Byggandet av en förbättrad multi tetrod Hyperdrive för storskaliga neurala inspelning i beter sig råttor
Summary
Vi presenterar byggandet av en 3D-printable hyperdrive med arton självständigt justerbar tetrodes. Hyperdrift är utformad för att registrera hjärnans aktivitet i fritt bete råtta under en period av flera veckor.
Abstract
Övervaka aktivitetsmönster i en stor population av nervceller över många dagar i vaket djur är en värdefull teknik inom system neurovetenskap. En viktig del av denna teknik består av exakt placering av flera elektroder in önskad hjärnregioner och underhåll av deras stabilitet. Här beskriver vi ett protokoll för byggandet av en 3D-printable hyperdrive, vilket inkluderar arton självständigt justerbar tetrodes, och är särskilt utformad för in vivo extracellulära neurala inspelning i fritt bete råtta. De tetrodes som bifogats den Microdrive-kort kan antingen vara individuellt avancerade i flera hjärnregioner längs spåret, eller kan användas för att placera en array av elektroder i ett mindre område. De flera tetrodes möjliggör samtidig undersökning av action potentials från dussintals enskilda nervceller, liksom lokala fältet potentialer från populationer av nervceller i hjärnan under aktiva beteende. Dessutom ger designen för enklare 3D drafting programvara som kan lätt ändras för olika experimentella behov.
Introduction
I fältet för system neurovetenskap studerar forskare de neurala korrelat underliggande kognitiva processer såsom spatial navigering, minne och beslutsfattande. För dessa typer av studier är det viktigt att övervaka aktiviteten hos många enskilda nervceller under djurens beteende. Under de senaste decennierna, har två viktiga framsteg gjorts för de experimentella behov för extracellulära neurala inspelning i smådjur1,2,3. Först var utvecklingen av tetrode, en bunt av fyra microwires som används för att registrera neurala aktiviteten hos nervceller samtidigt1,2,4. De Differentiella signaler amplituderna för verksamhet i de fyra kanalerna av en tetrod tillåter för isolering av individuella neuron aktivitet från många samtidigt inspelade celler5. Flexibiliteten i microwires kan dessutom större stabilitet av den tetrod minimera relativa förskjutningen mellan tetrod och cell målpopulationen. Tetrodes används nu allmänt i stället för en enda elektrod för många hjärnan studier i olika arter, inklusive gnagare1,2,6, primater7och insekter8. Det andra var utvecklingen av en hyperdrive redovisade flera självständigt rörliga tetrodes, vilket möjliggör samtidig övervakning av neural aktivitet från större populationer av nervceller från flera inspelning platser3, 9,10,11,12.
Tillgången på pålitlig och prisvärd multi tetrod registreringsanordning för små djur är begränsad. Den klassiska hyperdrive, ursprungligen utvecklat av Bruce McNaughton13, har använts framgångsrikt för neurala inspelningar i fritt bete råtta i många laboratorier i de förgångna två årtiondena9,10,14, 15. men av tekniska skäl, de ursprungliga komponenter som behövs för att bygga McNaughton enheten är nu mycket svårt att få och är inte kompatibla med nyligen förbättrad datagränssnitt förvärv. Andra väl accepterade utformningen av hyperdrive kräver den Microdrive-kort att vara individuellt handgjorda, som kunde ge motsägande resultat och konsumera avsevärd tid12. För att registrera neural aktivitet från olika regioner i hjärnan i beter sig råttor, utvecklat vi en ny hyperdrive med stereolithographic teknik. Vi försökte uppfylla följande krav: (1) det nya hyperdrift måste exakt förskjutning av tetrodes i hjärnan och ge stabil inspelning från flera mål regioner; (2) nya hyperdrive måste vara kompatibel med magnetiska quickclip systemet nyligen utvecklats för att tillåta enkel anslutning; och (3) det nya hyperdrift kan återskapas korrekt med material som är lätt tillgängliga. Här ger vi en teknik för att bygga upp de 3D-printable hyperdrive som innehåller arton självständigt rörliga tetrodes, baserat på McNaughton utformningen. I protokollet, vi beskriva detaljerna i tillverkningsprocessen av den nya hyperdrive, som vi har använt framgångsrikt att spela singel-neuron handlingspänningar och lokala fältet potentialer från de postrhinal och mediala entorhinal cortices under veckorna i ett fritt beter sig råtta under naturliga födosökande uppgifter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Här beskriver vi processen för att bygga en nyutvecklad hyperdrive består av arton självständigt rörliga tetrodes. Enheten kan konstrueras från prisvärda delar köpt på många tillgängliga järnaffärer, kombinerat med komponenter som skapats av stereolithographic utskrift. Hyperdrift kroniskt kan implanteras på en råttas skalle använder standard kirurgiska ingrepp och är skicklig av inspelningen extracellulära neural aktivitet medan djuret utför olika beteendemässiga uppgifter.
<p class="jove_conten…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Moser labbet på Kavli Institutet för system neurovetenskap och centrum för Neural uträkning, norska universitetet för vetenskap och teknik, för den kroniska neurala inspelning förfaranden hos råttor. Detta arbete stöds av NIH grant R21 NS098146 och Human Frontier Science Program långsiktiga gemenskap LT000211/2016-L till L. Lu.
Materials
| Welding rod | Blue Demon | ER308L-035-01T | Stainless steel, 0.035" in diameter |
| Screw | McMaster | 91771A060 | Stainless steel, flat head, 0-80 thread, 5/8" in length |
| Screw | McMaster | 91772A051 | Stainless steel, pan head, 0-80 thread, 5/32" in length |
| Screw | McMaster | 92196A056 | Stainless steel, socket head, 0-80 thread, 5/16" in length |
| Screw | McMaster | 92196A055 | Stainless steel, socket head, 0-80 thread, 1/4" in length |
| Screw | McMaster | 95868A131 | Nylon, socket head, 2-56 thread, 3/16" in length, black |
| Screw nut | McMaster | 90730A001 | Stainless steel, narrow hex, 0-80 thread |
| Shoulder screw | McMaster | 90298A213 | Stainless steel, 8-32 thread, 3/16" in diameter, 1/4" in length |
| Cup screw | McMaster | 92313A105 | Stainless steel, 4-40 thread, 3/16" in length |
| Thumb screw | McMaster | 94323A592 | Nylon, 8-32 thread, 3/8" in length, black |
| Magnet | Apex | M3X1MMDI | Neodymium, 3 mm X 1 mm disc |
| Metal tubing | Small Parts | B00137QHNS | Stainless steel, 23 gauge, 0.0253" OD, 0.013" ID, 0.006" wall |
| Metal tubing | New England Small Tube | Custom-made | Stainless steel, 30 gauge, 0.012/0.0125" OD, 0.007/0.008" ID, full hard |
| Heat-shrink tubing | McMaster | 7856K72 | 0.09" ID before shrinking, blue |
| Silicone tubing | A-M Systems | 807300 | 0.040" ID, 0.085" OD |
| Polyimide tubing | A-M Systems | 823400 | 0.0045" ID, 0.0005" wall |
| Ground wire | A-M Systems | 791500 | 0.005" bare, 0.008" coated, half hard |
| Tetrode wire | California Fine Wire | Custom-made | 0.0007" in diameter, platinum-iridium (90%-10%), HML and VG coating |
| EIB | Neuralynx | EIB-72-QC-Large | |
| Gold pins | Neuralynx | large EIB pins | |
| Tap | Balax | 01302-000 | M1.2 thread size |
| Tap | McMaster | 2522A811 | 0-80 thread size, bottoming |
| Tap | McMaster | 2522A771 | 0-80 thread size, plug |
| Tap | McMaster | 26955A94 | 3/8"-24 thread size, bottoming |
| Tap | McMaster | 2522A713 | 2-56 thread size |
| Tap | McMaster | 2522A715 | 4-40 thread size |
| Tap | McMaster | 2522A718 | 8-32 thread size |
| Die | McMaster | 2576A457 | 3/8"-24 thread size, 1" OD |
| Drill bit | McMaster | 30585A82 | Wire gauge 65, 0.035" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A83 | Wire gauge 66, 0.033" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A87 | Wire gauge 70, 0.028" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A88 | Wire gauge 71, 0.026" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A91 | Wire gauge 73, 0.024" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 8870A23 | 3/16" in diameter |
| Dremel disc | Wagner | 31M | Diamond coated, 22 mm in diameter, 0.17 mm in thickness |
| Steel wire | Precision Brand | 21212 | 0.012" in diameter, full hard |
| Steel wire | Precision Brand | 21007 | 0.007" in diameter, full hard |
| Steel wire | A-M Systems | 792700 | 0.003" in diameter, half hard |
| Super glue | Loctite | LT-40640 | # 406 |
| Super glue | Loctite | LT-41550 | # 415 |
| Dental acrylic powder | Teets | 223-3773 | Coral |
| Dental acrylic liquid | Teets | 223-4003 |
References
- O’Keefe, J., Recce, M. L. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus. 3 (3), 317-330 (1993).
- 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. J Neurosci. 16 (2), 823-835 (1996).
- 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. J Neurosci Methods. 63 (1-2), 43-54 (1995).
- Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).
- Fyhn, M., Hafting, T., Witter, M. P., Moser, E. I., Moser, M. B. Grid cells in mice. Hippocampus. 18 (12), 1230-1238 (2008).
- Skaggs, W. E., et al. EEG sharp waves and sparse ensemble unit activity in the macaque hippocampus. J Neurophysiol. 98 (2), 898-910 (2007).
- Guo, P., Pollack, A. J., Varga, A. G., Martin, J. P., Ritzmann, R. E. Extracellular wire tetrode recording in brain of freely walking insects. J Vis Exp. (86), (2014).
- Knierim, J. J., McNaughton, B. L., Poe, G. R. Three-dimensional spatial selectivity of hippocampal neurons during space flight. Nat Neurosci. 3 (3), 209-210 (2000).
- Leutgeb, S., et al. Independent codes for spatial and episodic memory in hippocampal neuronal ensembles. Science. 309 (5734), 619-623 (2005).
- Lansink, C. S., et al. A split microdrive for simultaneous multi-electrode recordings from two brain areas in awake small animals. J Neurosci Methods. 162 (1-2), 129-138 (2007).
- Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: drive fabrication. J Vis Exp. (26), (2009).
- . Google Patents Available from: https://www.google.com/patents/US5928143 (1999)
- Redish, A. D., et al. Independence of firing correlates of anatomically proximate hippocampal pyramidal cells. J Neurosci. 21 (5), RC134 (2001).
- Schmitzer-Torbert, N., Redish, A. D. Neuronal activity in the rodent dorsal striatum in sequential navigation: separation of spatial and reward responses on the multiple T task. J Neurophysiol. 91 (5), 2259-2272 (2004).
- Nguyen, D. P., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly. J Vis Exp. (26), (2009).
- Chang, E. H., Frattini, S. A., Robbiati, S., Huerta, P. T. Construction of microdrive arrays for chronic neural recordings in awake behaving mice. J Vis Exp. (77), e50470 (2013).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. J Vis Exp. (61), e3568 (2012).
- Siegle, J. H., et al. Chronically implanted hyperdrive for cortical recording and optogenetic control in behaving mice. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2011, 7529-7532 (2011).
- Brunetti, P. M., et al. Design and fabrication of ultralight weight, adjustable multi-electrode probes for electrophysiological recordings in mice. J Vis Exp. (91), e51675 (2014).
- . Google Patents Available from: https://www.google.com/patents/US4575330 (1986)
- Ludvig, N., Potter, P. E., Fox, S. E. Simultaneous single-cell recording and microdialysis within the same brain site in freely behaving rats: a novel neurobiological method. J Neurosci Methods. 55 (1), 31-40 (1994).
