多功能神经科学技术的适应性角度立体定向方法
2020年5月7日
这里描述的是一个立体定向程序，可以使用角冠状动脉方法瞄准具有挑战性和难以到达的大脑区域（由于空间限制）。该协议适用于小鼠和大鼠模型，可应用于多种神经科学应用，包括冠状植入和病毒结构的微射。
该协议很重要，因为它是一种适应性强的立体定向程序，可用于小鼠和大鼠，并且可以应用于许多新的神经科学技术。这种适应性强的立体定向手术的主要优点是它能够用于针对大脑中具有挑战性和难以到达的区域。演示该程序的是实验室中一位年轻、才华横溢的博士后研究员 Chelsea Faber。
确认框架和显微作器已校准后，将中心高度计放入头架底板的插座中。将定心瞄准镜固定在刀架中，并向下瞄准瞄准镜。调整显微纵器的位置，直到十字准线对齐并聚焦在仪表十字准线上，然后将耳杆放入支架中，使两侧的指示线为零。
使用头架上的内侧和前后旋钮，将耳杆在中心高度计十字准线上方的 X 和 Y 平面上居中。要在 Z 轴上对齐耳杆位置，请从支架上取下耳杆并取下中心高度计。然后，更换耳条并将耳条重新居中为零。
然后，再次向下瞄准镜，分别使用垂直移位和冠状倾斜旋钮降低和旋转耳杆，直到在整个冠状旋转过程中，瞄准镜十字准线保持在耳杆之间的中心。要对齐倾斜坐标的旋转中心轴，请将定心范围固定在刀架中，并将显微纵器定位到计算的坐标。请注意，倾斜植入的右/左坐标对应于一侧的长度 A.向下瞄准示波器，标记此坐标以表示一旦头部旋转，套管将进入大脑的点。
将显微作器重新定位在中线上，并使用冠状倾斜旋钮将头部旋转到计算的角度。如果示波器十字准线未与参考零位对齐，请使用垂直移位旋钮调整 Z 轴上的振镜位置，直到十字准线尽可能靠近标记。此时，任意旋转点应与 stereotax 的旋转中心对齐。
在进行后续钻孔和显微注射步骤之前，将头部旋转回零度冠状位置。进行显微注射后，将头部返回到零度水平位置，并使用手钻在前面放置两个孔，在后面放置两个孔，距离倾斜的坐标毛刺孔足够远，以容纳位于头骨上方的光纤的套圈部分。钻完所有孔后，使用小平头螺丝刀尽可能轻柔地插入接骨螺钉，使它们牢固地固定在颅骨中而不会穿透大脑。
将光纤套管夹入套管支架中，然后将套管支架放入工具架中。将头部旋转到计算的角度，注意显微纵器的坐标不适用于新工具。使用倾斜的毛刺孔的中心作为植入目标。
降低光纤，直到它刚好接触到毛刺孔中心内的硬脑膜，然后将 Z 轴上的显微作器归零。慢慢降低光纤到背腹侧倾斜坐标，然后使用氰基丙烯酸酯凝胶将光纤套圈连接到同侧地脚螺钉。使用微量移液器吸头涂抹促进剂。
凝胶完全硬化后，轻轻松开并抬起套管支架，直到它离开密封垫圈。将第二根光纤植入对侧斜坐标，然后调平头部。为了提高安全性，使用氰基丙烯酸酯凝胶和促进剂在两个倾斜的纤维插管之间建立额外的连接，并在颅骨表面涂抹少量相对薄的牙科粘接剂，注意彻底覆盖地脚螺钉和纤维插管的底部。
为了询问下丘脑腹内侧核神经元在血糖控制中的作用，在这项具有代表性的分析中，采用标准的、无角度的立体定向方法将抑制通道视紫红质病毒双侧显微注射到腹内侧核。鉴于腹内侧核靠近中线，空间限制不允许双侧光纤的无角度植入，因此需要开发一种手术策略，以一定角度精确植入光纤。要记住的最重要的事情是要有耐心并慢慢来，因为保持一致和准确的坐标任务对于成功至关重要。
该程序可以适应并应用于任何需要显微注射或植入啮齿动物大脑的神经科学方法，包括化学遗传学、光遗传学和纤维光度法。
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概述
本文介绍了一种立体定向程序，利用角度冠状切口方法来靶向小鼠和大鼠模型中难以到达的脑区域。这种可适应的协议可以应用于各种神经科学应用，包括导管植入和病毒构建的微注射。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 神经外科技术
- 动物模型中的实验干预
背景
- 该程序允许精确靶向具有挑战性的脑区域。
- 可以适应神经科学中的多种技术。
- 适用于小鼠和大鼠模型，提高了适用性。
- 支持需要微注射或植入的技术进步。
研究目的
- 开发一种可靠的方法来访问和操纵难以触及的脑区域。
- 促进神经科学中的各种应用，如光遗传学和化学遗传学。
- 为寻求实施类似技术的研究人员提供详细的协议。
使用的方法
- 该方法涉及用于靶向脑部程序的立体定向手术。
- 小鼠和大鼠模型都用于导管植入等程序。
- 未提及多组学工作流程。
- 关键步骤包括校准微操作器和对准坐标以实现精确植入。
- 该协议强调坐标分配的精确性，以获得成功的结果。
主要结果
- 该协议成功概述了角度植入和微注射所需的步骤。
- 重要的程序细节确保了靶向特定脑区的准确性。
- 展示了在空间限制下进行双侧光纤植入的能力。
- 强调了神经外科干预中仔细规划和执行的重要性。
结论
- 该协议展示了一种在难以到达的脑区植入设备的方法。
- 促进了各种增强研究能力的神经科学方法。
- 对理解目标区域内的行为和生理反应有重要意义。
常见问题
Executive Industry Relevance
Targeting deep brain structures with precision remains a critical bottleneck in neuroscience-driven target validation, particularly for midline-adjacent nuclei where conventional stereotactic approaches fail due to vascular and ventricular constraints. This adaptable angled approach enables reliable access to otherwise inaccessible regions, supporting mechanistic de-risking of therapeutic hypotheses in preclinical models. By facilitating consistent hardware implantation for optogenetics, chemogenetics, and fiber photometry, it enhances predictive confidence in target engagement studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutically relevant nuclei such as the hypothalamic ventromedial nucleus in glucose homeostasis models.
- Operational Value: Supports bilateral viral vector delivery and fiberoptic implantation in spatially constrained brain regions.
- Strategic Value: Reduces failure rates in target modulation experiments due to inaccurate targeting.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares standardized, reproducible surgical platforms for downstream neuromodulation assays.
- Operational Value: Ensures consistent electrode or cannula placement across animals, reducing variability in readouts.
- Strategic Value: Enables scalable implementation of intracranial techniques in discovery screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Maintains anatomical fidelity when modeling human brain circuits in rodent systems.
- Operational Value: Supports longitudinal studies requiring stable intracranial hardware.
- Strategic Value: Improves reproducibility of behavioral and physiological endpoints in target validation workflows.
Pipeline & Workflow Integration
This method fits within the discovery biology phase, enabling precise target engagement before progressing to lead identification and preclinical efficacy testing.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via targeted neuronal inhibition or activation in disease-relevant circuits.
- Screening: Delivers assay-ready models with verified intracranial targeting for compound or modulator evaluation.
- Analytics: Generates quantifiable neural activity or behavioral outputs linked to precise anatomical targeting.
- Translational Research: Bridges discovery findings to preclinical validation through consistent target modulation.
- Enterprise Reuse: Provides a reusable surgical framework applicable across multiple neuroscience techniques and brain targets.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases target validation confidence by minimizing off-target effects from misplaced implants.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized coordinate systems and angle-adjusted implantation.
- Strategic Value: Reduces resource waste from failed experiments due to inaccurate targeting.
- Portfolio Impact: Enables data-driven go/no-go decisions based on reliable target engagement.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotactic surgery and coordinate system calibration.
- Dependent on precise micromanipulator alignment and angle adjustment capabilities.
- Necessitates validation of implantation accuracy via histological or imaging confirmation.
- Must account for species-specific brain anatomy when adapting between mouse and rat models.
- Relies on meticulous procedural execution to avoid tissue damage during angled tract insertion.
