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Los experimentos modernos que exploran la función del circuito neuronal in vivo en roedores a menudo utilizan electrofisiología extracelular a través de electrodos implantados permanentemente para monitorear la actividad de neuronas individuales (es decir, unidades individuales) o poblaciones locales (a través de potenciales de campo local, LFP), pero tales métodos rara vez se aplican a ratones jóvenes debido a desafíos técnicos. Este manuscrito describe un método para obtener registros electrofisiológicos in vivo en ratones a través de las ventanas críticas para el desarrollo de p20 a p60 y más allá. Esta metodología implica un proceso de fabricación para la impresión y construcción de un implante de micro-drive, un procedimiento de implantación quirúrgica y una estrategia de recuperación postoperatoria, todos los cuales están diseñados específicamente para su uso en ratones jóvenes. Varias consideraciones influyeron en el desarrollo de este protocolo, incluido el pequeño tamaño y la debilidad relativa de los ratones jóvenes en comparación con sus contrapartes adultas, así como la osificación reducida del cráneo de ratón juvenil al que se necesitaba unir el microimpulso.
Dos métodos principales comúnmente utilizados para realizar electrofisiología in vivo son matrices de electrodos (por ejemplo, tetrodos) y sondas de silicio. Las sondas de silicio son ligeras, pueden proporcionar un gran número de sitios de registro por unidad de peso y se han utilizado previamente en ratas jóvenes25. Sin embargo, las sondas de silicio son relativamente caras por unidad. En contraste, el micro-drive descrito en este manuscrito se puede construir utilizando menos de $ 50 USD en materias primas, lo que lo convierte en una opción rentable para la grabación in vivo . Además, las sondas de silicio a menudo deben implantarse en líneas fijas, lo que prohíbe el registro de regiones cerebrales espacialmente diversas. En contraste, el diseño de micro-drive descrito en este manuscrito utiliza tetrodes ajustables independientemente para acomodar grabaciones simultáneas en hasta 16 ubicaciones diferentes sin prácticamente ninguna restricción en la relación espacial entre esas ubicaciones. Este diseño de microaccionamiento se puede modificar fácilmente para permitir apuntar a ubicaciones diferentes a las descritas aquí moviendo las extrusiones de orificios de cánula a cualquier ubicación anterior / posterior y medial / distal deseada. Cuando se dirige a áreas cerebrales alternativas, es importante tener en cuenta que, si bien los tetrodes a menudo viajan rectos, es posible que estos cables delgados se desvíen ligeramente a medida que salen de la cánula de micro-drive. Por lo tanto, cuanto más pequeña o más ventral sea una región del cerebro, más difícil será apuntar con éxito al área con tetrodos.
El implante de micro-drive descrito en este manuscrito es fundamentalmente similar a varios diseños anteriores de micro-drive basados en tetrode 23,32,33,34,35 en que los tetrodes individuales están fijados a tornillos, que permiten el control fino de la profundidad de grabación de cada tetrode. Si bien varias características del diseño actual de micro-drive son únicas, incluida la facilidad de dirigirse a áreas cerebrales distribuidas espacialmente, la principal novedad del manuscrito actual es la descripción de la implantación quirúrgica y las estrategias de recuperación postoperatoria, que permiten estudios crónicos de la actividad de la red en ratones juveniles aún en desarrollo. De hecho, las metodologías de cirugía y recuperación descritas aquí podrían adaptarse para soportar otros implantes en ratones jóvenes.
Para mantener un registro consistente durante varios días, los cables o sondas deben fijarse rígidamente al cráneo. Mientras que la estructura general del cráneo del ratón sufre sólo cambios menores después de p20, el cráneo se engrosa considerablemente entre las edades de p20 y p4536. De hecho, el cráneo en p20 no es lo suficientemente rígido como para soportar un implante conectado sin dañarse. Para superar esta limitación biológica, este protocolo engrosa artificialmente el cráneo a través de cianoacrilato durante la cirugía de implantación. La implantación en ratones menores de p20 es probablemente posible utilizando esta estrategia, pero el cráneo del ratón sufre cambios considerables de tamaño y forma hasta aproximadamente p2036. Por lo tanto, no se recomienda la implantación durante períodos prolongados en ratones menores de p20, ya que el cianoacrilato y los tornillos óseos fijos en el cráneo aún en desarrollo pueden afectar significativamente el crecimiento natural del cráneo y el desarrollo del tejido cerebral subyacente. Es importante destacar que, en este estudio, no se observó ningún impacto en las mediciones brutas del tamaño del cráneo o del cerebro después de la implantación crónica a partir de p20 (Figura 5C).
Un paso crítico en el método descrito en este manuscrito es la estrategia de recuperación postoperatoria; De acuerdo con esta estrategia, el peso del implante debe contrarrestarse continuamente a medida que el ratón madura y se somete al desarrollo del sistema muscular y musculoesquelético. Poco después de la implantación, los ratones no pueden soportar con éxito el peso del implante sin el contrapeso, lo que lleva a la desnutrición y la deshidratación, ya que el ratón no puede alcanzar adecuadamente las fuentes de alimentos y agua en su jaula. El sistema de contrapeso es fácil y económico de construir, trivial de implementar, y permite a los ratones de cualquier edad implantable explorar libremente la totalidad de su jaula doméstica, asegurando así una nutrición e hidratación adecuadas. A medida que los ratones envejecen, la cantidad de contrapeso puede reducirse hasta que pueda eliminarse por completo en ratones adultos; Sin embargo, se recomienda el uso continuado del sistema de contrapeso durante la duración del experimento con al menos un contrapeso nominal unido en todo momento. Mientras que un ratón adulto puede ser capaz de soportar el tamaño y el peso del micro-drive con el tiempo, el movimiento natural continuo durante el comportamiento libre sin contrapeso de mejora produce torsión y fuerza de cizallamiento en los tornillos óseos que anclan el micro-drive en el cráneo, lo que hace que sea cada vez más probable que se desprenda, especialmente durante experimentos crónicos más largos.
Dos limitaciones importantes son de destacar para el presente estudio. Primero, para evaluar el impacto de la implantación en p20 en el desarrollo del cráneo y el cerebro, varias cohortes de ratones fueron sacrificadas después de una implantación prolongada (Figura 5C). Si bien estos análisis no revelaron un impacto significativo de la implantación en el tamaño de la cavidad craneal o la masa cerebral (Figura 5C), el estudio actual no examinó el tamaño del cráneo o la masa cerebral en múltiples puntos de tiempo durante el período de desarrollo temprano de p20-p60. Si bien el trabajo previo demuestra que el desarrollo de la cavidad cerebral se completa en p2036, es posible que la implantación en esta ventana temprana pueda producir cambios imprevistos que se corrigen o compensan con las edades adultas que se evaluaron aquí. En segundo lugar, los experimentos que produjeron los datos electrofisiológicos que se muestran en la Figura 3 y la Figura 4 no fueron diseñados para maximizar el rendimiento celular. Por lo tanto, si bien los datos presentados aquí demuestran registros estables y crónicos y unidades individuales bien aisladas, no deben tomarse como representativos del rendimiento potencial máximo para este dispositivo.
Muchos trastornos neurológicos y psiquiátricos humanos se manifiestan durante períodos de desarrollo temprano o durante la adolescencia, incluido el autismo y la esquizofrenia. Sin embargo, se sabe poco sobre la disfunción a nivel de circuito que puede subyacer a estas enfermedades, a pesar de la gran cantidad de modelos de ratón disponibles. La identificación de estos cambios iniciales en la red es fundamental para crear estrategias de detección temprana y paradigmas de tratamiento. Sin embargo, debido a los desafíos técnicos, no está claro cómo se interrumpe la función de la red a través del desarrollo en modelos de ratón de enfermedades neuropsiquiátricas. La estrategia de microimpulso y recuperación descrita aquí está diseñada para apoyar las investigaciones sobre el desarrollo de redes cerebrales multirregionales en el cerebro del ratón y, por lo tanto, permitir a los investigadores medir el desarrollo cerebral saludable, así como identificar alteraciones en ese desarrollo en modelos de enfermedad de ratón.