Stereotaxisk kirurgi ved implantation af mikroelektrode systemer i den fælles Marmoset (Callithrix jacchus)
Summary
Dette arbejde præsenterer en protokol til at udføre en stereotaxisk, Neurokirurgisk implantation af mikroelektrode arrays i den fælles marmoset. Denne metode muliggør specifikt elektrofysiologiske optagelser i frit at opføre dyr, men kan let tilpasses til enhver anden lignende Neurokirurgisk intervention i denne art (f. eks. kanyle til lægemiddeladministration eller elektroder til hjerne stimulation).
Abstract
Marmosets (Callithrix jacchus) er små ikke-menneskelige primater, der er stigende popularitet i biomedicinsk og præklinisk forskning, herunder neurovidenskab. Fylogenetisk, disse dyr er meget tættere på mennesker end gnavere. De viser også komplekse adfærd, herunder en bred vifte af vokaliseringer og sociale interaktioner. Her beskrives en effektiv stereotaxisk Neurokirurgisk procedure til implantation af optagelses elektrode arrays i det fælles aben. Denne protokol beskriver også de præ-og postoperative trin af Animal Care, der er nødvendige for at kunne udføre en sådan operation. Endelig, denne protokol viser et eksempel på lokale felt potentiale og Spike aktivitet optagelser i en frit opfører aben 1 uge efter den kirurgiske procedure. Samlet set denne metode giver mulighed for at studere hjernens funktion i vågen og frit opfører marmosets. Den samme protokol kan let bruges af forskere, der arbejder med andre små primater. Desuden kan det let ændres for at tillade andre undersøgelser, der kræver implantater, såsom stimulerende elektroder, mikroinjektioner, implantation af optrodes eller guide-kanyle, eller ablation af diskrete vævs områder.
Introduction
Almindeligt silkeaber (Callithrix jacchus) vinder anerkendelse som en vigtig model organisme inden for mange forskningsområder, herunder neurovidenskab. Disse nye verdens primater repræsenterer en vigtig supplerende dyremodel for både gnavere og andre ikke-menneskelige primater (NHP’er), såsom rhesus Macaque. Ligesom gnavere, disse dyr er små, let at manipulere, og relativt økonomisk at pleje og race1,2,3,4, sammenlignet med større NHP’er. Desuden har disse dyr en tilbøjelighed til venskabsbysamarbejde og høj frugtbarhed i forhold til andre NHP’er1,2,3. En anden fordel aben har over mange andre primater er, at moderne molekylær biologi værktøjer3,4,5,6,7 og en sequhegnet genom2 ,3,4,5,8 er blevet anvendt til genetisk modificerer dem. Både Knock-in dyr ved hjælp af lentivirus5, og knock-out dyr ved hjælp af zink-finger-nukleaser (zfns) og transkriptionsaktivator-lignende Effector NUCLEASER (talens)7, har givet levedygtige grundlægger dyr.
En fordel i forhold til gnavere er, at marmosets, som primater, er Fylogenetisk tættere på mennesker3,5,6,9,10,11. Ligesom mennesker, silkeaber er døgn dyr, der er afhængige af et højt udviklet visuelt system til at vejlede meget af deres adfærd10. Yderligere, silkeaber udviser adfærdsmæssige kompleksitet, herunder en bred vifte af sociale adfærd såsom brugen af forskellige vokaliseringer3, så forskerne til at løse spørgsmål ikke muligt i andre arter. Fra et Neuro videnskabeligt perspektiv, silkeaber har lissencephaly hjerner, i modsætning til de mere almindeligt anvendte rhesus makak9. Desuden har silkeaber et central nervesystem, der ligner mennesker, herunder en mere højt udviklet præfrontal cortex9. Sammen, alle disse egenskaber position silkeaber som en værdifuld model til at studere hjernefunktion i sundhed og sygdom.
En fælles metode til at studere hjernefunktion involverer implantering af elektroder i anatomisk specifikke steder ved hjælp af stereotaxisk Neurokirurgi. Dette giver mulighed for kronisk registrering af neurale aktivitet i forskellige målområder i vågen og frit opfører dyr12,13. Stereotaxic Neurokirurgi er en uundværlig teknik, der anvendes i mange forskningslinjer, da det giver mulighed for præcis målretning af neuroanatomiske regioner. Sammenlignet med makak og gnaver litteratur, der er færre offentliggjorte undersøgelser beskriver stereotaksisk Neurokirurgi specifikke for marmoset, og de har tendens til at give sparsomme detaljer af de trin, involveret i operationen. Desuden, dem med mere detaljeret primært fokusere på procedurer for Elektrofysiologi optagelse i hoved hæmmede dyr14,15,16,17.
For at fremme en bredere indførelse af silkeaber som en model organisme i neurovidenskabelig forskning, den nuværende metode definerer specifikke skridt, der er nødvendige for en vellykket stereotaxisk Neurokirurgi i denne art. Ud over implantation af registreringssystemer, som beskrevet i den nuværende metode, kan den samme teknik tilpasses til mange andre eksperimentelle formål, herunder implantation af stimulerende elektroder til behandling af sygdomme18 eller kausalt kørsel kredsløbs adfærd19; implantation af guide-kanyle til ekstraktion og kvantificering af neurotransmittere20, injektioner af reagenser, herunder til inducerende sygdomsmodeller12 eller til kredsløbs sporings undersøgelser15; ablation af diskrete vævs områder21; implantation af optrodes for optogenetiske undersøgelser22; implantation af optiske ruder til kortikale mikroskopiske analyser23; og implantation af elektro kortikografiske (ECoG) arrays24. Således er det overordnede mål med denne procedure at skitsere de kirurgiske trin, der er involveret i implantation af mikroelektrode systemer til kroniske elektrofysiologiske optagelser i frit at opføre marmoseter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette arbejde giver en detaljeret beskrivelse af de procedurer, der er involveret i implantation af mikroelektrode indspilnings systemer i aben hjernen. Den samme protokol kan let bruges, når der implantering elektroder, uanset om de er hjemmelavede eller kommercielt tilgængelige, i andre små primater. Derudover kan det nemt tilpasses til andre eksperimentelle ender, der kræver præcis målretning af hjernestrukturer. Derfor er denne protokol målbevidst med hensyn til stereotaxiske koordinater og kranie boring tekni…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Bernardo Luiz for teknisk assistance med at filme og redigere. Dette arbejde blev støttet af Santos Dumont Institute (ISD), det brasilianske undervisningsministerium (MEC) og Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).
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 |
Referências
- 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).
