Serbest Yüzme Balık hareketli Tetrodes tarafından Nöronların Kablosuz Elektrofizyolojik Kayıt
Summary
Serbestçe yüzen japon balığının beyninden hücre dışı sinir selülasyon sinyallerini kaydetmek için yeni bir kablosuz teknik sunulmuştur. Kayıt cihazı iki tetrode, bir mikrosürücü, bir sinirsel veri kaydedici ve su geçirmez bir kasaoluşur. Veri kaydedicisi ve bağlayıcısı dışında tüm parçalar özel olarak üretilir.
Abstract
Balıkların davranışlarını yöneten sinirsel mekanizmalar çoğunlukla bilinmemekle birlikte, balıklar tüm omurgalıların çoğunluğunu oluşturur. Serbestçe hareket eden balıklardan beyin aktivitesini kaydetme yeteneği, balık davranışlarının sinirsel temelinde araştırmayı oldukça ilerletecektir. Ayrıca, beyindeki kayıt yerinin kesin kontrolü balık beynindeki bölgeler arasında eşgüdümlü nöral aktiviteyi incelemek için çok önemlidir. Burada, kayıt yerinin derinliğini kontrol ederken serbestçe yüzen balıkların beyninden kablosuz olarak kaydeden bir teknik salıyoruz. Sistem mikrosürücü kontrollü tetrodes tarafından kayıt konumunu ayarlayabilirsiniz yeni bir su uyumlu implant ile ilişkili bir nöral logger dayanmaktadır. Sistemin yetenekleri japon balığı nın telensefalon kayıtları ile gösterilmiştir.
Introduction
Balık omurgalıların en büyük ve en çeşitli grubudur ve diğer omurgalılar gibi gezinme, sosyalleşme, uyku, avcılık gibi karmaşık bilişsel yetenekler sergilerler. Bununla birlikte, balık davranışlarını yöneten sinirsel mekanizmalar çoğunlukla bilinmemektedir.
Son birkaç on yıl içinde, hareketsiz balıkların hücre dışı kayıtları öncelikle davranış1,2sinirsel temelfarklı yönlerini araştırmak için uygulanmıştır. Bu teknik bazı duyu sistemleri için uygun olsa da, hareketsiz hayvanlarda imkansız olmasa da, davranışın nöral temelinin tüm spektrumunun araştırılması zordur. İlk gelişmeler bağlı yüzme balıkMauthnerhücrelerinden kayıt dahil 3,4. Ancak, Mauthner hücreleri orantısız büyük ve kaydedilen eylem potansiyeli genlikleri, hangi birkaç mV kadar yüksek gidebilirsiniz, kayıt kolaylaştırmak. Daha sonra, Canfield ve ark. balık telencephalon kaydetmek için bir tethered hayvan kullanırken kavram bir kanıtı açıklanan5. Balıkn nöral aktiviteyi kaydetmek için bir diğer yeni teknik kalsiyum görüntülemedir (Orger ve de Polavieja6ve Vanwalleghem ve ark.7tarafından yapılan yorumlara bakınız). Bu teknik zebra balığı larvaları ile kullanılmak üzere geliştirilmiştir çünkü larva evresinde deri ve kafatası saydamdır. Ancak, bu teknik geliştirmenin sonraki aşamalarında karmaşık davranışları incelemek için kullanılamaz.
Burada, serbestçe yüzen balıkların beyinlerinden hücre dışı nöral aktiviteyi kaydetmek için yeni bir teknik sıyoruz. Bu, Vinepinsky ve ark.8’deaçıklanan protokolün değiştirilmiş bir sürümüdür. Ana yenilik mümkün ameliyat sonrası elektrotların konumunu kontrol etmek için kılan bir mikrosürücü eklenmesidir. Bu teknik, bir mikrosürücü aracılığıyla nöral veri kaydedicisine bağlanan bir dizi tetrode kullanarak japon balıklarının telensefalonundan kayıt için tasarlanmıştır. Tüm kurulum kablosuz ve balığın kafatasına bağlı. Sistemin özgül ağırlığı, balığın serbestçe yüzmesini sağlayan küçük bir şamandıra ekleyerek suya özgü ağırlığa eşitlenir.
Teknik, sinyali bir dahili bellek aygıtında yükselten, sayısallaştıran ve depolayan bir nöral veri kaydedicisinin kullanımına dayanır. Logger telemetri sistemi başlatmak ve kayıtları durdurmak için kullanılır ve video kamera ile senkronizasyon için. Bu protokolde, mikrosürücü ile birlikte su geçirmez bir kutuya gömülü 16 kanallı nöral logger kullanılır.
Mikrosürücü montajı iki ana bileşenden imal edilmiştir: mikrosürücünün kendisi ve mikrosürücü gövdesi(Şekil 1A,B). Gövde mikrosürücü ve tetrodes tutar ve aynı zamanda kafatası ve logger kutusu arasında çapa olarak hareket eder (Şekil 1C). PVC logger kutusu bir makine işlemi kullanılarak imal edilir ve bir O-halkası kullanılarak mühürlenir(Şekil 1E-G, ayrıca bkz. Ek Şekil 1, Ek Şekil 2, ve Üç boyutlu [3D] diyagramı için Ek Şekil 3). Bir ucunda, implantın ağırlığını dengelemek ve balıklara yüzdürme-nötr bir implant sağlamak için bir parça polistiren köpük logger kutusuna eklenir. Protokolde tanımlanan mikrosürücünün yapımı, Vandecasteele ve ark.9 tarafından sunulan prosedürü, mikrosürücüyü gövdeye takmak için yapılan bir değişiklikle takip eder(Şekil 1A). Tüm önemli adımlar sunulur.
Balık kafatasının hazırlanması için protokolde tanımlanan prosedür Vinepinsky ve ark.8’de sunulana benzer ve protokolde kısaca anlatılmaktadır. Ameliyattan bir gün sonra, balıklar normalde anestezinin etkilerinden tamamen kurtulur lar ve davranışsal deneylere hazırdırlar. Tetrode yerinin microdrive vidasının çevirilerek ayarlanabildiği unutulmamalıdır. Vida tam dönüş başına 300 μm’lik bir aralıktadır ve hedef beyin konumuna ulaşıncaya kadar 75 μm ilerleme önerilir. İlgi çekici belirli beyin bölgesini hedeflemek için uygun bir beyin atlasına danışılmalıdır. Bu balık pil veya bellek kartı değişimi için anestezi her zaman elektrot empedansı test etmek için tavsiye edilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, serbestçe yüzen japon balığının telensefalonuna bir tetrode dizisi nin yer leştirilmesindeki adımları ayrıntılarıyla anlatır. Bu teknik, beyindeki tetrode pozisyonunu ayarlayabilen bir mikrosürücü ile birlikte 16 kanaldan elde edilen sinyalleri yükselten ve kaydeden bir sinir kaydedici uygular. Mikrosürücü, kaydı optimize etmek için beyindeki pozisyonu ayarlamayı mümkün kılar.
Bu protokol kolayca diğer beyin bölgelerinden kayıt için değiştirilebilir…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz Nachum Ulanovsky ve Ulanovsky laboratuvar üyeleri için tüm yardım için müteşekkiriz. Ayrıca, tal Novoplansky-Tzur’a yardımcı teknik yardım için müteşekkiriz. İsRAİl Bİlİm VAKFI – İlk Program (hibe no. 281/15) ve Necef Ben-Gurion Üniversitesi Tarımsal, Biyolojik ve Bilişsel Robotik İnisiyatifi ile Helmsley HayırseverLik Vakfı’nın mali desteğini takdir ediyoruz.
Materials
| 0.7 mm round drill bits | Compatible with the drill. | ||
| 15-blade Scalpel | Sigma-Aldrich | ||
| 16 channel PCB board | Neurlynx | EIB-16 | |
| 1X3M phillips flat head screws | Stainless steel. Any type. | ||
| 1X3M phillips round head screws | Stainless steel. Any type. | ||
| 27 cm X 19 cm X 1 mm brass plate | See Figure 2 | ||
| 2X6M phillips flat head screws | Stainless steel. Any type. | ||
| 3140 RTV coating | Dow Crowning | 2767996 | |
| 75 µm Silver wire | A-M Systems | ||
| Brass machine screws #00-90 | 947-1006 | ||
| Brass plates 7.5mm X 2.5mm X 0.6mm | A 3D drawing is provided. See supplementary 1 | ||
| Coated Tungsten wire 25µm | California Fine Wire Company | 5000160 | Depending on the appication the tetrodes can be fabricated from any type of wire. Popular wires are nicrome wires that can be found with lower diameters (eg. A-M systems, 762000) |
| Coated Tungsten wire 50µm | A-M Systems | 795500 | Can be replaced with any other wire with low impedance |
| Cyanoacrilic glue | |||
| Dental Burnisher | ComDent UK | Any small sterille stainless-still tool will do. | |
| Dental cement – GCFujiPLUS | GC | 431011 | Other dental cements would probably will work as well although we have never tried any other. |
| Dental drill or nail polish drill | Dental drills are expensive, a nail polish drill can be a cheap replacement. | ||
| Drill bit #65 | 947-65 | ||
| Fast curing epoxy | Any 5 minutes curing epoxy can be used here. | ||
| Logger box with O-ring sealing | A 3D drawing is provided. See supplementary 1-3. The box should be machine fabricated (do not use 3D printers). Use transperant material, to be able to see the indicator LEDs on the logger. | ||
| Motorized turning device | Custom made as described in "open ephys" website. Can also be purchusaed from neurolynx ("Tetrode Spinner 2.0") or bulit by other means. | ||
| Mouselog-16 Neural logger | Deuteron Technologies Ltd | There are several neural loggers available on the market, including: SpikeGadget (UH32 32channels) and Neurologger 2/2A/2B of Alexei Vyssotski. It should be noted that weight is not a major contraint since it can be counterbalanced with floating Styrofoam | |
| MS-222 | Sigma Aldrich | E10521 | Ethtl 3-aminobenzoate methanesulfonate 98% |
| Nano-Z plating | White Matter LLC | The nano-Z can be bought from several supllieres. Any impedance meter can be used, e.g. IMP-1 / 6662 / 2788, BAK Electronics. | |
| PCB pins | Neurlynx | Neuralynx EIB Pins | |
| Polymide tubing 250µm | A-M Systems | 822000 | |
| Rechargable battery | 3.7 Lipo battery, 370 mAh. Holds about 6 hours of recording. Smaller or larger battries can be used to reduce the weight or extend recording time. | ||
| Silicone tubing 0.64 mm | A-M Systems | 806100 | |
| Stainless steel 1.5 mm | A-M Systems | 846000 | |
| Sudium Bicarbonate | Sigma Aldrich | S9625 | |
| Tap #00-90 | 947-1301 | ||
| Vaseline | Any type of soft petroleum skin protectant can be used here. |
References
- Jacobson, M., Gaze, R. M. Types of visual response from single units in the optic tectum and optic nerve of the goldfish. Quarterly Journal of Experimental Physiology and Cognate Medical Sciences. 49 (2), 199-209 (1964).
- Ben-Tov, M., Donchin, O., Ben-Shahar, O., Segev, R. Pop-out in visual search of moving targets in the archer fish. Nature Communications. 6, 6476 (2015).
- Zottoli, S. J. Correlation of the startle reflex and Mauthner cell auditory responses in unrestrained goldfish. Journal of Experimental Biology. 66 (1), 243-254 (1977).
- Canfield, J. G., Rose, G. J. Activation of Mauthner neurons during prey capture. Journal of Comparative Physiology A. 172 (5), 611-618 (1993).
- Canfield, J. G., Mizumori, S. J. Methods for chronic neural recording in the telencephalon of freely behaving fish. Journal of Neuroscience Methods. 133 (1-2), 127-134 (2004).
- Orger, M. B., de Polavieja, G. G. Zebrafish behavior: opportunities and challenges. Annual Review of Neuroscience. 40, 125-147 (2017).
- Vanwalleghem, G. C., Ahrens, M. B., Scott, E. K. Integrative whole-brain neuroscience in larval zebrafish. Current Opinion in Neurobiology. 50, 136-145 (2018).
- Vinepinsky, E., Donchin, O., Segev, R. Wireless electrophysiology of the brain of freely swimming goldfish. Journal of Neuroscience Methods. 278, 76-86 (2017).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. JoVE (Journal of Visualized Experiments). (61), e3568 (2012).
- Ferguson, J. E., Boldt, C., Redish, A. D. Creating low-impedance tetrodes by electroplating with additives. Sensors and Actuators A: Physical. 156 (2), 388-393 (2009).
- Arcot Desai, S., Rolston, J. D., Guo, L., Potter, S. M. Improving impedance of implantable microwire multi-electrode arrays by ultrasonic electroplating of durable platinum black. Frontiers in Neuroengineering. 3, 5 (2010).
- Lewicki, M. S. A review of methods for spike sorting: the detection and classification of neural action potentials. Network: Computation in Neural Systems. 9 (4), R53-R78 (1998).
- Teixeira, F. B., Freitas, P., Pessoa, L. M., Campos, R. L., Ricardo, M. Evaluation of IEEE 802.11 underwater networks operating at 700 MHz, 2.4 GHz and 5 GHz. Proceedings of the 10th International Conference on Underwater Networks & Systems. , (2015).
- Sendra, S., Lloret, J., Rodrigues, J. J., Aguiar, J. M. Underwater wireless communications in freshwater at 2.4 GHz. IEEE Communications Letters. 17 (9), 1794-1797 (2013).
- Lloret, J., Sendra, S., Ardid, M., Rodrigues, J. J. Underwater wireless sensor communications in the 2.4 GHz ISM frequency band. Sensors. 12 (4), 4237-4264 (2012).
- Hoogerwerf, A. C., Wise, K. D. A three-dimensional microelectrode array for chronic neural recording. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 41 (12), 1136-1146 (1994).
- Harris, K. D., Quiroga, R. Q., Freeman, J., Smith, S. L. Improving data quality in neuronal population recordings. Nature Neuroscience. 19 (9), 1165 (2016).
