このプロトコルは、頭部固定マウスの脳幹から in vivoで高密度の単一ニューロン記録を取得する方法を説明する。このアプローチは、全身麻酔前および全身麻酔中に、腹外側水道周囲灰色 (急速眼球運動 (REM) 睡眠中に不活性な脳幹領域) のニューロンの活動電位発火を測定するために展開されます。
Method Article
このプロトコルは、頭部固定マウスの脳幹から in vivoで高密度の単一ニューロン記録を取得する方法を説明する。このアプローチは、全身麻酔前および全身麻酔中に、腹外側水道周囲灰色 (急速眼球運動 (REM) 睡眠中に不活性な脳幹領域) のニューロンの活動電位発火を測定するために展開されます。
シリコン多電極ベースの記録は、多くの脳領域における活動電位の時間分解能でニューロン活動を研究するためにますます人気が高まっています。しかし、マルチチャネルプローブを使用して脳幹のような深部尾側構造からのニューロン活動を記録することは依然として困難です。大きな懸念事項は、上矢状静脈洞や横静脈洞などの大きな血管を避けるプローブ挿入の軌道を見つけることです。これらの大きな静脈を損傷すると、広範な出血、下にある脳組織の損傷、そして潜在的に死に至る可能性があります。このアプローチでは、前座標と角度付きアプローチを結合して脳幹構造を標的とし、記録プローブが高リスク血管構造の下の脳を貫通できるようにする方法を説明しています。厳密に垂直なアプローチと比較して、角度付きアプローチは、ターゲットにできる脳領域の数を最大化します。この戦略を使用すると、レム睡眠に関連する脳幹領域である腹外側脳水道周囲灰色 (vlPAG) に再現性があり確実にアクセスして、セボフルラン麻酔前および麻酔中に頭部固定マウスで単一ユニットの多電極記録を取得できます。vlPAGおよび周囲の核のニューロン活動を高い時間分解能で記録する能力は、レム睡眠と麻酔の関係の理解を前進させる一歩です。
シリコンマルチ電極ベースの記録は、単一活動電位分解能1,2,3,4で多くの脳領域にわたるニューロン活動を測定するためにますます人気が高まっています。この10年間で、高密度記録技術は大幅に進歩しました。現在のシリコンベースの記録電極は、多チャンネル数、光ファイバー、および皮質電図(ECoG)記録デバイス5,6に対応できます。さらに、これらの電極の慢性的な埋め込みは、長期記録7,8を可能にする。
近年の技術の進歩にもかかわらず、マルチチャネルプローブで脳幹のような深部尾側構造を標的とすることは依然として困難です。腹外側脳水道周囲灰色(vlPAG)などの脳幹構造を標的とする場合、大きな障害の1つは、主要な血管(上矢状静脈洞や横静脈洞など)を回避するプローブ軌道を特定することです。これらの大きな静脈の損傷は、広範な出血、下にある脳組織の損傷、さらには死を引き起こす可能性があります9,10。私たちは、斜めに前方座標から脳幹構造を標的とすることを提案します。これにより、記録プローブはそのような高リスク血管構造の下の脳を貫通できます(図1を参照)。この角度付きアプローチは、垂直アプローチと比較して、記録可能な脳領域の数を最大化します。さらに、ECoG記録が望まれる実験状況では、プローブ挿入のための開頭窓がより前方に配置されるため、角度のある前方アプローチにより、ECoGヘッドセットの埋め込みに利用できる頭蓋骨表面が大きくなります10,11。
麻酔によるレム睡眠の変化に関与する特定の細胞群と回路を特定することは、依然として麻酔研究の主要な目標です。したがって、ここでの目的は、レム睡眠に関連する脳幹領域であるvlPAGに再現性があり確実にアクセスして、セボフルラン麻酔前および麻酔中の頭部固定マウスで単一ユニットの多電極記録を取得することでした12,13。以前の研究では、覚醒マウスのvlPAGの電気生理学的局所電位(LFP)測定を使用して、麻酔14,15に関連する神経状態の変化を特定しています。しかし、LFP測定は、記録された領域16内の活動電位ではなく、主にシナプス活動に敏感である。したがって、麻酔薬がvlPAGニューロンによって生成される神経活動パターンに直接影響を与える方法についての理解は限られています。ここでは、頭部固定マウスの脳幹から高密度の単一ニューロン記録を得る方法について説明する。この方法は、他のさまざまな深部および後部脳幹構造からの単一ニューロン活動を記録するようにも適応できます。
すべての研究は、バージニア大学(バージニア州シャーロッツビル)の施設動物管理および使用委員会によって承認されました。体重25-30gの生後3-7ヶ月の雄C57BL/6Jマウス5匹を用いた。ここで使用する試薬や機器の詳細は、 資料表に記載されています。
1.ヘッドプレートとヘッドセットの埋め込み
2. シリコンプローブの配置と記録
3. プローブ軌道再構築のための組織学
4. 電気生理学的データ解析
5台のオス型C57BL/6JにECoGヘッドセットとヘッドプレートを埋め込みました(図4A)。回復後、マウスは、別々の日に2回の1.5時間のセッション中に頭部固定と電気生理学記録装置に慣れました(図4B)。次に、2 mm x 2 mm の開頭窓を作成し (図 4C)、マウスをウェイクアップして頭を固定した状態でシリコンプローブを挿入しました (図 4D)。2種類のシリコンUCLAプローブが使用されました:(1)64 M:ワンシャンク、64電極プローブ。(2)256 ANS:4シャンク、256電極プローブ。セボフルランと酸素は、電気生理学リグに固定されたノーズコーンを使用して投与されました。酸素とセボフルランのレベルは、インラインガス分析計を使用して5分ごとにモニターされました。経心灌流後、脳を採取し(図4E)、プローブの軌跡を評価しました(図4F)。次に、記録された活動電位を1つのユニットデータにまとめました(図4G)。
5回の録音が行われ、MATLAB23で開発された利用可能なプローブ再構成アルゴリズムを使用してプローブの配置が検証されました。これらのアルゴリズムを使用して、シリコンプローブの各電極を特定の脳構造に局在化させ、脳内のプローブ配置の3次元的な視点を取得しました(図5)。これらの再構成アルゴリズムを免疫組織化学マーカーと組み合わせて、プローブの軌跡をさらに検証しました(図6)。次に、データをキュレーションされた単一ユニットと照合しました(図7)。
合計64個の単一ニューロンが捕捉され、そのうち13個がvlPAGに位置していました。残りの51個のニューロンは、中脳、中脳網様体核、傍滑車核、楔状核、後匂い被蓋核、傍上腕核、および上小脳脚の近くの核にありました。各マウスのニューロンの発火活動は、ヒートマップとして提示されます(図7)。マウス3は、単一ユニットの記録が低品質であったため、解析から除外しました。記録されたほとんどのニューロンは、セボフルラン麻酔中に発火を減少させました。
vlPAGニューロンの平均発火は、5分間のベースライン(すなわち、記録の10〜15分)とセボフルランの5分後(すなわち、記録の40〜45分)で各マウスについて比較されました。vlPAGの発火は有意に減少し(図8A)、さらに、この増加はすべてのvlPAGニューロンで一貫していました(図8B)。

図1:プローブ挿入のための脳定位固定装置座標の計算。 左パネル:ジオメトリを使用して、プローブ挿入の角度付きアプローチを計算します。直角三角形の次の構成要素が特定されました:(a)脳表面からのターゲット構造のDV深度(定位アトラスを使用して取得)、(b)厳密に垂直降下すると仮定したAP座標とターゲット構造のAP座標との間の距離。右パネル:(a)と(b)では、ピタゴラスの定理を使用して、プローブ挿入のAP角度(β)と長さ(c)を計算できます。vlPAGを対象とするために、(AP)-3.6 mm、(ML)+0.5 mm、(DV)-4 mmの座標が使用されました。20°のAP角(β)を使用しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:ヘッドプレートの埋め込みと単一ユニットの記録。 (A)埋め込み中のECoGヘッドセットワイヤーの配置。(B)ECoGヘッドセットとヘッドプレート移植後のマウスの頭蓋骨の上面図。(C)脳に挿入されたシリコンプローブシャンク。(D)シリコンプローブ記録中のヘッド固定マウス。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:主要な血管に対する頭蓋窓の配置。 マウス脳表面の血管系の模式図で、上矢状静脈洞と横静脈洞がマークされています。白い四角は頭蓋窓の位置を示し、赤い点はプローブの挿入点を表しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:実験計画。5匹の雄C57BL/6JマウスにECoGヘッドセットとヘッドプレート(A)を移植しました。回復後、彼らは頭部固定と録音装置(B)に慣れました。次に、開頭術(C)を行い、マウスを覚醒させ、頭を固定した状態でシリコンプローブを挿入しました。揮発性麻酔薬と酸素は、ノーズコーン(D)を使用して投与されました。記録後、脳を採取し(E)、免疫組織化学技術を用いて分析し、プローブの軌道を再構築した(F)。その後、記録された活動電位を1つのユニットデータ(G)にまとめました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:再構成されたプローブトラックを持つ脳の3Dモデル。 各直線の色付きの線は、プローブの軌跡を表します。各ドットは、冠状脳スライス上に見えるDiI色素の位置を示しています。プローブの軌道は、シリコンプローブのすべてのシャンクに対して再構築されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:vlPAG内のプローブ配置の事後再構成。 DAPI(青)で染色された各記録マウス(1-5)の代表的な冠状脳スライスは、脳領域の輪郭を持つプローブトラック((DiI、赤、緑の矢印でマーク)を示しています。スケールバー:500μm。マウス1-3はシングルシャンクシリコンプローブ(すなわち、64チャンネル)で記録され、マウス4および5は4シャンクシリコンプローブ(すなわち、256チャンネル)で記録されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図7:セボフルラン麻酔前および麻酔中のビン化された発火活動。 ヒートマップは、1分間隔で64個の単一ニューロンが発火した活動電位の数を表します。単一のニューロンには、プローブの軌道再構成に基づいて起源の構造が割り当てられました。白い破線はセボフルラン投与の開始、n = 4マウスを示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図8:セボフルラン麻酔中のvlPAGニューロンの発火の廃止。 (A)各マウスの麻酔前および麻酔中に発火された活動電位の平均数。(B)各vlPAGニューロンによって発火される活動電位の数(B)。対応のある t-スチューデント検定、**P = 0.0036、 P = 0.0053。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図9:ヘッドプレートの不均一な配置がプローブの軌道にどのように影響するかの例(A)マウスヘッド上のヘッドプレートの不均一な配置。(B,C) マウス頭部へのヘッドプレートの不均一な配置により意図しない中側方向の角度が生じる、レンダリングされたプローブ軌道によるマウス脳の3D再構築。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
脳幹核は、呼吸、意識、睡眠などの基本的な機能を媒介する26,27,28。脳幹の位置(深部および後部)は、標準的な技術を使用してin vivoでそのニューロン活動を研究する上で課題となります。ここでは、頭部固定マウスでの再現性のある単一ユニット記録を可能にするために、角度付き前方アプローチが示されています。
多電極シリコンプローブを慎重に挿入することは、主要な血管への損傷を回避しながら、レム睡眠に関連する脳幹構造を一貫して標的にするために重要です。エントリー13の最適な座標と軌道を解決するには、かなりの程度の精巧さ、集中力、忍耐力が必要です。
プローブの軌道が角度付きで、深部構造物をターゲットとするのに必要な距離のため、座標やヘッドプレートの位置にわずかな不一致があるだけでも、ターゲット構造が見落とされる可能性があります。ヘッドプレートの埋め込み時には、BregmaとLambdaが同じレベルにあり、それらの間の距離が正確に測定されることが不可欠です。特に、手術は定位固定装置で行われ、記録は別の電気生理学装置で行われるため、ヘッドプレートを水平な頭蓋骨に固定することが重要です。追加の角度(つまり、傾いた頭)を導入すると、エラーのリスクが高まり、これは小さくて深い脳構造で特に高くなります(図9)。
シリコンプローブは壊れやすいため、脳の表面から硬膜を取り除き、骨片が頭蓋窓を塞いでいないことを確認することが重要です。硬膜の除去後に軽い出血が発生する可能性があるため、プローブが曲がる原因となる可能性のある凝固した血液を開頭術の表面から取り除くことが重要です。シリコンプローブを脳に挿入するのが難しい場合(プローブが曲がっているなど)は、硬膜が残っているか、または脳の表面が乾燥していないかを確認することが重要です。ヒト27では、血管に近い領域は硬膜が厚く、マウスでも同様の問題が見られ、血管を破裂させずに硬膜を切除することが困難な場合がある。硬膜を慎重に除去すると、通常、プローブの挿入はスムーズになりますが、挿入角度が大きくなると、さらに困難になる可能性があります。
記録の収量は動物間でかなり異なり、多くの変数に依存します。1つの重要な要素は、標的構造内のニューロンの密度です。ニューロン密度が低い領域(例:皮質)は、記録された単一ニューロンの収量が低くなる傾向があります。さらに、脳表面の下の血管の破裂などの組織損傷は、ニューロンの死または損傷につながる可能性があり、収量21,29をさらに減少させます。また、録音の品質も重要で、録音の品質が高いほど、単一のニューロンを識別しやすくなります。また、プローブの軌道がオフターゲットの場合も、歩留まりが低下する可能性があります。このプロトコルはvlPAGでの記録用に開発されましたが、脳幹の近くの構造から記録するために使用できます。
著者は、この作品に基づく競合する金銭的利益またはその他の利益相反はありません。
図 1、 図 3、 図 4、 図 8 、 図 9 は BioRender.com を使用して作成されました。MATLAB コードのサポートとスクリプトの共有にご協力いただいた Scott Kilianski に感謝いたします。プローブ軌道の再構築に協力してくれたAnna Grace Carnsに感謝します。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 1024 チャネル RHD レコーディング コントローラー | Intan Technologies, Los Angeles, California, USA | C3008 | シリコン プローブ レコーディング; レコーディング ハードウェアとソフトウェア |
| 24 mm x 50 mm No. 1.5 VWR coverslip | VWR, Radnor, Pennsylvania, USA | 48393-081 | Histology |
| 4% PFA in PBS | ThermoFisher Scientific, Waltham, Massachusetts, USA | J61899.AK | 組織学;灌流溶液 |
| C&Bメタボン | パターソンデンタル、リッチモンド、バージニア州、米国 | 粉末:5533559、クイックベース:5533492、触媒:55335007 | ヘッドプレート&ヘッドセット移植 |
| C57 / 6Jマウス4-6週間、オスジャ | クソン研究所、バーハーバー、メイン州、米国 | 000664 | |
| Capnomac Ultima | Datex、ヘルシンキ、フィンランド | ULT-SVi-27-07 | ガス分析計 販売終了 代替ガス分析計はBionet Americaから購入できます |
| CM-DiI | ThermoFisher Scientific, Waltham, Massachusetts, USA | V22888 | シリコンプローブのコーティング用赤色蛍光染料 |
| コネクタヘッダー | DigiKey, Thief River Falls, Minnesota, USA | 1212-1788-ND | ECoG Headset |
| DAPI Fluoromount-G | SouthernBiotech, Birmingham, Alabama, USA | 0100-20 | Histology |
| iBOND Universal | Patterson Dental, Richmond, Virginia,アメリカ | 044-1113 | ヘッドプレート&ヘッドセットの埋め込み;for 頭蓋骨にステンレス鋼線を固定する |
| 低毒性シリコン接着剤 | World Precision Instruments、サラソタ、フロリダ州、米国 | KWIK-SIL | ヘッドプレート |
| マイクロマニピュレーターシステム | New Scale Technologies、ビクター、ニューヨーク、米国 | マルチプローブマニピュレーター:XYZステージアセンブリ:06464-0000、MPMシステムキット:06267-3-0001、MPM-Platform-360、MPMマニュアルアーム用MPMリング、MPM_Ring-72 DEG:06262-3-0000 | シリコンプローブの記録。脳へのプローブの挿入 |
| Microprobes | UCLA, Los Angeles, California, USA | 256 ANS, 64M | Discontinued; alternative silicon probes can be purchased from Neuropixels |
| Mineral Oil | Sigma Aldrich, Saint Luis, Missouri, USA | M8410-100ML | Silicon probe recording; preventing the tissue from dry during the |
| recording 生理食塩水 | ThermoFisher Scientific, Waltham, Massachusetts, USA | Z1376 | ヘッドプレート&ヘッドセットの埋め込み;手術中の脳の乾燥を防ぐ |
| PFAコーティングされたステンレス鋼線-直径0.008インチ ストライプエンドでコーティング | AMシステム、スクイム、ワシントン州、米国 | 791400 | ECoG用ヘッドセット&参照電極 |
| プラチナ線 24AWG | World Precision Instruments, Sarasota, Florida, USA | PTP201 | シリコンプローブ記録用参照電極 |
| Shandon Colorfrost Plus顕微鏡スライドThermoFisher | Scientific、ウォルサム、マサチューセッツ州、米国 | 99-910-01 | 学 |
| ステンレス鋼ヘッドプレート | スターラピッド、中国 | カスタムメイドパーツ | ヘッドプレート&ヘッドセットの埋め込み;ご要望に応じて利用可能なデザイン |
| 脳定位固定装置 | KOPF、カリフォルニア州ツジュンガ、米国 | モデル940 デジタルディスプレイコンソール付き小動物定位固定装置器具 | ヘッドプレート&ヘッドセットの埋め込み |
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