مرمويتس], كرئيسيات, [فيلوجيني] قريبه إلى أناس3,5,6,9,10,11. مثل البشر ، المارموسيين هي الحيوانية التي تعتمد علي النظام البصري متطورة للغاية لتوجيه الكثير من سلوكهم10. وعلاوة علي ذلك ، تظهر المارموسيين التعقيد السلوكي ، بما في ذلك مجموعه واسعه من السلوكيات الاجتماعية مثل استخدام النطق المختلفة3، مما يسمح للباحثين لمعالجه الاسئله غير ممكن في الأنواع الأخرى. من منظور [نيوروسكينتيفيك] ، وقد المارموسيين العقول lissenكيفالونيا ، علي عكس ماكاك أكثر شيوعا المستخدمة9. وعلاوة علي ذلك ، المارموسيين لديها الجهاز العصبي المركزي علي غرار البشر ، بما في ذلك القشرة الاماميه أكثر تطورا للغاية9. معا, كل هذه الخصائص وضع المارموسيين كنموذج قيمه لدراسة وظيفة الدماغ في الصحة والمرض.
وهناك طريقه شائعه لدراسة وظيفة المخ تنطوي علي زرع أقطاب كهربائيه في مواقع محدده تشريحيا عن طريق جراحه المخ والأعصاب الفراغية. وهذا يسمح للتسجيل الزمني للنشاط العصبي في المناطق المستهدفة المختلفة في مستيقظا وبحريه التصرف الحيوانية12,13. جراحه الأعصاب الفراغية هي تقنيه لا غني عنها تستخدم في العديد من خطوط البحث ، لأنها تسمح بالاستهداف الدقيق للمناطق العصبية. بالمقارنة مع الأدب المكاك والقوارض ، هناك عدد اقل من الدراسات المنشورة التي تصف جراحه المخ والأعصاب الفراغية الخاصة بالمارموسيت ، وهي تميل إلى تقديم تفاصيل متفرقة عن الخطوات التي تنطوي عليها الجراحة. وعلاوة علي ذلك ، فان أولئك الذين لديهم تفاصيل أكبر تركز أساسا علي إجراءات تسجيل الفيزيولوجيا الكهربية في الماشية المقيدة الراس14و15و16و17.
من أجل تسهيل اعتماد أوسع من المارموسيين ككائن نموذجي في بحوث علوم الأعصاب ، والطريقة الحالية يحدد الخطوات المحددة اللازمة لجراحه الأعصاب المجسمة الناجحة في هذا النوع. بالاضافه إلى غرس صفائف التسجيل ، كما هو مفصل في الطريقة الحالية ، يمكن تكييف نفس التقنية للعديد من الغايات التجريبية الأخرى ، بما في ذلك غرس الأقطاب الكهربائية المحفزة لعلاج الامراض18 أو القيادة السببية دائره السلوك19؛ غرس دليل cannulas لاستخراج والكمية من الناقلات العصبية20، وحقن الكواشف ، بما في ذلك تلك التي للحث علي نماذج المرض12 أو لدراسات تتبع الدوائر15؛ استئصال المناطق النسيجية المنفصلة21؛ غرس من [اوبترودس] ل أوبتوجينيتيك دراسات22; غرس النوافذ البصرية للتحليل المجهري القشري23؛ وغرس صفائف الكتروكورتيغرافي (ECoG)24. التالي ، فان الهدف العام لهذا الاجراء هو تحديد الخطوات الجراحية التي ينطوي عليها غرس صفائف ميكروالكترود للتسجيلات الكهربية الفسيولوجية المزمنة في السلوك الحر للمارموسيتس.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويقدم هذا العمل وصفا مفصلا للإجراءات التي ينطوي عليها غرس صفائف تسجيل القطب المجهري في الدماغ marmoset. ويمكن استخدام هذا البروتوكول نفسه بسهوله عند غرس الأقطاب الكهربائية ، سواء كانت محليه الصنع أو متاحه تجاريا ، في الرئيسيات الصغيرة الأخرى. بالاضافه إلى ذلك ، فانه يمكن تكييفها بسهوله لغايا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود أصحاب البلاغ ان يشكروا برناردو لويز علي المساعدة التقنية في التصوير والتحرير. وقد دعم هذا العمل معهد سانتوس دومونت (ISD) ، ووزارة التعليم البرازيلية (MEC) وCoordenação دي ابيرفيتشونتو دي بيساك دي نيفل المتفوقة (الرؤوس).
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).
