En prosedyre for Implanting Organiserte Arrays av Microwires for Single-unit Recordings i Awake, Oppfører Dyr

Summary

Implantere organisert matriser av microwires for bruk i enkelt enhet elektrofysiologiske opptak presenterer en rekke tekniske utfordringer. Metoder for utførelse av denne teknikk og utstyr som er nødvendig, er beskrevet. Dessuten er den reelle bruken av organiserte Micro arrays for å spille inn fra forskjellige nevrale underregioner med høy romlig selektivitet diskutert.

Abstract

In vivo elektrofysiologiske opptak i våken, oppfører dyret gi en kraftig metode for å forstå nevrale signal på enkelt-celle-nivå. Den teknikken tillater forskere å undersøke timelig og regionalt bestemte avfyring mønstre for å korrelere innspilte aksjonspotensialer med pågående oppførsel. Videre kan enkelt enhet opptak kombineres med en mengde andre teknikker for å produsere omfattende forklaringer av nervefunksjoner. I denne artikkelen beskriver vi anestesi og forberedelse for mikrotråden implantasjon. Deretter vi nummerere nødvendig utstyr og kirurgiske tiltak for å nøyaktig sette inn en mikrotråden matrisen i en målstruktur. Til slutt, vi kort beskrive det utstyret som brukes til å ta opp fra hver enkelt elektrode i rekken. De faste Micro arrays beskrevet er godt egnet for kronisk implantasjon og gir mulighet for langsgående opptak av nevrale data i nesten eventuelle atferds forberedelserpå. Vi diskuterer tracing elektrode spor å triangulere Micro stillinger samt måter å kombinere mikrotråden implantasjon med immunhistokjemiske teknikker for å øke den anatomiske spesifisitet av innspilte resultater.

Introduction

Elektrofysiologiske opptak tillate forskere å undersøke de elektriske egenskapene til biologiske celler. I sentralnervesystemet, hvor elektriske impulser tjene som en signaleringsmekanisme, disse platene er av særlig betydning for forståelse av neural funksjon ^1-2. Under enkelt enhet opptak i oppfører dyr, en microelectrode som har blitt satt inn i hjernen er i stand til å registrere endringer i en nevron generasjon av aksjonspotensialer over tid.

Mens mange teknikker tillater en å ta opp hjerneaktivitet, er enkeltenhet elektro en av de mest presise metoder ved at oppløsningen i én nervecelle-nivå. Når en høy grad av romlig spesifisitet ønskes, kan microwires anvendes til å målrette diskrete sub-nuclei eller ensembler av celler i brain3. Single-unit innspillinger også dra nytte av høy tidsoppløsning som opptak er nøyaktig på mikronivå. Og in vivo entelefonopptak tillate intakte krets, med det naturlige miljøet av afferente og efferente projeksjoner, systemisk kjemiske og hormonelle påvirkninger, og fysiologiske parametre. Nevrale signaler er utledet fra sanseinntrykk, motorisk adferd, kognitiv behandling, nevrokjemi / farmakologi, eller en kombinasjon. Følgelig, segregering av sensoriske, motoriske, kognitive, og kjemisk påvirkning nødvendiggjennomtenkt eksperimenter med effektive situasjoner og kontroller som kan gi rom for vurdering av hver av de nevnte påvirkninger. Alt i alt, opptak i oppfører dyr tillate forskere å observere integrering av flere kilder til informasjon innen en fungerende krets og å utlede en mer omfattende modell av kretsen funksjon.

Single-unit innspillinger også lider av en rekke ulemper som noen eksperimentator bør være klar over. Først og fremst, kan opptak være vanskelig å gjennomføre. Faktisk egenskaper the heads forsterkere og de ​​implanterte microwires som gir mulighet for romlig og tidsmessig spesifisitet i disse innspillingene gjør også opptak utsatt for påvirkning av utenforliggende elektriske signaler (dvs. elektrisk "støy"). Følgelig, evnen til å feilsøke problemer i en elektrosystem krever et velutviklet teknisk forståelse av elektrofysiologiske prinsipper og apparater. Det er også viktig å merke seg at, under visse omstendigheter, kan registrerte elektriske signaler i ekstracellulære opptak representerer summering av flere nervesignaler. Dessuten kan generalizability av enkelt-enhet aktivitet for å populasjon aktivitet innenfor et målområde ofte være begrenset av graden av cellulær heterogenitet innenfor målområdet (men se Cardin ^4). For eksempel kan elektrodene være forutinntatt mot opptak av høy amplitude utgang nevroner i stedet for andre celler. Interpretability av single-enhet opptak økesved å kombinere opptak med andre teknikker, inkludert, men ikke begrenset til, elektrisk (orthodromic eller antidromic), kjemiske (f.eks iontoforetisk eller designer reseptor) eller optogenetic stimulering ^4, midlertidige nevrale inactivations, motoriske undersøkelser ^5, frakoblingsprosedyrer, eller immunhistokjemi ^tre.

I den protokoll som følger vil vi nummerere materialene og trinnene som er nødvendig for å implantere en organisert mikrotråd matrise hos rotte (selv protokollen kan tilpasses for bruk i andre arter). Prosedyren og stil av faste matriser brukes i vårt laboratorium har vist seg pålitelig for langsgående opptak og kan opprettholde innspillinger av samme nervecellen i over en måneds tid ^6-8. Dette gjør denne prosedyren ideell for å undersøke phasic responser til eksperimentelle stimuli, plast endringer i nevrale responser, eller mekanismer for læring og motivasjon.

Protocol

Den ytterste forsiktighet må tas for å opprettholde aseptiske forhold (som beskrevet i Guide for omsorg og bruk av forsøksdyr 9) mens forbereder og gjennomfører følgende prosedyre. Følgende protokoll er i samsvar med Guide for omsorg og bruk av forsøksdyr, og har blitt godkjent av Institutional Animal Care og bruk komité, Rutgers University. Det er anslått at de etterfølgende fremgangsmåter krever 3-6 timer for å fullføre. Implantering av Micro Array: Plasse…

Representative Results

En oversikt over utstyr som brukes ved dette laboratoriet for opptak av elektromagnetiske signaler kan bli funnet i tabell 3. Etter utvinning fra kirurgi, er single-enheter registrert ved å koble en enhet-gevinst heads inn i implantert kontakten. Denne heads er forbundet via en kabel til en kommutator, som er i stand til fri rotasjon uten brudd i elektro opptaket ved bruk av elektriske sleperinger. Den kommutatoren tillater fag for å bevege seg fritt under opptak ved opptreden, noe som er en av de pri…

Discussion

Ekstracellulære opptak representerer en kraftig eksperimentell teknikk som kan bli innlemmet i nesten hvilken som helst eksperimentell forberedelse i nevrovitenskap. Ledninger som har blitt implantert i organisert matriser kan spores som sine aksler passerer gjennom hjernen og inn i deres målområdet (figur 5A). Når en liten, etter eksperimentell lesjon opprettes ved noninsulated mikrotråd spissen for å skape en liten jern innskudd fra rustfri ståltråd, kan man nøyaktig markere plasseringen av u…

Materials

Table 1. List of Surgical Materials
Gauze	Fisher (MooreBrand)	19-898-144
Cotton Swabs	Fisher (Puritan)	S304659
Nembutal (Pentobarbital)	Sigma Aldrich	P3761
Atropine Methyl Nitrate	Sigma Aldrich	A0382
Baytril (Enrofloxacin)	Butler Shein (Bayer)	1040007
Ketamine Hydrochloride	Butler Shein	SKU# 023061
Betadine (Povidone-Iodine)	Fisher (Perdue)	19-066452
Stereotax	Kopf	Model 900
Cauterizing Tool	Stoelting	59017
Dissecting Microscope	Nikon	SMZ445
Dental Drill	Buffalo	37800
Bacteriostatic Saline	Bulter Schein	8973
Jewlers Skrews	Stoelting	51457
Microwire Array	Microprobes	Custom (Flexible)
Ground Wire	Omnetics	Custom Plug
Dental Acrylic	Fisher (BAS)	50-854-402
Absorbable Sutures	Fisher (Ethicon)	NC0258473
Puralube (Opthalamic Ointment/Lubricant)	Fisher (Henry Schein)	008897

Table 2. List of Surgical Instruments
2x Microforceps	George Tiemann & Co.	#160-57	Multi-use (e.g. clearing debris in skull window)
2x Forceps	George Tiemann & Co.	#160-93	Multi-use (e.g. tying sutures)
6x Hemostats	George Tiemann & Co.	#105-1125	Clamp and open incision
1x Small scissors	George Tiemann & Co.	#105-411	Cut sutures after tying
1x Tissue forceps	George Tiemann & Co.	#105-222	Holding tissue while suturing
1x Needle holder	George Tiemann & Co.	#105-1259	Holding suture needle
1x Scalpel holder (with #11 blade)	George Tiemann & Co.	#105-80 (w/ #105-71 blade)	Making skull incision
1x # 22 Scalpel blade	George Tiemann & Co.	# 160-381	Shaving scalp
1x Surgical Spatula	George Tiemann & Co.	#160-718	Scraping skull to clear tissue on skull
Machine/Jewelers Screws	Various	N/A	0/80 x 1/8”

Table 3. List of Equipment for Recording Electrophysiological Signals
Microwire Array & Connector	Micro Probe, Inc. (Gaithersburg, MD)	N/A	Cranially implanted in target recording region. Arrays are customized based on desired wire spacing, length, etc.
(Part No. Based on array characteristics)
Unity-Gain Harness/Headstage	M.B. Turnkey Designs (Hillsborough, NJ)	Proj 1200	Initial amplification of neural signal; allows for propagation of small neural signals.
Commutator (& Optional Fluid Swivel)	Plastics One, Inc. (Roanoke, VA)	SL18C	Allows animals to freely rotate while propagating electrical signal to preamp
Pre-Amplifier	M.B. Turnkey Designs (Hillsborough, NJ)	Proj 1198	Differentially amplifies neural signals against a reference electrode.
Filter & Amplifier	M.B. Turnkey Designs (Hillsborough, NJ)	Proj 1199	Band-pass filters and further amplifies the differentially amplified signal.
Acquisition Computer	EnGen (Phoenix, AZ)	N/A (Custom Build)	Runs software and hardware for behavioral and neural data acquisition.
A/D Card	Data Translation (Marlboro, MA)	DT-3010	Digitizes neural signals for computer sampling.
Digital I/O Card	Measurement Computing (Norton, MA)	PCI CTR-05	Acquires behavioral inputs and outputs