Stereotaxic Chirurgie für die Implantation von Mikroelektroden-Arrays im Gemeinsamen Marmoset (Callithrix jacchus)
Summary
Diese Arbeit präsentiert ein Protokoll, um eine stereotaxic, neurochirurgische Implantation von Mikroelektroden-Arrays im gemeinsamen Marmoset durchzuführen. Diese Methode ermöglicht speziell elektrophysiologische Aufnahmen bei frei verhaltenden Tieren, kann aber leicht an alle anderen ähnlichen neurochirurgischen Eingriffe bei dieser Art angepasst werden (z. B. Kanülen zur Arzneimittelverabreichung oder Elektroden zur Hirnstimulation).
Abstract
Marmosets (Callithrix jacchus) sind kleine nicht-menschliche Primaten, die in der biomedizinischen und präklinischen Forschung, einschließlich der Neurowissenschaften, an Popularität gewinnen. Phylogenetisch sind diese Tiere dem Menschen viel näher als Nagetiere. Sie zeigen auch komplexe Verhaltensweisen, einschließlich einer breiten Palette von Vokalisationen und sozialen Interaktionen. Hier wird ein wirksames stereotaxic neurochirurgisches Verfahren zur Implantation von Aufzeichnungselektrodenarrays im gemeinsamen Marmoset beschrieben. Dieses Protokoll beschreibt auch die prä- und postoperativen Schritte der Tierpflege, die erforderlich sind, um eine solche Operation erfolgreich durchzuführen. Schließlich zeigt dieses Protokoll ein Beispiel für lokale Feldpotential- und Spike-Aktivitätsaufzeichnungen in einem frei verhaltenden Marmoset 1 Woche nach dem chirurgischen Eingriff. Insgesamt bietet diese Methode die Möglichkeit, die Gehirnfunktion in wachen und frei verhaltenden Marmosets zu studieren. Das gleiche Protokoll kann leicht von Forschern verwendet werden, die mit anderen kleinen Primaten arbeiten. Darüber hinaus kann es leicht modifiziert werden, um andere Studien zu ermöglichen, die Implantate erfordern, wie die Stimulierung von Elektroden, Mikroinjektionen, die Implantation von Optroden oder Führungskanülen oder die Ablation diskreter Gewebebereiche.
Introduction
Häufige Marmosets (Callithrix jacchus) werden in vielen Forschungsbereichen, einschließlich der Neurowissenschaften, als wichtiger Modellorganismus anerkannt. Diese Primaten der neuen Welt stellen ein wichtiges ergänzendes Tiermodell sowohl für Nagetiere als auch für andere nichtmenschliche Primaten (NHPs) dar, wie z. B. den Rhesusmakaken. Wie Nagetiere sind diese Tiere klein, leicht zu manipulieren und relativ sparsam zu pflegen und zu züchten1,2,3,4, im Vergleich zu größeren NHPs. Darüber hinaus haben diese Tiere eine Neigung zu Städtepartnerschaften und hoher Fruchtbarkeit im Vergleich zu anderen NHPs1,2,3. Ein weiterer Vorteil, den das Marmoset gegenüber vielen anderen Primaten hat, ist, dass moderne molekularbiologische Werkzeuge3,4,5,6,7 und ein sequenziertes Genom2 ,3,4,5,8 wurden verwendet, um sie genetisch zu modifizieren. Sowohl Knock-in-Tiere mit Lentivirus5, als auch Knock-out-Tiere mit Zink-Finger-Nukleasen (ZFNs) und Transkriptionsaktivator-ähnliche Effektornukleasen (TALENS)7, haben lebensfähige Gründertiere ergeben.
Ein Vorteil gegenüber Nagetieren ist, dass Marmosets, als Primaten, phylogenetisch näher am Menschen sind3,5,6,9,10,11. Wie Menschen sind Marmosets taguale Tiere, die auf ein hoch entwickeltes visuelles System angewiesen sind, um einen Großteil ihres Verhaltens zu leiten10. Darüber hinaus weisen Marmosets Verhaltenskomplexität auf, einschließlich einer breiten Palette von sozialen Verhaltensweisen wie der Verwendung verschiedener Vokalisationen3, die es Forschern ermöglichen, Fragen zu beantworten, die bei anderen Arten nicht möglich sind. Aus neurowissenschaftlicher Sicht haben Marmosets Lissenzephalie Gehirne, im Gegensatz zu den häufiger verwendeten rhesus macaque9. Darüber hinaus haben Marmosets ein zentrales Nervensystem ähnlich wie Menschen, einschließlich einer stärker entwickelten präfrontalen Kortex9. Zusammen positionieren all diese Eigenschaften Marmosets als ein wertvolles Modell, um die Gehirnfunktion bei Gesundheit und Krankheit zu untersuchen.
Eine gängige Methode zur Untersuchung der Gehirnfunktion beinhaltet die Implantation von Elektroden an anatomisch spezifischen Orten mittels stereotaxic Neurochirurgie. Dies ermöglicht die chronische Aufzeichnung der neuronalen Aktivität in verschiedenen Zielbereichen in wachen und frei verhaltenden Tieren12,13. Stereotaxic Neurochirurgie ist eine unverzichtbare Technik in vielen Forschungslinien verwendet, da es eine präzise Ausrichtung auf neuroanatomische Regionen ermöglicht. Im Vergleich zur Makaken- und Nagetierliteratur gibt es weniger veröffentlichte Studien, die die stereotaxic Neurochirurgie spezifisch für das Marmoset beschreiben, und sie neigen dazu, nur spärliche Details der Schritte zu liefern, die an der Operation beteiligt sind. Darüber hinaus konzentrieren sich diejenigen mit mehr Details vor allem auf Verfahren zur Elektrophysiologie-Aufzeichnung bei kopfhaltenden Tieren14,15,16,17.
Um eine breitere Akzeptanz von Marmosets als Modellorganismus in der neurowissenschaftlichen Forschung zu ermöglichen, definiert die vorliegende Methode spezifische Schritte, die für eine erfolgreiche stereotaxic neurosurgery bei dieser Art notwendig sind. Neben der Implantation von Aufzeichnungsarrays, wie in der vorliegenden Methode beschrieben, kann die gleiche Technik für viele andere experimentelle Enden angepasst werden, einschließlich der Implantation von stimulierenden Elektroden zur Behandlung von Krankheiten18 oder kausal fahrend Schaltungsverhalten19; Implantation von Führungskanülen zur Extraktion und Quantifizierung von Neurotransmittern20, Injektionen von Reagenzien, einschließlich der zur Induzieren von Krankheitsmodellen12 oder für Schaltkreisverfolgungsstudien15; Ablation von diskreten Geweberegionen21; Implantation von Optroden für optogenetische Studien22; Implantation von optischen Fenstern für die kortikale mikroskopische Analyse23; und Implantation von elektrokortikographischen (ECoG) Arrays24. Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht daher darin, die chirurgischen Schritte zu skizzieren, die bei der Implantation von Mikroelektroden-Arrays für chronische elektrophysiologische Aufnahmen in frei benehmenden Marmosets involviert sind.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diese Arbeit bietet eine detaillierte Beschreibung der Verfahren bei der Implantation von Mikroelektroden-Aufnahme-Arrays im Marmoset-Gehirn. Das gleiche Protokoll kann leicht verwendet werden, wenn Elektroden, ob hausgemacht oder kommerziell erhältlich, bei anderen kleinen Primaten implantiert werden. Darüber hinaus kann es leicht für andere experimentelle Zwecke angepasst werden, die eine präzise Ausrichtung der Gehirnstrukturen erfordern. Daher ist dieses Protokoll absichtlich vage in Bezug auf stereotaxic Koordin…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Bernardo Luiz für die technische Unterstützung beim Filmen und Bearbeiten. Diese Arbeit wurde vom Santos Dumont Institute (ISD), dem brasilianischen Bildungsministerium (MEC) und coordenaéo de Aperfeiéoamento de Pessoal de Nével Superior (CAPES) unterstützt.
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
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