גישה סטריאו-טיאו-טסטרואקטיבית מסתגלת לטכניקות רב-תכליתיות במדעי המוח
7 במאי 2020
המתואר כאן הוא הליך סטריאוטקטי שיכול למקד אזורים מאתגרים וקשים להשכה למוח (בשל מגבלות מרחביות) באמצעות גישה קורונטית זוויתית. פרוטוקול זה מותאם הן למודלים של עכברים והן למודלים של חולדות וניתן ליישם אותו על יישומים מוחיים מגוונים, כולל השתלת צינורית ומיקרו-נג'קציה של מבנים ויראליים.
פרוטוקול זה הוא משמעותי מכיוון שמדובר בהליך סטריאוטקטי מסתגל שניתן להשתמש בו גם בעכברים וגם בחולדות, וניתן ליישם אותו בטכניקות נוירו-מדעיות חדשות רבות. היתרון העיקרי של הליך סטריאוטקטי מסתגל זה הוא היכולת להשתמש בו כדי להתמקד באזורים מאתגרים וקשים לגישה במוח. מי שתדגים את ההליך תהיה צ'לסי פאבר, עמיתת מחקר פוסט-דוקטורנטית צעירה ומוכשרת במעבדה.
לאחר אישור שהמסגרת והמיקרומניפולטור כוילו, הנח את מד הגובה המרכזי לתוך השקע של לוחית הבסיס של מחזיק הראש. אבטח את טווח המרכוז במחזיק הכלי והסתכל כלפי מטה את המשקפיים. כוונן את מיקום המיקרומניפולטור עד שהכוונת מיושרת וממוקדת בכוונת המד, והנח את מוטות האוזניים במחזיקים כך שקווי החיווי משני הצדדים יהיו באפס.
השתמש בכפתורים המדיאליים-צדדיים והקדמיים-אחוריים במחזיק הראש כדי למרכז את מוטות האוזניים במישורי X ו-Y מעל הכוונת של מד הגובה המרכזי. כדי ליישר את מיקום מוט האוזן בציר Z, הסר את מוטות האוזניים מהמחזיק והסר את מד הגובה המרכזי. לאחר מכן, החלף את מוטות האוזניים ומרכז מחדש את הסורגים באפס.
לאחר מכן, הבט שוב כלפי מטה, והשתמש בכפתורי ההזזה האנכית וההטיה העטרתית בהתאמה כדי להוריד ולסובב את מוטות האוזניים עד שכוונת ההיקף נשארת מרוכזת בין מוטות האוזניים לאורך סיבוב העטרה. כדי ליישר את ציר הסיבוב המרכזי עבור קואורדינטות זוויתיות, אבטח את טווח הריכוז במחזיק הכלי ומקם את המיקרומניפולטור לקואורדינטה המחושבת. שימו לב שהקואורדינטה הימנית/שמאלית עבור ההשתלה הזוויתית תואמת את אורך הצד A. במבט למטה על הסקופ, סמן קואורדינטה זו כדי לייצג את הנקודה שבה הצינורית תיכנס למוח, לאחר סיבוב הראש.
מקם מחדש את המיקרומניפולטור מעל קו האמצע, והשתמש בכפתור ההטיה העטרתי כדי לסובב את הראש לזווית המחושבת. אם כוונת ההיקף אינה מסתדרת עם סימן הייחוס, השתמש בכפתור ההזזה האנכי כדי לכוונן את מיקום הראש בציר ה-Z עד שהכוונת מסתדרת קרוב ככל האפשר לסימן. בשלב זה, יש ליישר את נקודת הסיבוב השרירותית עם מרכז הסיבוב של הסטריאוטקס.
סובב את הראש בחזרה למצב העטרה של אפס מעלות לפני שתמשיך לשלבי הקידוח וההזרקה הבאים. לאחר ביצוע המיקרו-הזרקה, החזר את הראש למצב ברמת אפס מעלות, והשתמש במקדחה ידנית כדי למקם שני חורים, מלפנים, ושני חורים, מאחור, רחוק מספיק מחורי הקואורדינטות הזוויתיים כדי להכיל את החלק הטבעתי של הסיב האופטי שיושב מעל הגולגולת. לאחר שכל החורים נקדחו, השתמשו במברג שטוח קטן כדי להכניס את ברגי העצם בעדינות ככל האפשר, כך שהם יושבים היטב בגולגולת מבלי לחדור למוח.
מהדקים צינורית פיבראופטית לתוך מחזיק הצינורית, והנח את מחזיק הצינורית במחזיק הכלי. סובב את הראש לזווית המחושבת, ושים לב שהקואורדינטות של המיקרומניפולטור אינן חלות על הכלי החדש. השתמש במרכז חורי הקוצים הזוויתיים כמטרת ההשתלה.
הורד את הסיב האופטי עד שהוא פשוט נוגע בדורה שבמרכז חור הבור, ואפס את המיקרומניפולטור בציר Z. הורד לאט את הסיב האופטי לקואורדינטה הזווית הגחונית הגבית, ולאחר מכן השתמש בג'ל ציאנואקרילט כדי לחבר את טבעת הסיב האופטי לברגי העיגון המקבילים. השתמש בקצה מיקרופיפטה כדי להפעיל מאיץ.
לאחר שהג'ל התקשה לחלוטין, שחררו בעדינות והרימו את מחזיק הצינורית עד שהוא נקי מהטבעת. השתל את הסיב האופטי השני לקואורדינטה הזוויתית הנגדית, ואז יישר את הראש. ליתר ביטחון, השתמשו בג'ל ובמאיץ הציאנואקרילט כדי ליצור חיבור נוסף בין שתי צינוריות הפיבראופטיקה הזוויתיות, ומרחו כמות קטנה ודקה יחסית של צמנט דנטלי על פני הגולגולת, תוך הקפדה על כיסוי יסודי של ברגי העיגון ובסיס הצינוריות הפיבראופטיות.
כדי לחקור את תפקידם של נוירוני הגרעין הוונטרומדיאלי של ההיפותלמוס בבקרה גליקמית, בניתוח מייצג זה, נעשה שימוש בגישה סטריאוטקטית סטנדרטית, לא זוויתית, להזרקת מיקרו דו-צדדית של נגיף רודופסין מעכב לגרעין הוונטרומדיאלי. בהתחשב בקרבתו של הגרעין הוונטרומדיאלי לקו האמצע, אילוצי המקום לא אפשרו השתלה לא זוויתית של סיבים אופטיים דו-צדדיים, מה שהצריך פיתוח אסטרטגיה כירורגית להשתלה מדויקת של סיבים אופטיים בזווית. הדברים החשובים ביותר שיש לזכור הם פשוט להיות סבלניים ולקחת את הזמן, מכיוון שעקביות ודיוק במשימות הקואורדינטות שלך היא קריטית להצלחה.
ניתן להתאים הליך זה וליישם אותו בכל שיטה מדעית מוחית הדורשת מיקרו-הזרקה או השתלה במוח המכרסמים, כולל גישות כימוגנטיות, אופטוגנטיקה ופוטומטריית סיבים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מתאר הליך סטריאוטקטי המנצל גישה קורונלית זוויתית כדי למקד אזורי מוח קשים להשגה במודלי עכבר ועכברוש. פרוטוקול מתאים זה יכול להיות מיושם על יישומים מדעיים נוירולוגיים שונים, כולל השתלת קנולה והזרקות מיקרו של מבנים ויראליים.
מרכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מדעי המוח
- טכניקות נוירוכירורגיות
- התערבויות ניסוייות במודלי בעלי חיים
רקע
- ההליך מאפשר מיקוד מדויק של אזורי מוח מאתגרים.
- ניתן להתאים אותו למספר טכניקות במדעי המוח.
- התאמה למודלי עכבר ועכברוש מגדילה את היישום.
- תומך בהתקדמות בטכניקות הדורשות מיקרו-הזרקה או השתלה.
מטרת המחקר
- לפתח שיטה אמינה לגישה ולמניפולציה של אזורי מוח קשים.
- להקל על יישומים שונים במדעי המוח, כגון אופטוגנטיקה וכימוגנטיקה.
- לספק פרוטוקול מפורט לחוקרים המבקשים ליישם טכניקות דומות.
שיטות ששימשו
- השיטה כוללת ניתוח סטריאוטקטי להליכים מוחיים ממוקדים.
- משתמשים במודלי עכבר ועכברוש להליכים כמו השתלת קנולה.
- לא מוזכרים זרימות עבודה של מולטי-אומיקס.
- שלבים עיקריים כוללים כיול המיקרו-מניפולטור ויישור קואורדינטות להשתלה מדויקת.
- הפרוטוקול מדגיש דיוק בהקצאת קואורדינטות לתוצאות מוצלחות.
תוצאות עיקריות
- הפרוטוקול מתאר בהצלחה את הצעדים הנדרשים להשתלה והזרקה ממוקדת בזווית.
- פרטים מהותיים בתהליך מבטיחים דיוק במיקום אזורים מוחיים ספציפיים.
- מדגים את היכולת לבצע השתלות סיבים אופטיים דו-צדדיות למרות מגבלות מרחביות.
- מדגיש את החשיבות של תכנון ביצוע זהירים בהתערבויות נוירוכירורגיות.
מסקנות
- פרוטוקול זה מדגים שיטה להשתלת מכשירים באזורי מוח קשים להשגה.
- מקל על שיטות מדעיות נוירולוגיות שונות ומגדיל את יכולות המחקר.
- ההשלכות משתרעות על הבנת התגובות ההתנהגותיות והפיזיולוגיות באזורים הממוקדים.
שאלות נפוצות
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.
