Questo rapporto descrive la costruzione e l'uso di un cuscinetto riscaldante portatile a basso costo, facile da assemblare, da utilizzare per piccoli mammiferi anestetizzati.
Articolo di ricerca
Questo rapporto descrive la costruzione e l'uso di un cuscinetto riscaldante portatile a basso costo, facile da assemblare, da utilizzare per piccoli mammiferi anestetizzati.
L'anestesia riduce la temperatura corporea interna e questo compromette seriamente lo stato fisiologico di un animale da esperimento. È importante sottolineare che l'ipotermia altera molti aspetti della funzione neurale. Quando si registra l'attività del sistema nervoso negli animali anestetizzati, la temperatura interna dell'animale deve essere stabilizzata. Sebbene i termofori commerciali per piccoli animali siano prontamente disponibili, in genere sono costosi, un po' ingombranti e richiedono cavi di alimentazione e una fonte da 120/240 V. Di conseguenza, il trasporto di un animale anestetizzato da un luogo (ad esempio, una sala operatoria) a un altro (ad esempio, un impianto di imaging) comporta lo spostamento dei cavi di alimentazione. Inoltre, i dispositivi commerciali non sono sempre compatibili con telai stereotassici personalizzati, tavolini per microscopi o scatole di contenimento. Questo rapporto descrive un tappetino riscaldante a basso costo, alimentato a batteria e a temperatura controllata per topi e ratti e ne documenta la validità e l'utilità. Il dispositivo monitora continuamente la temperatura interna di un animale e regola automaticamente il termoforo per mantenere la normotermia. Può essere costruito in meno di 30 minuti, i componenti sono prontamente disponibili e il costo è inferiore a $ 100. Il dispositivo è portatile, il che lo rende comodo per i ricercatori che eseguono procedure come i preparati chirurgici in un luogo e trasportano l'animale anestetizzato in un altro luogo per le registrazioni sperimentali. Il dispositivo può mantenere un topo anestetizzato normotermico ±0,7° per oltre 6 ore senza calore supplementare (ad es. lampada termica), nonostante >15° di differenza tra la temperatura ambiente e la temperatura corporea interna. Questo rapporto dimostra come il cuscinetto riscaldante possa essere utilizzato per l'imaging in vivo dell'attività neuronale per un periodo prolungato nei topi.
I metodi attuali per studiare l'attività neurale in vivo nel cervello di topi e ratti utilizzano sofisticate tecniche di imaging funzionale e/o array multielettrodi 1,2,3,4. In molti di questi studi, l'animale da esperimento è profondamente sedato o in un piano chirurgico di anestesia. Tuttavia, è ben noto che l'anestesia inabilita la termoregolazione negli animali; La temperatura interna di un animale anestetizzato scende rapidamente. Ad esempio, nei ratti e nei topi, l'iniezione intraperitoneale di un anestetico comunemente usato, la ketamina, porta rapidamente all'ipotermia 5,6,7. In effetti, l'ipotermia complica l'anestesia generale sia negli esseri umani che nei roditori 8,9,10,11. Di conseguenza, un dispositivo per mantenere la temperatura corporea interna di un animale è necessario per un'ampia gamma di esperimenti su animali anestetizzati 12,13,14,15,16,17,18.
L'ipotermia è un problema particolare nelle neuroscienze. La bassa temperatura influisce sul cervello e sulla funzione neuronale in diversi modi. Una lieve ipotermia durante l'anestesia rafforza la barriera emato-encefalica contro gli insulti sperimentali come la perfusione con soluzioni iperosmolari19; un'ipotermia più grave interrompe la barriera emato-encefalica20. L'ipotermia riduce la velocità di conduzione nervosa nei nervi centrali21 e periferici22 e altera molti aspetti della trasmissione sinaptica23,24 (cfr. negli animali a sangue freddo25). Chiaramente, il mantenimento della temperatura corporea interna di un animale da esperimento è fondamentale quando si studia l'attività neuronale, sottolineando l'importanza di una qualche forma di dispositivo di riscaldamento, specialmente per gli animali anestetizzati.
Esistono diversi cuscinetti riscaldanti disponibili in commercio per piccoli animali, molti dei quali includono controller con feedback della sonda di temperatura per mantenere l'animale a una temperatura interna costante 26,27,28,29,30,31,32. Questi dispositivi commerciali sono affidabili e stabili, ma spesso ingombranti e costosi. Sono state descritte altre unità di riscaldamento omeotermiche per roditori più specializzate, ma hanno un'applicabilità limitata per uso generale 33,34,35,36,37. Inoltre, i dispositivi di riscaldamento omeotermici comunemente disponibili hanno alimentatori che devono essere collegati a una presa da 120 V o 240 V. Questi fattori possono essere limitanti. Il requisito di un'alimentazione a 120/240 V può essere particolarmente fastidioso se un animale viene preparato chirurgicamente per la sperimentazione in un luogo diverso da quello in cui avviene la registrazione effettiva. Il trasporto del preparato, anche a breve distanza, richiede lo spostamento di un controller/alimentatore e di un cavo di alimentazione. Inoltre, gli alimentatori/controller per pad riscaldanti possono introdurre rumore nelle registrazioni elettrofisiologiche.
Negli studi che utilizzano l'imaging funzionale in vivo dell'attività dei neuroni sensoriali nei topi, questi aggravamenti sono stati superati progettando un tappetino riscaldante omeotermico estremamente economico, facile da costruire ed estremamente portatile. Questo tappetino riscaldante è alimentato da una piccola batteria ai polimeri di litio (LiPo), come quelle utilizzate per alimentare i droni. Questo dispositivo richiede competenze minime per essere costruito. Tutte le parti sono articoli standard, prontamente disponibili tramite ordine online. Gli unici strumenti necessari sono un piccolo cacciavite, un saldatore e un tronchese/spelafili. Il costo totale è ben al di sotto di $ 100 e l'intera costruzione richiede meno di 30 minuti. Le dimensioni ridotte e la disposizione flessibile dei suoi componenti rendono il tappetino riscaldante omeotermico facilmente adattabile a un telaio stereotassico personalizzato, piattaforme di registrazione, gabbie di osservazione o, come in questo rapporto, al tavolino di un microscopio confocale verticale.
Sebbene questo cuscinetto riscaldante omeotermico sia stato ampiamente utilizzato per l'imaging in vivo del calcio dell'attività neuronale nei gangli sensoriali cranici esposti chirurgicamente38,39, qualsiasi studio che utilizzi piccoli roditori sedati o anestetizzati trarrebbe beneficio da questo dispositivo. L'esperienza ha dimostrato che, se alimentato da batterie LiPo completamente cariche, il termoforo mantiene stabile la temperatura corporea interna di un mouse anestetizzato per più di 6 ore.
Tutti gli articoli necessari per la costruzione del termoforo sono disponibili in commercio. L'uso dei topi e tutte le procedure per gli animali descritte per convalidare questo protocollo sono state approvate dal Comitato Istituzionale per la Cura e l'Uso degli Animali (IACUC) dell'Università di Miami, IPROTO202200000139. Gli animali utilizzati per testare e convalidare questo dispositivo erano topi C57BL/6, 18-30 g di entrambi i sessi. I topi specifici per l'imaging del calcio erano topi transgenici che esprimono GCaMP6 nei neuroni sensoriali. I reagenti e le attrezzature utilizzate sono elencati nella Tabella dei Materiali.
1. Strumenti per il montaggio
Gli strumenti necessari consistevano in un piccolo cacciavite a taglio (ad esempio, con testa da 2 mm), un saldatore e un tronchese/spelafili.
2. Montaggio del termoforo
Gli elementi necessari per la costruzione sono stati disposti (Figura 1). Questi includevano (A) un termoforo in silicone da 12 V 15 W 50 mm x 100 mm (50 mm x 100 mm era una dimensione conveniente per i topi, mentre i cuscinetti riscaldanti in gomma siliconica più grandi sono più appropriati per i ratti); (B) termistore a perline; (C) JST-XH connettore maschio con connettore maschio per spina di bilanciamento a 2 pin; (D) Connettore a spina JST, maschio a 2 pin con conduttori da 20 AWG; (e) Batteria LiPo da 7,4 V 1200 mAh; (F) circuito del regolatore di temperatura; e (G) un cavo di collegamento corto da 20 AWG.

Figura 1: Disposizione delle parti per la costruzione di termofori omeotermici. Questi includevano (A) un termoforo in silicone da 12 V 15 W 50 mm x 100 mm (50 mm x 100 mm era una dimensione conveniente per i topi, mentre i cuscinetti riscaldanti in gomma siliconica più grandi sono più appropriati per i ratti); (B) termistore a perline; (C) JST-XH 2 pin spina di bilanciamento connettore femmina maschio; (D) Connettore a spina JST, maschio a 2 pin con conduttori da 20 AWG; (e) Batteria LiPo da 7,4 V 1200 mAh; (F) circuito del regolatore di temperatura; e (G) un cavo di collegamento corto da 20 AWG. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
I due conduttori del termoforo in silicone sono stati inseriti nei terminali #2 e #4 del circuito di controllo della temperatura e le viti dei terminali sono state serrate come mostrato nella Figura 2. I cavi sono stati stagnati prima di essere collegati al terminale della scheda di controllo.

Figura 2: Il termoforo in silicone è collegato al circuito di controllo della temperatura. Qui è mostrata la sonda a termistore fornita con il circuito di controllo della temperatura. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
I cavi della spina JST maschio a 2 pin sono stati quindi collegati al circuito di controllo della temperatura, come mostrato nella Figura 3. Il cavo rosso (positivo) era collegato al terminale #1 e il cavo nero (negativo) al terminale #2. È stato aggiunto un ponticello corto del cavo di collegamento da 20 Ga tra i terminali #1 e #3 (Figura 3). Un breve pezzo di cavo di collegamento è stato recuperato dai cavi del termoforo. Come sopra, i cavi sono stati stagnati prima di essere bloccati nel terminale della scheda di controllo.

Figura 3: I cavi della spina JST sono collegati ai terminali 1 e 2 del circuito di controllo della temperatura. Il cavo rosso (positivo) deve essere collegato al morsetto 1 e il cavo nero (negativo) al morsetto 2. I terminali 1 e 3 sono collegati con un cavo di collegamento corto. Per chiarezza, i collegamenti del termoforo in silicone (Figura 2) non sono mostrati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Configurazione del termistore e della sonda
I cavi della spina JST-XH sono stati saldati al termistore a perlina. È importante sottolineare che i conduttori del termistore e i giunti di saldatura sono stati accuratamente isolati con tubi termoretraibili per evitare il cortocircuito del termistore. La sonda del termistore fornita con il termoregolatore è stata scollegata, rimossa e sostituita con la sonda del termistore a cordone, come mostrato nella Figura 4. Il termistore a microsfere fungeva da sonda termica rettale per monitorare la temperatura interna del topo o del ratto.

Figura 4: Preparazione della sonda termica rettale. (A) La spina JST-HX è saldata al termistore a cordona. (B) La sonda del termistore fornita con il regolatore di temperatura viene rimossa. (C) Il cavo del termistore a cordone è inserito nel controller. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
4. Integrazione finale e montaggio
La costruzione era completata ( Figura 5). Il dispositivo era pronto per l'uso e poteva essere montato su una piattaforma appropriata per la sperimentazione. La batteria LiPo è stata collegata alla spina JST per fornire alimentazione al controller. Un esempio dell'unità completamente operativa è mostrato nella Figura 5. In alcuni casi, il circuito del regolatore di temperatura era montato su distanziatori alti (ad esempio, viti in nylon da 1" #6) fissati ai quattro angoli. In questo modo, la batteria LiPo da 7,4 V si inserisce in modo ordinato e comodo sotto il circuito del regolatore di temperatura.

Figura 5: Un dispositivo riscaldante omeotermico completamente completato, funzionante in una stanza con una temperatura ambiente di 22 °C. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
5. Funzionamento e utilizzo del dispositivo
Per azionare il termoforo omeotermico, una piccola quantità di vaselina è stata posizionata sul termistore a perline, che è stato poi inserito delicatamente nel retto di un topo anestetizzato o sedato. Per questo rapporto, topi da 18-30 g sono stati anestetizzati con ketamina/xilazina (80 mg/kg di ketamina e 10 mg/kg di xilazina) con successive dosi di richiamo di ketamina per mantenere un piano chirurgico di anestesia. I cavi del termistore erano fissati con nastro adesivo alla coda dell'animale per evitare che la sonda si staccasse. L'animale è stato posizionato prono sul termoforo in silicone. Il dispositivo è stato alimentato collegando la batteria LiPo da 7,4 V. È stato premuto il pulsante Set sul controller del termostato. "H" (riscaldamento) è apparso accanto alla temperatura impostata. Il pulsante Set è stato premuto ancora una volta per attivare l'impostazione della temperatura. È stato premuto il pulsante Su o Giù per modificare la temperatura impostata alla specifica desiderata. Ad esempio, è stata utilizzata una temperatura impostata di 37°. Il pulsante Set è stato tenuto premuto per 3 s (o non è stato premuto alcun pulsante per 6 s) e il dispositivo è diventato completamente operativo. Le istruzioni per l'impostazione della temperatura sono state incluse anche nella scheda tecnica fornita con il circuito del termoregolatore.
Quando la temperatura interna dell'animale era inferiore alla temperatura impostata (ad esempio, 37°), il relè che alimentava il termoforo in silicone si chiudeva. La corrente è stata erogata al termoforo in silicone, la luce rossa si è accesa e il cuscinetto in silicone ha iniziato a riscaldarsi fino a quando la sonda rettale ha superato la temperatura impostata di una determinata quantità ("isteresi"; l'impostazione di fabbrica era 0,5°). Quando la sonda rettale ha superato la temperatura impostata più l'isteresi (in questo esempio, 37,5°), il relè si è aperto, la luce rossa si è spenta, l'alimentazione è stata interrotta dal termoforo in silicone e il termoforo e l'animale hanno iniziato a raffreddarsi (supponendo che la temperatura ambiente < 37,5°). Quando la sonda rettale è scesa alla temperatura impostata meno l'isteresi (ad esempio, 36,5°), il relè si è chiuso e l'alimentazione è stata nuovamente erogata al termoforo in silicone per riscaldare l'animale. L'isteresi può essere impostata premendo tre volte il pulsante Set e utilizzando i pulsanti Su o Giù . Istruzioni più dettagliate per il funzionamento del termoregolatore sono state fornite con il dispositivo, incluso un controllo dell'interfaccia seriale, se di interesse per gli utenti.
6. Procedure di follow-up
Al termine degli esperimenti descritti in questo rapporto, i topi sono stati sottoposti a eutanasia umana con un'overdose di ketamina, CO2 e lussazione cervicale. In particolare, agli animali è stata iniettata una dose di ketamina 2x, seguita da CO2 da un cilindro pressurizzato erogato a 10 SCFH (Standard Cubic Feet per Hour) e, infine, la lussazione cervicale.
Due metodi sono stati valutati e convalidati: il termoforo omeotermico.
In primo luogo, in un test analitico critico del dispositivo, un piccolo topo maschio (18,5 g) è stato mantenuto in anestesia profonda per 6 ore sul pad riscaldante in un ambiente relativamente fresco. In particolare, al topo è stata iniettata una miscela di Ketamina/Xilazina (80 mg/kg di ketamina e 10 mg/kg di xilazina) e tenuto sul termoforo all'aperto, senza coperchio, in una stanza climatizzata (temperatura ambiente, 20,3°). Le iniezioni di richiamo di ketamina sono state somministrate se necessario per mantenere il topo in un piano chirurgico di anestesia. Il topo ha mantenuto una frequenza respiratoria normale per tutte le 6 ore, variabile da un minimo stimato di 110/min a un massimo di 215/min, a seconda del tempo trascorso dopo l'iniezione di richiamo di ketamina (coerente con l'effetto noto della ketamina sulla respirazione). La temperatura interna dell'animale è stata monitorata con la sonda a termistore a microsfere del dispositivo e, in modo indipendente, con una sonda rettale RET-4 commerciale (Physitemp) inserita in parallelo con la sonda a termistore a perline. Inoltre, è stata conservata una registrazione della temperatura superficiale del termoforo in gomma siliconica direttamente sotto il mouse anestetizzato. Il controller è stato impostato su 35°. I dati indicano che la temperatura interna del topo variava meno di 1,3° nell'arco delle 6 ore, nonostante la differenza di 15° tra la temperatura ambiente ambiente (20°) e la temperatura interna impostata (35°) (Figura 6). È importante sottolineare che la temperatura interna del mouse è rimasta a 35±0,6° senza alcun dispositivo di riscaldamento supplementare (lampada termica, coperta, ecc.). La batteria LiPo è stata sostituita una volta nel periodo di 6 ore.

Figura 6: Validazione del termoforo omeotermico. Un topo anestetizzato è stato tenuto su una piattaforma in una stanza aperta (temperatura ambiente, 20 °C) senza altre fonti di calore per 6 ore. Il dispositivo è stato impostato per mantenere la temperatura interna del mouse a 35 °C. (A) La configurazione sperimentale. (B) Temperature registrate dalla sonda a termistore a cordone rettale del dispositivo (rappresentate da punti rossi); da una sonda rettale indipendente RET-4 (Physitemp) (rappresentata da punti viola); e da una sonda di temperatura separata posizionata sul termoforo in silicone sotto il mouse (rappresentata da punti circolari neri). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
In secondo luogo, il tappetino riscaldante alimentato a batteria è ampiamente utilizzato per l'imaging confocale del calcio a scansione in vivo dell'attività del ganglio sensoriale nei topi transgenici che esprimono GCaMP6 nei neuroni sensoriali38,39. Gli esperimenti durano in genere 6 ore o più, con il topo che rimane in un piano chirurgico di anestesia per tutta la durata. L'esperienza ha dimostrato che il mantenimento della temperatura interna del topo a 31,5 °C durante la preparazione chirurgica e l'imaging è ottimale. La preparazione chirurgica consiste nell'esporre unilateralmente i gangli del trigemino e/o del genicolo in topi profondamente anestetizzati. Questo intervento viene eseguito in una stanza separata da quella in cui avviene l'imaging, richiedendo il trasporto del topo anestetizzato fissato su un dispositivo stereotassico costruito su misura con il cuscinetto riscaldante attaccato per una distanza di circa 40 m. La temperatura ambiente varia da 20 a 24 °C. La temperatura interna del topo, misurata dalla sonda di temperatura rettale del dispositivo (termistore a perline), è rimasta costantemente costante e l'animale è stato mantenuto in condizioni fisiologiche stabili per tutte le 6+ ore senza alcun riscaldamento ausiliario. L'attività neurale è rimasta robusta (Figura 7), convalidando l'affidabilità del cuscinetto riscaldante alimentato a batteria per mantenere l'animale normotermico.

Figura 7: Cuscinetto riscaldante in uso durante l'imaging in vivo dell'attività neuronale. Il tappetino riscaldante mantiene stabile la temperatura interna di un mouse anestetizzato e supporta registrazioni robuste e affidabili dell'attività neuronale per diverse ore. (A) Vista che mostra il mouse posizionato sul tappetino riscaldante, la sua testa stabilizzata con un supporto su misura sotto l'obiettivo a lunga distanza 20x di un microscopio confocale. Come mostrato qui, la temperatura interna del topo viene mantenuta a 31,5 °C per l'imaging. Un laser a scansione (488 nm) illumina il ganglio genicolato esposto chirurgicamente e riproduce l'attività evocata dal gusto nei neuroni sensoriali gustativi che esprimono il reporter sensibile al calcio, GCaMP6s. Il grande collettore bianco (in basso a destra) guida gli stimoli gustativi nella cavità orale. (B) Esempi rappresentativi da 5 neuroni gangliari genicolati che mostrano risposte evocate dal gusto (variazione della fluorescenza GCaMP6s, ΔF/F) a seguito di una presentazione di 5 s di 300 mM di soluzione di saccarosio nella cavità orale. Queste risposte sono state visualizzate all'inizio dell'esperimento. I segni di spunta sulla linea rossa indicano l'erogazione dello stimolo. (C) Esempi di risposte da 5 diversi neuroni gangliari registrati 6 ore dopo. Il topo era stato mantenuto sul cuscinetto riscaldante in un piano chirurgico di anestesia per tutto il tempo. Le ampiezze, le durate e le latenze delle risposte evocate dal gusto sono notevolmente simili a quelle registrate diverse ore prima. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Questi test convalidano il controller omeotermico e stabiliscono saldamente la capacità del dispositivo del termoforo di mantenere un roditore anestetizzato a una temperatura interna costante per lunghi periodi.
DISPONIBILITÀ DEI DATI:
Le tabelle complete dei dati per la Figura 6 e la Figura 7 sono incluse nel File supplementare 1.
Fascicolo supplementare 1: Tabelle di dati per la Figura 6 e la Figura 7. Clicca qui per scaricare questo file.
Questo rapporto descriveva un piccolo termoforo omeotermico portatile, alimentato a batteria, per il mantenimento della normotermia in topi e ratti anestetizzati. Questo dispositivo ha mantenuto stabile la temperatura corporea interna di topi profondamente anestetizzati per diverse ore senza alcuna fonte di riscaldamento supplementare, nonostante un ampio differenziale tra la temperatura ambiente e la temperatura corporea interna. È stata illustrata l'utilità di questo termoforo per l'imaging confocale in vivo dell'attività dei gangli cranici nei topi.
Tutti i componenti per il dispositivo sono disponibili online. Il costo totale per tutti i componenti è inferiore a $ 100. Per costruire l'unità vengono utilizzati strumenti comunemente disponibili. Per costruire il dispositivo non sono necessarie competenze specialistiche, a parte la saldatura rudimentale. Il pad riscaldante è alimentato da una batteria LiPo ad alta capacità, comunemente utilizzata per i droni. Infine, l'intero dispositivo può essere assemblato in meno di 30 minuti quando le parti sono disposte come descritto. Questo piccolo termoforo omeotermico alimentato a batteria è particolarmente utile per le situazioni sperimentali in cui gli animali anestetizzati vengono preparati in un sito (come una sala chirurgica) e trasportati in un altro (come un impianto di imaging) per le procedure sperimentali. Poiché il dispositivo è alimentato a batteria, non ci sono cavi di alimentazione da scollegare e nessuna unità di termocontrollo separata da spostare. Inoltre, essendo alimentato a batteria, non genera rumore elettrico per le registrazioni elettrofisiologiche, un problema fastidioso con i dispositivi commerciali alimentati a 120/240 V. Infine, il termoforo può essere facilmente adattato a telai stereotassici personalizzati, scatole di contenimento, gabbie per animali o altre situazioni.
Il limite principale del termoforo è che la carica della batteria LiPo potrebbe non durare per tutta la durata di un esperimento. In genere, una batteria da 1200 mAh completamente carica alimenta l'unità per 4-6 ore, a seconda della differenza di temperatura tra l'animale e la stanza. Una soluzione semplice è quella di avere a portata di mano una batteria di riserva e/o di utilizzare una batteria LiPo da 2200 mAh di capacità maggiore.
Nonostante la sua facilità di costruzione e praticità, ci sono insidie che circondano questo dispositivo. Le batterie LiPo come quelle utilizzate per alimentare il termoforo possono essere pericolose40,41. Anche se sono comunemente usate per alimentare droni e giocattoli, le batterie LiPo presentano alcuni rischi. In particolare, il sovraccarico delle batterie LiPo rappresenta un serio rischio di incendio42. Si consiglia agli utenti di non lasciare la batteria LiPo in carica durante la notte o più a lungo. Un'altra preoccupazione è la possibilità di cortocircuitare accidentalmente la batteria durante la costruzione, collegando inavvertitamente i terminali 1 e 2 con il cavo di collegamento corto (Figura 3). Inoltre, è fondamentale mantenere la corretta polarità sui cavi del connettore della batteria in modo tale che il filo rosso (positivo) sia collegato al terminale 1 e il filo nero (negativo) sia collegato al terminale 2 (Figura 3) del circuito di controllo della temperatura. L'inversione di polarità può distruggere il circuito elettrico. Infine, gli utenti sono invitati a stagnare i cavi prima di inserirli nel circuito di controllo della temperatura. Ciò contribuirà a evitare che i fili si stacchino accidentalmente durante l'uso.
In sintesi, il termoforo omeotermico alimentato a batteria qui descritto sarà di grande beneficio per gli studi che utilizzano topi o ratti anestetizzati.
Questo lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health Grant numeri DC018733 e DC017303
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