Гибридная система микроdrive с восстанавливаемым Opto-Silicon зондом и Tetrode для двойной-сайта высокой плотности записи в свободно движущихся мышей
Summary
Этот протокол описывает конструкцию гибридного массива микропривода, который позволяет имплантировать девять независимо регулируемых тетродов и один регулируемый опитро-кремний зонд в двух областях мозга в свободно движущихся мышах. Также продемонстрирован метод безопасного восстановления и повторного использования опито-кремниевого зонда для различных целей.
Abstract
Многорегиональные нейронные записи могут предоставить важную информацию для понимания тонковременных взаимодействий между несколькими областями мозга. Тем не менее, обычные конструкции микропривода часто позволяют использовать только один тип электрода для записи из одного или нескольких регионов, ограничивая выход записей одного блока или глубины профиля. Он также часто ограничивает возможность комдота записей с оптогенетическими инструментами для целевой пути и / или типа клеток конкретной деятельности. Представлено здесь гибридный массив микроприводов для свободно движущихся мышей для оптимизации урожайности и описание его изготовления и повторного использования микропривода массива. Текущий дизайн использует девять тетродов и один опто-силиконовый зонд имплантируется в двух различных областях мозга одновременно в свободно движущихся мышей. тетроды и опто-силиконовый зонд независимо регулируются вдоль дорсовентальной оси в головном мозге, чтобы максимизировать выход единицы и колеи. Этот массив микроприводов также включает в себя настройку для света, посредничество оптогенетических манипуляций для изучения региональных или клеточных типов конкретных реакций и функций нейронных цепей дальнего радиуса действия. Кроме того, опто-силиконовый зонд можно безопасно восстановить и повторно использовать после каждого эксперимента. Поскольку массив микроприводов состоит из деталей, напечатанных на 3D-принтере, дизайн микродисков можно легко модифицировать с учетом различных параметров. Первый описан дизайн массива микропривода и как прикрепить оптическое волокно к кремниевому зонду для экспериментов оптогенетики, а затем изготовление тетродерас пучка и имплантации массива в мозг мыши. Запись локальных полевых потенциалов и единицы спайкинга в сочетании с оптогенетической стимуляцией также демонстрирует осуществимость системы микроприводов у свободно движущихся мышей.
Introduction
Очень важно понять, как нейронная активность поддерживает когнитивные процессы, такие как обучение и память, исследуя, как различные регионы мозга динамически взаимодействуют друг с другом. Для выяснения динамики нейронной активности, лежащей в основе когнитивных задач, крупномасштабная внеклеточнаяэлектрофизиология была проведена у свободно движущихся животных с помощью микроприводных массивов 1,2,3, 4. В последние два десятилетия, несколько типов микроdrive массив арантом были разработаны для имплантации электродов в нескольких областях мозга для крыс5,6,7,8 и мышей9, 10 Лет , 11 Год , 12. Тем не менее, текущие конструкции микропривода, как правило, не позволяют использовать несколько типов зондов, заставляя исследователей выбирать единый тип электрода с конкретными преимуществами и ограничениями. Например, тетроде массивы хорошо работают для густонаселенных областей мозга, таких как дорсальный гиппокамп CA11,13, в то время как кремниевые зонды дают лучший геометрический профиль для изучения анатомических связей14 , 15.
Тетроды и кремниевые зонды часто используются для хронической записи in vivo, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Тетроды, как было доказано, имеют значительные преимущества в лучшей изоляции одного блока, чем одиночные электроды16,17, в дополнение к экономической эффективности и механической жесткости. Они также обеспечивают более высокую урожайность однойединицы деятельности в сочетании с микродисками 8,18,19,20. Важно увеличить количество одновременно зарегистрированных нейронов для понимания функции нейронных цепей21. Например, большое количество клеток необходимо для исследования небольших популяций функционально неоднородных типов клеток, таких как связанные с временем22 или вознаграждение кодирования23 ячеек. Гораздо больше ежеклеток требуется для улучшения качества расшифровки последовательностей шипов13,24,25.
Тетроды, однако, имеют недостаток в записи пространственно распределенных клеток, таких как в коре головного мозга или таламус. В отличие от тетродов, кремниевые зонды могут обеспечить пространственное распределение и взаимодействие локальных полевых потенциалов (LFPs) и пики деятельности в рамках локальной структуры14,26. Multi-хвостак кремния зонды дальнейшего увеличения числа записи сайтов и позволяют записи через отдельные или соседние структуры27. Однако такие массивы менее гибки в позиционировании участков электродов по сравнению с тетродами. Кроме того, в зондах высокой плотности требуются сложные алгоритмы сортировки шипов для извлечения информации о потенциалах действия соседних каналов для отражения данных, полученных тетродами28,29,30. Таким образом, общая доходность отдельных единиц часто меньше, чем тетроды. Кроме того, кремниевые зонды являются невыгодными из-за их хрупкости и высокой стоимости. Таким образом, выбор тетродпротив кремниевых зондов зависит от цели записи, которая заключается в том, является ли получение высокой доходности одноъюмносного или пространственного профилирования на сайтах записи приоритетом.
В дополнение к записи нейронной активности, оптогенетические манипуляции стал одним из наиболее мощных инструментов в неврологии, чтобы изучить, как конкретные типы клеток и / или пути способствуют нейронной цепи функции13,31, 32,33. Тем не менее, оптогенетические эксперименты требуют дополнительного рассмотрения в микроdrive массив астратива для присоединения волокна разъем для стимуляции источников света34,35,36. Часто соединение волоконно-оптической требует относительно большой силы, что может привести к механическому сдвигу зонда в головном мозге. Поэтому совместить имплантируемое оптическое волокно с обычными массивами микроприводов не является тривиальной задачей.
По вышеуказанным причинам исследователи должны оптимизировать выбор типа электрода или имплантировать оптическое волокно в зависимости от цели записи. Например тетроды используются для достижения более высокой урожайности единицы в гиппокампе1,13, в то время как кремниевые зонды используются для исследования ламинаров глубины профиля корковых областей, таких как медиальной энторинальной коры (MEC)37. В настоящее время, микродиски для одновременной имплантации тетродов и кремниевых зондов были зарегистрированы для крыс5,11. Тем не менее, это чрезвычайно сложно имплантировать несколько тетрод и кремниевых зондов в мышей из-за веса микродисков, ограниченное пространство на голове мыши, и пространственные требования для проектирования микропривода использовать различные зонды. Хотя можно имплантировать кремниевые зонды без микропривода, эта процедура не позволяет регулировки зонда и снижает скорость успеха восстановления кремниевого зонда12,38. Кроме того, оптогенетические эксперименты требуют дополнительных соображений при проектировании микроприводных массивов. Этот протокол демонстрирует, как построить и имплантировать микроприводный массив для хронической записи у свободно движущихся мышей, что позволяет имплантировать девять независимо регулируемых тетродов и один регулируемый опитро-кремний зонд. Этот массив микроприводов также облегчает оптогенетические эксперименты и восстановление кремниевого зонда.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протокол демонстрирует, как построить и имплантировать гибридный массив микропривода, который позволяет записывать нейронные действия из двух областей мозга с помощью независимых регулируемых тетродов и кремния-зонда в свободно мейков. Он также демонстрирует оптогенетические экспе…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично поддержана Японским обществом содействия научным стипендиям научных исследований (HO), Наделенной стипендией (ТЗ), Программой науки о границах человека (ТЗ), Фондом исследований мозга (ТЗ), Факультетом науки и технологий Приобретение и Приобретение Программа удержания (TK), Фонд исследований мозга и поведения (TK), и Грант исследований Фонда Sumitomo (JY), NARSAD Молодой исследователь исследований Грант (JY). Мы благодарим В. Маркса за ценные замечания и предложения во время подготовки рукописи.
Materials
| #00-90 screw | J.I. Morris | #00-90-1/8 | EIB screws |
| #0-80 nut | Small Parts | B00DGB7CT2 | brass nut for holding fiber ferrule holder |
| #0-80 screw | Small Parts | B000FMZ57G | brass machine screw for probe connector mount, fiber ferrule holder, and shielding cone |
| 22 Ga polyetheretherketone tubes | Small Parts | SLPT-22-24 | for attaching to the shuttle, 0.025 inches inner diameter |
| 23 Ga stainless tubing | Small Parts | HTX-23R | for tetrode |
| 23 Ga stainless wire | Small Parts | HTX-23R-24-10 | for L-shape/support wire |
| 26 Ga stainless wire | Small Parts | GWX-0200 | for guide-posts |
| 30 Ga stainless wire | Small Parts | HTX-30R | for tetrode |
| 3-D CAD software package | Dassault Systèmes | SolidWorks 2003 | |
| 3D printer | FormLab | Form2 | |
| 5.5mil polyimide insulating tubes | HPC Medical | 72113900001-012 | |
| aluminum foil tape | Tyco | Tyco Adhesives 617022 Aluminum Foil Tape | for the alternative shielding cone |
| conductive paste | YSHIELD | HSF54 | for shielding cone |
| customized screws for silicon-probe microdrive | AMT | UNM1.25-HalfMoon | half-moon stainless screw, 1.5 mm diameter, 300 µm thread pitch |
| customized screws for tetrode microdrive | AMT | Yamamoto_0000-160_9mm | slotted stainless screw, 0.5 mm diameter, 160 µm thread pitch, custom-made to order for our design |
| dental acrylic | Stoelting | 51459 | |
| dental model resin | FormLab | RS-F2-DMBE-02 | |
| Dremel rotary tool | Dremel | model 800 | a grinder |
| drill bit | Fine Science Tool | 19007-05 | |
| electric interface board | Neuralynx | EIB-36-Narrow | |
| epoxy | Devcon | GLU-735.90 | 5 minutes epoxy |
| eye ointment | Dechra | Puralube Ophthalmic Ointment | to prevent mice eyes from drying during surgery |
| fiber polishing sheet | Thorlabs | LFG5P | for polishing the optical fiber |
| fine tweezers | Protech International | 15-368 | for loading/recovering the silicon probe |
| gold pins | Neuralynx | EIB Pins Small | |
| ground wire | A-M Systems | 781500 | 0.010 inch bare silver wire |
| headstage preamp | Neuralynx | HS-36 | |
| impedance meter | BAK electronics | Model IMP-2 | 1 kHz testing frequency |
| mineral oil | ZONA | 36-105 | for lubricating screws and wires |
| optical fiber | Doric | MFC_200/260-0.22_50mm_ZF1.25(G)_FLT | |
| Recording system | Neuralynx | Digital Lynx 4SX | |
| ruby fiber scribe | Thorlabs | S90R | for cleaving the optical fiber |
| silicon grease | Fine Science Tool | 29051-45 | |
| silicon probe | Neuronexus | A1x32-Edge-5mm-20-177 | Fig. 3, 4A, 4B, 5 |
| silicon probe | Neuronexus | A1x32-6mm-50-177 | Fig. 4C |
| silicon probe washing solution | Alcon | AL10078844 | contact lens cleaner |
| silicone lubber | Smooth-On | Dragon Skin 10 FAST | for preparation of microdrive mold |
| silver paint | GC electronic | 22-023 | silver print II coating, used for ground wires |
| skull screw | Otto Frei | 2647-10AC | 0.8 mm diameter, 0.200 mm thread pitch |
| standard surgical scissors | ROBOZ | RS-5880 | |
| stereotaxic apparatus | Kopf | Model 942 | |
| super glue | Loctite | LOC230992 | for applying to guide-posts |
| surgical tweezers | ROBOZ | RS-5135 | |
| Tetrode Twister | Jun Yamamoto | TT-01 | |
| tetrode wires | Sandvik | PX000004 |
Referências
- Wilson, M. A., McNaughton, B. L. Dynamics of the hippocampal ensemble code for space. Science. 261 (5124), 1055-1058 (1993).
- Gothard, K. M., Skaggs, W. E., Moore, K. M., McNaughton, B. L. Binding of hippocampal CA1 neural activity to multiple reference frames in a landmark-based navigation task. The Journal of Neuroscience. 16 (2), 823-835 (1996).
- Keating, J. G., Gerstein, G. L. A chronic multi-electrode microdrive for small animals. Journal of Neuroscience Methods. 117 (2), 201-206 (2002).
- Winson, J. A compact micro-electrode assembly for recording from the freely moving rat. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 35 (2), 215-217 (1973).
- Michon, F., et al. Integration of silicon-based neural probes and micro-drive arrays for chronic recording of large populations of neurons in behaving animals. Journal of Neural Engineering. 13 (4), 046018 (2016).
- Lansink, C. S., et al. A split microdrive for simultaneous multi-electrode recordings from two brain areas in awake small animals. Journal of Neuroscience Methods. 162 (1-2), 129-138 (2007).
- Billard, M. W., Bahari, F., Kimbugwe, J., Alloway, K. D., Gluckman, B. J. The systemDrive: a Multisite, Multiregion Microdrive with Independent Drive Axis Angling for Chronic Multimodal Systems Neuroscience Recordings in Freely Behaving Animals. eNeuro. 5 (6), (2018).
- Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: drive fabrication. Journal of Visualized Experiments. (26), (2009).
- Lu, P. L., et al. Microdrive with Two Independent Moveable Sets for Wide-Ranging, Multi-Site, Multi-Channel Brain Recordings. Journal of Medical and Biological Engineering. 34 (4), 341-346 (2014).
- Haiss, F., Butovas, S. A miniaturized chronic microelectrode drive for awake behaving head restrained mice and rats. Journal of Neuroscience Methods. 187 (1), 67-72 (2010).
- Headley, D. B., DeLucca, M. V., Haufler, D., Pare, D. Incorporating 3D-printing technology in the design of head-caps and electrode drives for recording neurons in multiple brain regions. Journal of Neurophysiology. 113 (7), 2721-2732 (2015).
- Voigts, J., Siegle, J. H., Pritchett, D. L., Moore, C. I. The flexDrive: an ultra-light implant for optical control and highly parallel chronic recording of neuronal ensembles in freely moving mice. Frontiers in Systems Neuroscience. 7, 8 (2013).
- Yamamoto, J., Tonegawa, S. Direct Medial Entorhinal Cortex Input to Hippocampal CA1 Is Crucial for Extended Quiet Awake Replay. Neuron. 96 (1), 217-227 (2017).
- Schomburg, E. W., et al. Theta phase segregation of input-specific gamma patterns in entorhinal-hippocampal networks. Neuron. 84 (2), 470-485 (2014).
- Fernandez-Ruiz, A., et al. Entorhinal-CA3 Dual-Input Control of Spike Timing in the Hippocampus by Theta-Gamma Coupling. Neuron. 93 (5), 1213-1226 (2017).
- Rey, H. G., Pedreira, C., Quian Quiroga, R. Past, present and future of spike sorting techniques. Brain Research Bulletin. 119 (Pt B), 106-117 (2015).
- Gray, C. M., Maldonado, P. E., Wilson, M., McNaughton, B. Tetrodes markedly improve the reliability and yield of multiple single-unit isolation from multi-unit recordings in cat striate cortex. Journal of Neuroscience Methods. 63 (1-2), 43-54 (1995).
- Yamamoto, J., Wilson, M. A. Large-scale chronically implantable precision motorized microdrive array for freely behaving animals. Journal of Neurophysiology. 100 (4), 2430-2440 (2008).
- Nguyen, D. P., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly. Journal of Visualized Experiments. (26), (2009).
- Lu, L., Popeney, B., Dickman, J. D., Angelaki, D. E. Construction of an Improved Multi-Tetrode Hyperdrive for Large-Scale Neural Recording in Behaving Rats. Journal of Visualized Experiments. (135), (2018).
- Jun, J. J., et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).
- Pastalkova, E., Itskov, V., Amarasingham, A., Buzsaki, G. Internally generated cell assembly sequences in the rat hippocampus. Science. 321 (5894), 1322-1327 (2008).
- Gauthier, J. L., Tank, D. W. A Dedicated Population for Reward Coding in the Hippocampus. Neuron. 99 (1), 179-193 (2018).
- Davidson, T. J., Kloosterman, F., Wilson, M. A. Hippocampal replay of extended experience. Neuron. 63 (4), 497-507 (2009).
- Gerwinn, S., Macke, J., Bethge, M. Bayesian population decoding of spiking neurons. Frontiers in Computational Neuroscience. 3, 21 (2009).
- Sakata, S., Harris, K. D. Laminar structure of spontaneous and sensory-evoked population activity in auditory cortex. Neuron. 64 (3), 404-418 (2009).
- Csicsvari, J., et al. Massively parallel recording of unit and local field potentials with silicon-based electrodes. Journal of Neurophysiology. 90 (2), 1314-1323 (2003).
- Harris, K. D., Quiroga, R. Q., Freeman, J., Smith, S. L. Improving data quality in neuronal population recordings. Nature Neuroscience. 19 (9), 1165-1174 (2016).
- Hilgen, G., et al. Unsupervised Spike Sorting for Large-Scale, High-Density Multielectrode Arrays. Cell Reports. 18 (10), 2521-2532 (2017).
- Rossant, C., et al. Spike sorting for large, dense electrode arrays. Nature neuroscience. 19 (4), 634-641 (2016).
- Iseri, E., Kuzum, D. Implantable optoelectronic probes for in vivo optogenetics. Journal of Neural Engineering. 14 (3), 031001 (2017).
- Klapoetke, N. C., et al. Independent optical excitation of distinct neural populations. Nature Methods. 11 (3), 338-346 (2014).
- Yamamoto, J., Suh, J., Takeuchi, D., Tonegawa, S. Successful execution of working memory linked to synchronized high-frequency gamma oscillations. Cell. 157 (4), 845-857 (2014).
- Rangel Guerrero, D. K., Donnett, J. G., Csicsvari, J., Kovacs, K. A. Tetrode Recording from the Hippocampus of Behaving Mice Coupled with Four-Point-Irradiation Closed-Loop Optogenetics: A Technique to Study the Contribution of Hippocampal SWR Events to Learning. eNeuro. 5 (4), (2018).
- Liang, L., et al. Integrated and Quick-to-Assemble (SLIQ) Hyperdrives for Functional Circuit Dissection. Frontiers in Neural Circuits. 11, 8 (2017).
- Chung, J., Sharif, F., Jung, D., Kim, S., Royer, S. Micro-drive and headgear for chronic implant and recovery of optoelectronic probes. Scientific Reports. 7 (1), 2773 (2017).
- Quilichini, P., Sirota, A., Buzsaki, G. Intrinsic circuit organization and theta-gamma oscillation dynamics in the entorhinal cortex of the rat. The Journal of Neuroscience. 30 (33), 11128-11142 (2010).
- Sauer, J. F., Struber, M., Bartos, M. Recording Spatially Restricted Oscillations in the Hippocampus of Behaving Mice. Journal of Visualized Experiments. (137), (2018).
- Shikano, Y., Sasaki, T., Ikegaya, Y. Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials, Electrocardiogram, Electromyogram, and Breathing Rhythm from a Freely Moving Rat. Journal of Visualized Experiments. (134), (2018).
- Brunetti, P. M., et al. Design and fabrication of ultralight weight, adjustable multi-electrode probes for electrophysiological recordings in mice. Journal of Visualized Experiments. 91 (91), e51675 (2014).
- Battaglia, F. P., et al. The Lantern: an ultra-light micro-drive for multi-tetrode recordings in mice and other small animals. Journal of Neuroscience Methods. 178 (2), 291-300 (2009).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. Journal of Visualized Experiments. (65), (2012).
- Suh, J., Rivest, A. J., Nakashiba, T., Tominaga, T., Tonegawa, S. Entorhinal cortex layer III input to the hippocampus is crucial for temporal association memory. Science. 334 (6061), 1415-1420 (2011).
- Royer, S., et al. Multi-array silicon probes with integrated optical fibers: light-assisted perturbation and recording of local neural circuits in the behaving animal. The European Journal of Neuroscience. 31 (12), 2279-2291 (2010).
- Steinmetz, N. A., Koch, C., Harris, K. D., Carandini, M. Challenges and opportunities for large-scale electrophysiology with Neuropixels probes. Current Opinion in Neurobiology. 50, 92-100 (2018).
- Jones, M. W., Wilson, M. A. Theta rhythms coordinate hippocampal-prefrontal interactions in a spatial memory task. PLoS Biology. 3 (12), e402 (2005).
- Frank, L. M., Brown, E. N., Wilson, M. A. A comparison of the firing properties of putative excitatory and inhibitory neurons from CA1 and the entorhinal cortex. Journal of Neurophysiology. 86 (4), 2029-2040 (2001).
- Kitamura, T., et al. Eng and circuits crucial for systems consolidation of a memory. Science. 356 (6333), 73-78 (2017).
- McGaugh, J. L., Cahill, L., Roozendaal, B. Involvement of the amygdala in memory storage: interaction with other brain systems. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (24), 13508-13514 (1996).
- Frankland, P. W., Bontempi, B., Talton, L. E., Kaczmarek, L., Silva, A. J. The involvement of the anterior cingulate cortex in remote contextual fear memory. Science. 304 (5672), 881-883 (2004).
- Mikulovic, S., et al. On the photovoltaic effect in local field potential recordings. Neurophotonics. 3 (1), 015002 (2016).
- Kuleshova, E. P. Optogenetics – New Potentials for Electrophysiology. Neuroscience and Behavioral Physiology. 49 (2), 169-177 (2019).
- Meng, E., Hoang, T. MEMS-enabled implantable drug infusion pumps for laboratory animal research, preclinical, and clinical applications. Advanced Drug Delivery Reviews. 64 (14), 1628-1638 (2012).
- Hu, S., et al. Dietary Fat, but Not Protein or Carbohydrate, Regulates Energy Intake and Causes Adiposity in Mice. Cell Metabolism. 28 (3), 415-431 (2018).
- Yang, Y., Smith, D. L., Keating, K. D., Allison, D. B., Nagy, T. R. Variations in body weight, food intake and body composition after long-term high-fat diet feeding in C57BL/6J mice. Obesity. 22 (10), 2147-2155 (2014).
- Morton, D. B., et al. Refinements in telemetry procedures. Seventh report of the BVAAWF/FRAME/RSPCA/UFAW Joint Working Group on Refinement, Part A. Laboratory Animals. 37 (4), 261-299 (2003).
- Lidster, K., et al. Opportunities for improving animal welfare in rodent models of epilepsy and seizures. Journal of Neuroscience Methods. 260, 2-25 (2016).
- Lin, L., et al. Large-scale neural ensemble recording in the brains of freely behaving mice. Journal of Neuroscience Methods. 155 (1), 28-38 (2006).
- Kislin, M., et al. Flat-floored air-lifted platform: a new method for combining behavior with microscopy or electrophysiology on awake freely moving rodents. Journal of Visualized Experiments. (88), e51869 (2014).
- Gaskill, B. N., Karas, A. Z., Garner, J. P., Pritchett-Corning, K. R. Nest building as an indicator of health and welfare in laboratory mice. Journal of Visualized Experiments. (82), 51012 (2013).
