Summary

Elektrophysiologie der laminaren kortikalen Aktivität beim Weißbüschelaffen

Published: August 04, 2023
doi:

Summary

Speziell angefertigte Mikroantriebe ermöglichen das Submillimeter-Targeting von kortikalen Aufzeichnungsstellen mit linearen Siliziumarrays.

Abstract

Der Weißbüschelaffe bietet aufgrund seiner glatten kortikalen Oberfläche ein ideales Modell für die Untersuchung laminarer kortikaler Schaltkreise, was Aufnahmen mit linearen Arrays erleichtert. Der Weißbüschelaffe hat in letzter Zeit aufgrund seiner ähnlichen neuronalen funktionellen Organisation wie andere Primaten und seiner technischen Vorteile für die Aufnahme und Bildgebung an Popularität gewonnen. Die Neurophysiologie in diesem Modell stellt jedoch aufgrund der geringen Größe und des Fehlens von Gyri als anatomische Orientierungspunkte einige einzigartige Herausforderungen dar. Mit speziell angefertigten Mikrolaufwerken können Forscher die lineare Array-Platzierung auf Submillimeter-Präzision manipulieren und über Aufzeichnungstage hinweg zuverlässig an derselben retinotopisch anvisierten Stelle aufzeichnen. Dieses Protokoll beschreibt den schrittweisen Aufbau des Mikroantriebspositionierungssystems und die neurophysiologische Aufzeichnungstechnik mit linearen Silizium-Elektrodenarrays. Mit der präzisen Kontrolle der Elektrodenplatzierung über die Aufnahmesitzungen hinweg können Forscher den Kortex leicht durchqueren, um interessante Bereiche basierend auf ihrer retinotopen Organisation und den Abstimmungseigenschaften der aufgezeichneten Neuronen zu identifizieren. Darüber hinaus ist es mit diesem Laminar-Array-Elektrodensystem möglich, eine Stromquellendichteanalyse (CSD) anzuwenden, um die Aufzeichnungstiefe einzelner Neuronen zu bestimmen. Dieses Protokoll zeigt auch Beispiele für laminare Aufzeichnungen, einschließlich in Kilosort isolierter Spike-Wellenformen, die sich über mehrere Kanäle auf den Arrays erstrecken.

Introduction

Der Weißbüschelaffe (Callithrix jacchus) hat in den letzten Jahren als Modell zur Untersuchung der Gehirnfunktion schnell an Popularität gewonnen. Diese wachsende Popularität ist auf die Zugänglichkeit des glatten Kortex des Weißbüschelaffen, die Ähnlichkeiten in der neuronalen Funktionsorganisation mit Menschen und anderen Primaten sowie die geringe Größe und schnelle Fortpflanzungsratezurückzuführen 1. Da dieser Modellorganismus immer beliebter wurde, gab es eine rasche Entwicklung der neurophysiologischen Techniken, die für den Einsatz im Weißbüschelaffengehirn geeignet sind. Elektrophysiologische Methoden werden in den Neurowissenschaften häufig eingesetzt, um die Aktivität einzelner Neuronen im Kortex von Nagetieren und Primaten zu untersuchen, was zu einer beispiellosen zeitlichen Auflösung und einem beispiellosen Standortzugang führt. Aufgrund der relativen Neuheit des Weißbüschelaffen als Modell der visuellen Neurowissenschaften entwickelt sich die Optimierung der Wach-Elektrophysiologie-Techniken noch weiter. Frühere Studien haben die Etablierung robuster Protokolle für die Elektrophysiologie in anästhesierten Präparaten gezeigt2, und frühe Wachverhaltens-Neurophysiologie-Studien haben die Zuverlässigkeit von Einkanal-Wolframmestoden gezeigt3. In den letzten Jahren haben Forscher die Verwendung von Mikroelektrodenarrays auf Siliziumbasis für die Neurophysiologie im Wachzustand etabliert4. Der Weißbüschelaffe stellt jedoch aufgrund seiner geringen Gehirngröße und des Fehlens anatomischer Orientierungspunkte einzigartige Herausforderungen bei der Zielerfassung dar. Dieses Protokoll beschreibt, wie ein für Weißbüschelaffen geeignetes Mikrolaufwerk-Aufzeichnungssystem konstruiert und verwendet wird, das die Aufzeichnung großer Neuronenpopulationen mit linearen Silizium-Arrays bei minimaler Gewebeschädigung ermöglicht.

Die Arbeit mit Weißbüschelaffen stellt eine Herausforderung dar, da die retinotopischen Karten im visuellen Kortex im Vergleich zu größeren Primaten kleiner sind. Eine leichte Verschiebung der Elektroden um nur 1 mm kann zu erheblichen Veränderungen in den Kennfeldern führen. Darüber hinaus müssen Forscher häufig die Platzierung der Elektroden zwischen den Aufnahmesitzungen ändern, um ein breiteres Spektrum an retinotopischen Positionen im visuellen Kortex zu erhalten. Aktuelle semi-chronische Präparate ermöglichen es nicht, die Elektrodenpositionierung täglich oder mit ausreichender Präzision anzupassen, um bestimmte Stellen im Submillimeterbereich anzuvisieren5. Vor diesem Hintergrund verwendet das vorgeschlagene Mikroantriebssystem einen X-Y-Elektrodentisch, der einen leichten Mikroantrieb an einer Aufnahmekammer montiert und das Submillimeter-Targeting von kortikalen Stellen ermöglicht. Die beweglichen X-Y-Tischkomponenten ermöglichen eine vertikale und horizontale Bewegung des linearen Arrays, um die kortikalen Bereiche systematisch zu durchlaufen, was zur Identifizierung von Interessengebieten erforderlich ist (über Retinotopie und Tuning-Eigenschaften). Während der Aufnahmesitzungen können die Forscher den X-Y-Tisch auch manuell anpassen, um die Zielstellen innerhalb des Bereichs zu verschieben. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber alternativen Techniken mit semi-chronischen Aufnahmepräparaten, die keine einfachen Elektroden-Targeting-Mechanismen haben.

Der Micro-Drive ist ein vielseitiges Werkzeug, das die Befestigung verschiedener Silizium-Arrays ermöglicht, um sie in den Kortex abzusenken. In diesem Protokoll wurde eine benutzerdefinierte Sonde mit zwei 32-Kanal-Lineararrays im Abstand von 200 μm für die Untersuchung laminarer Schaltkreise verwendet, die die kortikale Tiefe überspannen. Die meisten Methoden zur Untersuchung der neuronalen Schaltkreise werden typischerweise die elektrischen Potentiale oder einzelne Einheiten abgetastet, die über alle Schichten der Großhirnrinde gemittelt werden. Jüngste Forschungen haben jedoch faszinierende Erkenntnisse über kortikale laminare Mikroschaltkreise zutage gefördert6. Durch die Verwendung des Mikroantriebs können Forscher laminare Sonden verwenden und Feineinstellungen an der Aufzeichnungstiefe vornehmen, um eine umfassende Abtastung über alle Schichten hinweg zu gewährleisten.

Dieses System kann mit kommerziell erhältlichen Komponenten aufgebaut werden und kann leicht für verschiedene experimentelle Techniken oder Sonden modifiziert werden. Die Hauptvorteile dieses Präparats sind die Möglichkeit, die X-Y-Aufnahmeposition submillimetergenau zu ändern und die Tiefe der Aufnahme innerhalb des Kortex zu steuern. Dieses Protokoll enthält Schritt-für-Schritt-Anleitungen für den Aufbau des X-Y-Stadiums, des Mikroantriebs und der neurophysiologischen Aufnahmetechniken.

Protocol

Die experimentellen Verfahren folgten dem Leitfaden der National Institutes of Health für die Pflege und Verwendung von Labortieren. Die Protokolle für die experimentellen und verhaltensbezogenen Verfahren wurden vom University of Rochester Institutional Animal Care and Use Committee genehmigt. 1. Aufbau des Mikrolaufwerks mit der Elektrode für die Aufzeichnung (Abbildung 1) HINWEIS: Speziell angefertigte X-Y-Tische mi…

Representative Results

Dieses Protokoll beschreibt, wie ein X-Y-Elektrodentisch (Abbildung 1) gebaut wird, der das Anvisieren von Stellen im Submillimeterbereich ermöglicht und eine zuverlässige Positionierung über separate Aufnahmesitzungen hinweg aufrechterhält. Die Zuverlässigkeit der X-Y-Positionierung ist in Abbildung 6 dargestellt, die zeigt, dass zwei Aufnahmesitzungen, die im Abstand von einer Woche durchgeführt wurden, eine Überlappung von 70,8 % in ihren mittleren HF-…

Discussion

Derzeit stehen mehrere Methoden (z. B. chronisch, semichronisch, akut) zur Verfügung, um neurophysiologische Experimente an nicht-menschlichen Primaten durchzuführen. Der Weißbüschelaffe stellt aufgrund seiner geringen Größe und des Fehlens von Windungen als anatomische Orientierungspunkte einzigartige Herausforderungen für neurophysiologische Experimente dar. Dies erfordert, dass die Forscher neurophysiologische Orientierungspunkte wie die Retinotopie und die Tuning-Eigenschaften von Interessengebieten verwenden,…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde durch den Zuschuss R01 EY030998 der National Institutes of Health (NIH) (J.F.M., A.B. und S.C.) unterstützt. Diese Methode basiert auf Methoden, die in Coop et al. entwickelt wurden (in Review, 2022; https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.10.11.511827v2.abstract). Wir möchten uns bei Dina Graf und den Mitgliedern des Mitchell-Labors für die Hilfe bei der Pflege und Handhabung der Weißbüschelaffen bedanken.

Materials

1/4 Hp burr drill bit McMaster & Carr Cat# 43035A32 Carbide Bur with 1/4" Shank Diameter, Rounded Cylinder Head, trade Number SC-1, single Cut(https://www.mcmaster.com/products/bur-bits/burs-7/?s=1%2F4%22+bur+bits)
1x1mm Crist Grid Crist Instruments 1 mm x 1 mm Grid https://www.cristinstrument.com/products/implant-intro/grids
91% isopropyl alcohol Medline N/A https://www.medline.com/product/Medline-Isopropyl-Rubbing-Alcohol/Bulk-Alcohol/Z05-PF03807?question=91%25%20isopropyl%20alcohol
Acquisition Board Open-Ephys N/A https://open-ephys.org/acquisition-system/eux9baf6a5s8tid06hk1mw5aafjdz1
Bacitracin Ointment Medline: Cosette Pharmaceuticals Inc N/A https://www.medline.com/product/Bacitracin-Ointment/Antibiotics/Z05-PF86957?question=bacitr
Blunt straight Forceps Medline N/A https://www.medline.com/category/Central-Sterile/Surgical-Instruments/Forceps/Z05-CA16_02_20/products
Bone wax Medline ETHW31G https://www.medline.com/product/Ethicon-Bone-Wax/Bone-Wax/Z05-PF61528?question=bonewax
C&B Metabond Quick Adhesive Cement System Parkell, Inc. SKU: S380 https://www.parkell.com/C-B-Metabond-Quick-Adhesive-Cement-System
Clavamox MWI Animal Health N/A
Contact lens solution Bausch and lomb Various sources available
Custom Printed 3D printed parts ProtoLab https://marmolab.bcs.rochester.edu/resources.html
DB25-G2 25 Pin Male Plug Port Signal Connector Various Sources DB25-G2 25 DB25-G2 25 Pin Male Plug Port Signal 2 Row Terminal Breakout Board Screw Nut Connector
diamond saw attachement for dremmel Dremmel 545 Diamond Wheel https://www.dremel.com/us/en/p/545-26150545ab
Digitizing Head-stages Intan RHD 32channel (Part #C3314) https://intantech.com/RHD_headstages.html?tabSelect=RHD32ch&yPos=120.80
000305175781
EDOT Sigma Aldrich Product # 483028 https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/483028
Helping Hands Harbor Freight N/A https://www.harborfreight.com/helping-hands-60501.html
Hook Electrical Clips Various Sources N/A Hook test Cable wires
Interface Cables (RHD 3-ft (0.9 m) ultra thin SPI cable) Intan  Part #C3213 https://intantech.com/RHD_SPI_cables.html
Lab jack Various Sources N/A https://www.amazon.com/Stainless-Steel-Scissor-Stand-Platform/dp/B07T8FM85H/ref=asc_df_B07T8FM85H/?tag=&linkCode=df0&hvadid=366343
827267&hvpos=&hvnetw=g&hvrand
=2036619536500717246&hvpone
=&hvptwo=&hvqmt=&hvdev=c&hv
dvcmdl=&hvlocint=&hvlocphy=900
5674&hvtargid=pla-795933567991&
ref=&adgrpid=71496544770&th=1
Meloxicam MWI Animal Health N/A
Micro-drive Crist Instrument 3-NRMD https://www.cristinstrument.com/products/microdrives/miniature-microdrive-3-nrmd
Multi-channel linear silicon arrays with 64 channel connector NeuroNexus A1x32-5mm-25-177 https://www.neuronexus.com/products/electrode-arrays/up-to-10-mm-depth/
NanoZ Omentics Adapter- 32 Channel NeuraLynx ADPT-NZ-N2T-32 https://neuralynx.com/hardware/adpt-nz-n2t-32
NanoZ System Plexon NanoZ Impedence Tester https://plexon.com/products/nanoz-impedance-tester/
Narishige Micromanipulator Narishige Stereotaxic Micromanipulator https://usa.narishige-group.com/
Open-Ephys GUI Open-Ephys https://open-ephys.org/
Polyimide Tubing (OD(in): 0.021 / ID(in) 0.018 ) Various Sources (Chamfr) Chamfr Cat#HPC01895 https://chamfr.com/sellers/teleflex-medical-oem-llc/
Primate Chair Custom made by University of Rochester Machine Shop Designs online https://marmolab.bcs.rochester.edu/resources.html
Poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) Sigma Aldrich Product # 243051 https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/243051
RHD USB Interface board Intan RHD2000 Evaluation Board Version 1.0 https://intantech.com/RHD_USB_interface_board.html
Silastic gel World Precision Instuments # KWIK-SIL Low Toxicity Silicone Adhesive ((https://www.wpiinc.com/kwik-sil-low-toxicity-silicone-adhesive)
Slow release buprenorphine Compounding Pharmacy
Stainless steel wire 36 gauge McMaster & Carr Cat# 6517K11 Round Bend-and-Stay Multipurpose 304 Stainless Steel Wire, Matte Finish, 1-Foot Long, 0.008" Diameter
Stanley 6-Piece Precision Screwdriver Set Stanley 1.4mm flathead screwdriver https://www.amazon.com/Stanley-Tools-6-Piece-Precision-Screwdriver/dp/B076621ZGC/ref=sr_1_3?crid=237VSK5FNFP9N&keywords=
stanley+66-052&qid=1672764369&sprefix=
stanley+66-052%2Caps%2C90&sr=8-3
Steel Screws McMaster & Carr type 00 stainless steel hex screws and 1/8” in length https://www.mcmaster.com/
Steel Tube McMaster & Carr 28 gauge stainless steel tubing https://www.mcmaster.com/tubing/multipurpose-304-stainless-steel-6/id~0-055/
Superglue Loctite SuperGlue Gel Control https://www.loctiteproducts.com/en/products/fix/super-glue/loctite_super_gluegelcontrol.html

References

  1. Mansfield, K. Marmoset models commonly used in biomedical research. Comparative Medicine. 53 (4), 383-392 (2003).
  2. Solomon, S. G., Rosa, M. G. P. A simpler primate brain: the visual system of the marmoset monkey. Frontiers in Neural Circuits. 8, 96 (2014).
  3. Remington, E. D., Osmanski, M. S., Wang, X. An operant conditioning method for studying auditory behaviors in marmoset monkeys. PLoS One. 7 (10), e47895 (2012).
  4. Walker, J. D., et al. Chronic wireless neural population recordings with common marmosets. Cell Reports. 36 (2), 109379 (2021).
  5. Jendritza, P., Klein, F. J., Fries, P. Multi-area recordings and optogenetics in the awake, behaving marmoset. Nature Communications. 14 (1), 577 (2023).
  6. Pinotsis, D. A., et al. Linking canonical microcircuits and neuronal activity: Dynamic causal modelling of laminar recordings. Neuroimage. 146, 355-366 (2017).
  7. Ludwig, K. A., et al. Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT) polymer coatings facilitate smaller neural recording electrodes. Journal of Neural Engineering. 8 (1), 014001 (2011).
  8. Ludwig, K. A., Uram, J. D., Yang, J., Martin, D. C., Kipke, D. R. Chronic neural recordings using silicon microelectrode arrays electrochemically deposited with a poly (3, 4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT) film. Journal of Neural Engineering. 3 (1), 59 (2006).
  9. Lu, T., Liang, L., Wang, X. Neural representations of temporally asymmetric stimuli in the auditory cortex of awake primates. Journal of Neurophysiology. 85 (6), 2364-2380 (2001).
  10. Osmanski, M. S., Song, X., Wang, X. The role of harmonic resolvability in pitch perception in a vocal nonhuman primate, the common marmoset (Callithrix jacchus). Journal of Neuroscience. 33 (21), 9161-9168 (2013).
  11. Nummela, S. U., et al. Psychophysical measurement of marmoset acuity and myopia. Developmental Neurobiology. 77 (3), 300-313 (2017).
  12. Paxinos, G., Watson, C., Petrides, M., Rosa, M., Tokuno, H. . The Marmoset Brain in Stereotaxic Coordinates. , (2012).
  13. Mitchell, J. F., Reynolds, J. H., Miller, C. T. Active vision in marmosets: A model system for visual neuroscience. Journal of Neuroscience. 34 (4), 1183-1194 (2014).
  14. Spitler, K. M., Gothard, K. M. A removable silicone elastomer seal reduces granulation tissue growth and maintains the sterility of recording chambers for primate neurophysiology. Journal of Neuroscience Methods. 169 (1), 23-26 (2008).
  15. Jun, J. J., et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).
  16. Mitzdorf, U. Current source-density method and application in cat cerebral cortex: investigation of evoked potentials and EEG phenomena. Physiological Reviews. 65 (1), 37-100 (1985).
  17. Coop, S. H., Yates, J. L., Mitchell, J. F. Pre-saccadic neural enhancements in marmoset area MT. bioRxiv. , (2022).
  18. Okun, M., Lak, A., Carandini, M., Harris, K. D. Long term recordings with immobile silicon probes in the mouse cortex. PloS One. 11 (3), e0151180 (2016).

Play Video

Cite This Article
Bucklaew, A., Coop, S. H., Mitchell, J. F. Electrophysiology of Laminar Cortical Activity in the Common Marmoset. J. Vis. Exp. (198), e65397, doi:10.3791/65397 (2023).

View Video