Стереотаксическая хирургия для имплантации микроэлектродных массивов в общем Мармосете (Callithrix jacchus)
Summary
Эта работа представляет собой протокол для выполнения стереотаксической, нейрохирургической имплантации микроэлектродных массивов в общей мармосет. Этот метод специально позволяет электрофизиологических записей в свободно себя животных, но может быть легко адаптированы к любой другой аналогичный нейрохирургического вмешательства в этом виде (например, канюля для введения наркотиков или электродов для стимуляции мозга).
Abstract
Marmosets (Callithrix jacchus) являются небольшие нечеловеческие приматы, которые набирают популярность в биомедицинских и доклинических исследований, в том числе неврологии. Филогенетически, эти животные гораздо ближе к человеку, чем грызуны. Они также отображают сложное поведение, включая широкий спектр вокализаций и социальных взаимодействий. Здесь описана эффективная стереотаксическая нейрохирургическая процедура имплантации записывающих электродных массивов в общей мармосет. В этом протоколе также подробно описаны предоперационные и послеоперационные шаги по уходу за животными, которые необходимы для успешного выполнения такой операции. Наконец, этот протокол показывает пример локального потенциала поля и записи активности шипов в свободном процессе, который ведет себя в сурке через неделю после хирургической процедуры. В целом, этот метод дает возможность изучить функцию мозга в бодрствовании и свободно ведет себя мартыны. Тот же протокол может быть легко использован исследователями, работающими с другими мелкими приматами. Кроме того, он может быть легко изменен, чтобы другие исследования, требующие имплантатов, таких как стимулирование электродов, микроинъекций, имплантация optrodes или руководство канюли, или абляции отдельных регионов ткани.
Introduction
Общие мартыцы (Callithrix jacchus) получают признание в качестве важного модельного организма во многих областях исследований, в том числе неврологии. Эти новомировые приматы представляют собой важную дополнительную модель животных как для грызунов, так и для других нечеловеческих приматов (NHPs), таких как макака-ресус. Как и грызуны, эти животные маленькие, легко манипулировать, и относительно экономичным для ухода и породы1,2,3,4, по сравнению с более крупными NHPs. Кроме того, эти животные имеют склонность к побратимству и высокой плодовитости по сравнению с другими NHPs1,2,3. Еще одно преимущество marmoset имеет над многими другими приматами являетсято,что современные инструменты молекулярной биологии3,4,5,6,7 и секвенированный геном2 ,3,4,5,8 были использованы для их генетической модификации. Оба стук-в животных, использующих lentivirus5, и нокаут животных, использующих цинк-палец nucleases (ЗФН) и транскрипционный активатор-как эффектитор nucleases (TALENS)7, дали жизнеспособных животных-основателей.
Преимущество по отношению к грызунам в том, что сурки, какприматы, филогенетически ближе к людям3,5,6,9,10,11. Как и люди, мартыны являются суточные животные, которые зависят от высокоразвитой визуальной системы, чтобы направлять большую часть их поведения10. Кроме того, мартынейские сурки проявляют поведенческую сложность, в ключая широкий спектр социального поведения, таких как использование различных вокализаций3,что позволяет исследователям решать вопросы, которые невозможны у других видов. С нейронаучной точки зрения, мартынес имеют лиссенцефалии мозги, в отличие от более часто используемых ресус макаки9. Кроме того, мармосеты имеют центральную нервную систему, похожую на человека, включая более высокоразвитую префронтальную кору9. Вместе все эти характеристики позиционировать сурков как ценную модель для изучения функции мозга в области здоровья и болезней.
Общий метод изучения функции мозга предполагает имплантацию электродов в анатомически конкретных местах с помощью стереотаксической нейрохирургии. Это позволяет хронической записи нейронной активности в различных целевых областях бодрствуя и свободно себя животных12,13. Стереотаксическая нейрохирургия является незаменимым методом, используемым во многих направлениях исследований, так как она позволяет точно ориентироваться на нейроанатомические области. По сравнению с макаки и грызунов литературы, Есть меньше опубликованных исследований, описывающих стереотаксической нейрохирургии, характерной для сурка, и они, как правило, обеспечивают редкие детали шагов, участвующих в операции. Кроме того, те, с более подробной основном сосредоточиться на процедурах для электрофизиологии записи в голову сдержанных животных14,15,16,17.
Для того, чтобы способствовать более широкому внедрению сурков в качестве образцового организма в исследованиях неврологии, настоящий метод определяет конкретные шаги, необходимые для успешной стереотаксической нейрохирургии у этого вида. В дополнение к имплантации записывающих массивов, как описано в настоящем методе, та же техника может быть адаптирована для многих других экспериментальных целей, включая имплантацию стимулирующих электродов для лечения заболеваний18 или причинно-следственной связи поведение цепи19; имплантация направляющих канюли для извлечения и количественной оценки нейротрансмиттеров20, инъекций реагентов, в том числе для индуцирования моделей заболеваний12 или для исследования трассировки цепи15; абляция отдельных областейтканей 21; имплантация оптободов для оптогенетических исследований22; имплантация оптических окон для коркового микроскопического анализа23; и имплантация электрокортикографических (ECoG) массивов24. Таким образом, общая цель этой процедуры состоит в том, чтобы наметить хирургические шаги, участвующие в имплантации микроэлектродных массивов для хронических электрофизиологических записей в свободно мягоковых смарт-мили.
Protocol
Representative Results
Discussion
Эта работа дает подробное описание процедур, связанных с имплантацией микроэлектродных записывающих массивов в мозге сурка. Этот же протокол можно легко использовать при имплантации электродов, будь то домашние или коммерчески доступные, в других небольших приматов. Кроме того, он мо?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Бернардо Луиса за техническую помощь в съемках и монтаже. Эта работа была поддержана Институтом Сантоса Дюмона (ISD), Министерством образования Бразилии (MEC) и Coordena’o de Aperfei’oamento de Pessoal de N’vel 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).
