Speziell angefertigte Mikroantriebe ermöglichen das Submillimeter-Targeting von kortikalen Aufzeichnungsstellen mit linearen Siliziumarrays.
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Methodenartikel
Speziell angefertigte Mikroantriebe ermöglichen das Submillimeter-Targeting von kortikalen Aufzeichnungsstellen mit linearen Siliziumarrays.
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.
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.
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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 mit linearen Mehrkanal-Silizium-Arrays ermöglichen eine Submillimeter-Ausrichtung der Aufnahmestellen.
2. Polytrodenbeschichtung von Elektroden zur Reduzierung der Gesamtimpedanz (Abbildung 2)
HINWEIS: Für die beste Aufnahmequalität ist es sinnvoll, die Silizium-Elektrodenarrays mit einer Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-Lösung (PEDOT) zu elektroden. Es hat sich gezeigt, dass diese Methode das Signal-Rausch-Verhältniserhöht 7,8.
3. Chirurgische Platzierung der Kopfkappe, der Kammern und der Kraniotomie (Abbildung 3A-C)
HINWEIS: In dieser Arbeit wurde das Tier am Ende der Studie unter Isofluran betäubt und erhielt intramuskuläre (IM) Injektionen von Ketamin, gefolgt von einer intraperitonealen (IP) Injektion von Euthasol. Das Gehirn wurde nach transkardialer Perfusion mit Kochsalzlösung gefolgt von 10% Formalin extrahiert.
4. Aufbau der neurophysiologischen Aufzeichnung (Abbildung 3D-F)
HINWEIS: Die Schritte zum Umgang mit Tieren variieren je nach Labor und Experiment. Die folgenden Schritte sind spezifisch für die Platzierung des Mikrolaufwerks und die Durchdringung der Dura für die Aufnahmen.
5. Durchführung des neurophysiologischen Aufzeichnungsexperiments (Abbildung 4)
HINWEIS: Hier wird das Verfahren zum Absenken der Elektrodenarrays in den Kortex beschrieben; Diese Methode wurde optimiert, um übermäßige Grübchen des darunter liegenden Gewebes zu vermeiden. Eine Zunahme des Rauschens in den elektrophysiologischen Aufzeichnungen liefert einen guten Hinweis auf Grübchen, bevor sie in die Silastik eindringen und in das Gehirn gelangen. Im Gehirn angekommen, kann der Forscher bei zu vielen Grübchen bemerken, dass sich Einheiten auf der Sonde verschieben, auch ohne die Manipulation des Antriebs (Einheiten bewegen sich allmählich in der Tiefe über die Kanäle), oder alternativ kann der Forscher eine Unterdrückung der neuronalen Aktivität bemerken, insbesondere an oberflächlichen Stellen auf der Sonde. Unter diesen Bedingungen wird das Laufwerk eingefahren, um Grübchen zu lindern und bessere Aufnahmen zu ermöglichen.
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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-Positio...
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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, um die...
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Die Autoren haben nichts offenzulegen.
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.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 1/4 PS Fräser | McMaster & Carr | Cat# 43035A32 | Hartmetallbohrer mit 1/4" Schaftdurchmesser, abgerundeter Zylinderkopf, Handelsnummer 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 Gitter | https://www.cristinstrument.com/products/implant-intro/grids |
| 91% Isopropylalkohol | 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 Salbe | Medline: Cosette Pharmaceuticals Inc | N/A | https://www.medline.com/product/Bacitracin-Ointment/Antibiotics/Z05-PF86957?question=bacitr |
| Blunt gerade Pinzette | Medline | N/A | https://www.medline.com/category/Central-Sterile/Surgical-Instruments/Forceps/Z05-CA16_02_20/products |
| Knochenwachs | Medline | ETHW31G | https://www.medline.com/product/Ethicon-Bone-Wax/Bone-Wax/Z05-PF61528?question=bonewax |
| C& B Metabond Schnellklebendes Zementsystem | Parkell, Inc. | Artikelnummer: S380 | https://www.parkell.com/C-B-Metabond-Quick-Adhesive-Cement-System |
| Clavamox | MWI Tiergesundheit | N/A | |
| Kontaktlinsenlösung | Bausch und lomb | Verschiedene Quellen verfügbar | |
| Kundenspezifische gedruckte 3D-gedruckte Teile | ProtoLab | https://marmolab.bcs.rochester.edu/resources.html | |
| DB25-G2 25-poliger Stecker Port Signalstecker | Verschiedene Quellen | DB25-G2 25 | DB25-G2 25-poliger Stecker Port Signal 2-reihiges Terminal Breakout-Board Schraubenmutter Steckverbinder Diamantsägenaufsatz |
| für Dremel | Dremel | 545 Diamantrad | https://www.dremel.com/us/en/p/545-26150545ab |
| Digitalisierungskopftische | Intan | RHD 32Kanal (Teil #C3314) | https://intantech.com/RHD_headstages.html?tabSelect=RHD32ch&yPos=120.80 000305175781 |
| EDOT | Sigma Aldrich | Produkt # 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 Elektrische Clips | Verschiedene Quellen | N/A | Hook Test Kabeldrähte |
| Interface Cables (RHD 3-ft (0,9 m) ultradünnes SPI-Kabel) | Intan | Teil #C3213 | https://intantech.com/RHD_SPI_cables.html |
| Laborbuchse | Verschiedene Quellen | 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 | |
| Mikroantrieb | Crist Instrument | 3-NRMD | https://www.cristinstrument.com/products/microdrives/miniature-microdrive-3-nrmd |
| Mehrkanalige lineare Silizium-Arrays mit 64-Kanal-Anschluss | NeuroNexus | A1x32-5mm-25-177 | https://www.neuronexus.com/products/electrode-arrays/up-to-10-mm-depth/ |
| NanoZ Omentics Adapter - 32 Kanal | NeuraLynx | ADPT-NZ-N2T-32 | https://neuralynx.com/hardware/adpt-nz-n2t-32 |
| NanoZ System | Plexon | NanoZ Impedanztester | https://plexon.com/products/nanoz-impedance-tester/ |
| Narishige Mikromanipulator | Narishige | Stereotaxischer Mikromanipulator | https://usa.narishige-group.com/ |
| Open-Ephys GUI | Open-Ephys | https://open-ephys.org/ | |
| Polyimid-Schläuche (OD (in): 0,021 / ID (in) 0,018 ) | Verschiedene Quellen (Chamfr) | Chamfr Cat# HPC01895 | https://chamfr.com/sellers/teleflex-medical-oem-llc/ |
| Primatenstuhl | Sonderanfertigung von University of Rochester Machine Shop | Designs online | https://marmolab.bcs.rochester.edu/resources.html |
| Poly(sodium 4-styrolesulfonat) (PSS)Sigma | Aldrich | Produkt # | 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 Instruments | # KWIK-SIL | Silikonkleber mit geringer Toxizität ((https://www.wpiinc.com/kwik-sil-low-toxicity-silicone-adhesive) |
| Buprenorphin mit langsamer Freisetzung | Compounding Pharmacy | ||
| Edelstahldraht 36 Gauge | McMaster & Carr | Cat# 6517K11 | Runder Mehrzweckdraht aus Edelstahl 304, mattes Finish, 1 Fuß lang, 0,008" |
| Durchmesser Stanley 6-teiliges Präzisionsschraubendreher-Set | Stanley | 1,4 mm Schlitzschraubendreher | 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 |
| Stahlschrauben | McMaster & Carr | Typ 00 Edelstahl Sechskantschrauben und 1/8" Länge | https://www.mcmaster.com/ |
| Stahlrohr | McMaster & Carr | 28 Gauge Edelstahlrohr | https://www.mcmaster.com/tubing/multipurpose-304-stainless-steel-6/id~0-055/ |
| Sekundenkleber | Loctite | SuperGlue Gel Control | https://www.loctiteproducts.com/en/products/fix/super-glue/loctite_super_gluegelcontrol.html |
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