आम Marmoset में Microelectrode ऐरे के प्रत्यारोपण के लिए स्टीरियोटैक्सिक सर्जरी (Calithrix Jacchus)
Summary
यह काम आम marmoset में microelectrode सरणियों के एक स्टीरियोटैक्सिक, neurosurgical प्रत्यारोपण प्रदर्शन करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है. इस विधि विशेष रूप से स्वतंत्र रूप से व्यवहार जानवरों में electrophysiological रिकॉर्डिंग सक्षम बनाता है, लेकिन आसानी से इस प्रजाति में किसी भी अन्य समान neurosurgical हस्तक्षेप करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है (उदाहरण के लिए, दवा प्रशासन या मस्तिष्क उत्तेजना के लिए इलेक्ट्रोड के लिए cannula).
Abstract
Marmosets (Calithrix Jacchus) छोटे गैर मानव primates कि जैव चिकित्सा और पूर्व नैदानिक अनुसंधान में लोकप्रियता प्राप्त कर रहे हैं, तंत्रिका विज्ञान सहित. जातिवृत् तीय रूप से ये जंतु कृन्तकों की तुलना में मनुष्यों के बहुत निकट होते हैं। वे भी vocalizations और सामाजिक बातचीत की एक विस्तृत श्रृंखला सहित जटिल व्यवहार, प्रदर्शित करते हैं. यहाँ, आम marmoset में इलेक्ट्रोड सरणियों रिकॉर्डिंग के प्रत्यारोपण के लिए एक प्रभावी stereotaxic neurosurgical प्रक्रिया का वर्णन किया गया है. इस प्रोटोकॉल में पशु देखभाल के पूर्व और पश्चात चरणों का भी विवरण दिया गया है जो इस तरह की सर्जरी को सफलतापूर्वक करने के लिए आवश्यक हैं। अंत में, इस प्रोटोकॉल एक स्वतंत्र रूप से व्यवहार marmoset में स्थानीय क्षेत्र क्षमता और स्पाइक गतिविधि रिकॉर्डिंग का एक उदाहरण से पता चलता है 1 सप्ताह शल्य प्रक्रिया के बाद. कुल मिलाकर, इस विधि जाग में मस्तिष्क समारोह का अध्ययन करने के लिए और स्वतंत्र रूप से marmosets व्यवहार करने का अवसर प्रदान करता है. एक ही प्रोटोकॉल आसानी से अन्य छोटे primates के साथ काम कर रहे शोधकर्ताओं द्वारा इस्तेमाल किया जा सकता है. इसके अलावा, यह आसानी से अन्य प्रत्यारोपण की आवश्यकता वाले अध्ययनों की अनुमति के लिए संशोधित किया जा सकता है, जैसे उत्तेजक इलेक्ट्रोड, microinsinctions, optrodes या गाइड cannulas के प्रत्यारोपण, या असतत ऊतक क्षेत्रों के ablation.
Introduction
सामान्य marmosets (Calithrix Jacchus) तंत्रिका विज्ञान सहित अनुसंधान के कई क्षेत्रों में एक महत्वपूर्ण मॉडल जीव के रूप में मान्यता प्राप्त कर रहे हैं. ये नई दुनिया प्राइमेट्स कृन्तकों और अन्य गैर-मानव प्राइमेट्स (एनएचपी) दोनों के लिए एक महत्वपूर्ण पूरक पशु मॉडल का प्रतिनिधित्व करते हैं, जैसे कि रीसस मैकैक। कृन्तकों की तरह, ये जानवर छोटे होते हैं, हेरफेर करना आसान होता है, और बड़े एनएचपी की तुलना में1,2,3,4की देखभाल और प्रजनन करने के लिए अपेक्षाकृत किफायती होता है। इसके अलावा, इन जानवरों में अन्य एन एच पी 1 ,2,3के सापेक्ष जुड़वां और उच्च स्त्रैणता की प्रवृत्ति होती है . एक और लाभ marmoset कई अन्य primates से अधिक है कि आधुनिक आणविक जीव विज्ञान उपकरण3,4,5,6,7 और एक अनुक्रम जीनोम2 ,3,4,5,8 आनुवंशिक रूप से उन्हें संशोधित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है. दोनों नॉक-इन जानवरों lentivirus5का उपयोग कर, और दस्तक बाहर जानवरों जस्ता उंगली nucleases का उपयोग कर ($FNs) और प्रतिलेखन उत्प्रेरक की तरह effector nucleases (TALENS)7,व्यवहार्य संस्थापक जानवरों को मिला है.
कृन्तकों के संबंध में एक लाभ यह है कि मरमोसेट , प्राइमेट के रूप में , जातिवृत् तीय रूप से मनुष्योंके3 ,5,6,9,10,11के करीब होते हैं . मनुष्यों की तरह, marmosets दैनिक जानवर है कि एक अत्यधिक विकसित दृश्य प्रणाली पर निर्भर करने के लिए उनके व्यवहार10के बहुत मार्गदर्शन कर रहे हैं. इसके अलावा, marmosets इस तरह के विभिन्न vocalizations3के उपयोग के रूप में सामाजिक व्यवहार की एक विस्तृत श्रृंखला सहित व्यवहार जटिलता प्रदर्शन, शोधकर्ताओं अन्य प्रजातियों में संभव नहीं सवालों को संबोधित करने के लिए अनुमति देता है. एक तंत्रिका वैज्ञानिक दृष्टिकोण से, marmosets lissencephaly दिमाग है, अधिक सामान्य रूप से इस्तेमाल किया rhesus मैकैक9के विपरीत. इसके अलावा, marmosets एक केंद्रीय तंत्रिका तंत्र मनुष्य के समान है, एक अधिक उच्च विकसित prefrontal प्रांतस्था9सहित. एक साथ, इन सभी विशेषताओं स्वास्थ्य और रोग में मस्तिष्क समारोह का अध्ययन करने के लिए एक मूल्यवान मॉडल के रूप में marmosets स्थिति.
मस्तिष्क समारोह का अध्ययन करने के लिए एक आम विधि stereotaxic neurosurgery के माध्यम से शारीरिक रूप से विशिष्ट स्थानों में इलेक्ट्रोड प्रत्यारोपित शामिल है. इससे जागते और स्वतंत्र रूप से पशुओं के साथ व्यवहार करने वाले विभिन्न लक्ष्य क्षेत्रों में तंत्रिका क्रियाकीय की पुरानी रिकॉर्डिंग12,13. स्टीरियोटैक्सिक न्यूरोसर्जरी एक अनिवार्य तकनीक है जो अनुसंधान की कई लाइनों में इस्तेमाल की जाती है, क्योंकि यह न्यूरोएनामिकल क्षेत्रों के सटीक लक्ष्यीकरण की अनुमति देता है। मैकैक और कृंतक साहित्य की तुलना में, वहाँ कम प्रकाशित marmoset करने के लिए विशिष्ट stereotaxic neurosurgery का वर्णन अध्ययन कर रहे हैं, और वे सर्जरी में शामिल कदम के विरल विस्तार प्रदान करते हैं. इसके अलावा, अधिक विस्तार के साथ उन मुख्य रूप से सिर पर संयमित जानवरों में इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी रिकॉर्डिंग के लिए प्रक्रियाओं पर ध्यान केंद्रित14,15,16,17.
तंत्रिका विज्ञान अनुसंधान में एक मॉडल जीव के रूप में marmosets के व्यापक गोद लेने की सुविधा के लिए, वर्तमान विधि इस प्रजाति में एक सफल stereotaxic neurosurgery के लिए आवश्यक विशिष्ट कदम परिभाषित करता है. रिकॉर्डिंग सरणियों के प्रत्यारोपण के अलावा, वर्तमान विधि में विस्तृत के रूप में, एक ही तकनीक कई अन्य प्रयोगात्मक समाप्त होता है के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, रोगों के उपचार के लिए उत्तेजक इलेक्ट्रोड के प्रत्यारोपण सहित18 या कारण ड्राइविंग सर्किट व्यवहार19; निष्कर्षण और न्यूरोट्रांसमीटर के परिमाणीकरण के लिए गाइड cannulas के प्रत्यारोपण20, अभिकर्मकों के इंजेक्शन, रोग मॉडल को प्रेरित करने के लिए उन सहित12 या सर्किट अनुरेखण अध्ययन के लिए15; असतत ऊतक क्षेत्रों का अपाहिज21; ऑप्टोजेनेटिक अध्ययन के लिए ऑप्टोरोडका का प्रत्यारोपण22; cortical सूक्ष्म विश्लेषण23के लिए ऑप्टिकल खिड़कियों के प्रत्यारोपण ; और इलेक्ट्रोकॉर्टिकोग्राफिक (ईसीओजी) की प्रतिमाओं का रोपण24| इस प्रकार, इस प्रक्रिया के समग्र लक्ष्य के लिए स्वतंत्र रूप से marmosets व्यवहार में पुरानी इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल रिकॉर्डिंग के लिए microelectrode सरणियों के प्रत्यारोपण में शामिल शल्य चिकित्सा चरणों रूपरेखा है.
Protocol
Representative Results
Discussion
यह काम marmoset मस्तिष्क में microelectrode रिकॉर्डिंग सरणियों के प्रत्यारोपण में शामिल प्रक्रियाओं का एक विस्तृत विवरण प्रदान करता है. यह एक ही प्रोटोकॉल आसानी से इस्तेमाल किया जा सकता है जब इलेक्ट्रोड प्रत्यारो?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकफिल्माऔर संपादन के साथ तकनीकी सहायता के लिए बर्नार्डो Luiz शुक्रिया अदा करना चाहते हैं. इस काम के लिए Santos Dumont संस्थान (ISD), ब्राजील के शिक्षा मंत्रालय (MEC) और Coordena-o de Aperfeiomento de Pessoal de Nvel सुपीरियर (CAPES) द्वारा समर्थित किया गया था.
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).
