Het protocol omvat de productie van transducers, parameterrapportage, chirurgische ingrepen en signaalregistratie voor de volledige operationele workflow van gelijktijdige gefocusseerde ultrasone neuromodulatie en vezelfotometrie-opname bij vrij bewegende muizen.
Methodenartikel
Gelijktijdige gefocusseerde ultrasone neuromodulatie en opname van vezelfotometrie in vrij bewegende muizen
* These authors contributed equally
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Focused ultrasound neuromodulation (FUN) vertegenwoordigt een veelbelovende benadering voor niet-invasieve verstoring van neuronale circuits in diepe hersengebieden. Het is compatibel met de meeste bestaande modaliteiten voor het monitoren van hersenfuncties in vivo. Integratie met modaliteiten voor het registreren van hersenfuncties stelt ons niet alleen in staat om ordeningen en stoornissen van specifieke hersenfuncties aan te pakken met closed-loop feedback, maar biedt ons ook mechanistische inzichten over FUN zelf. Hier bieden we een aangepast, eenvoudig, betrouwbaar en robuust protocol voor de gelijktijdige toepassing van FUN- en vezelfotometrie GCaMP6s-fluorescentieregistratie in vrij bewegende muizen. Dit omvat de fabricage van een enkele transducer van goede grootte en de tijdelijke plaatsing ervan op de muizen, samen met de veilige bevestiging van een glasvezelimplantaat om de soepele doorgang van de transducer te vergemakkelijken. De combinatie van FUN en vezelfotometrie zorgt voor de optische registratie van neurale circuitreacties op FUN in real-time in diepe hersengebieden. Om de efficiëntie van dit protocol aan te tonen, werden Thy1-GCaMP6s-muizen als voorbeeld gebruikt om de neuroactiviteit in de voorste thalamische kern tijdens FUN vast te leggen terwijl de muizen vrij bewegen. Wij zijn van mening dat dit protocol het wijdverbreide gebruik van FUN in zowel de neurowetenschappen als de biomedische echografie kan bevorderen.
Inleiding
Focused ultrasound neuromodulation (FUN) is naar voren gekomen als een veelbelovend en veelzijdig neuromodulatie-instrument, dat de verkenning van hersenfunctie en -organisatie met groot potentieel mogelijkmaakt1. FUN is in staat om akoestische energie niet-invasief af te geven aan elke positie in het hersenweefsel met uiterste precisie2. Het vermogen om neuroactiviteit in de diepe hersenstructuur, met een hoge spatiotemporele specificiteit, op een veilige en niet-invasieve manier tijdelijk en reversibel te moduleren, is een aantrekkelijk kenmerk dat een aanvulling vormt op de bestaande klinische neuromodulatietechniek3. Demonstratie van effectief FUN is bevestigd bij zowel menselijke proefpersonen 4,5,6 als in verschillende diermodellen, waaronder kleine 7,8,9,10 en grote soorten 11,12,13,14,15,16,17.
Door het effect van FUN op specifieke neurale typen te observeren door middel van neuroactiviteitsmonitoring tijdens FUN, kunnen we ons verdiepen in het mechanisme achter dit proces18,19. Vezelfotometrie op basis van genetisch gecodeerde calciumindicatoren (GECI's) is in het afgelopen decennium op grote schaal gebruikt als een veelzijdige methode voor het volgen van celtype-specifieke populatieactiviteit in vivo 20,21,22,23,24. Daarom kan de gelijktijdige toepassing van FUN en vezelfotometrie ons uitgebreide begrip van FUN aanzienlijk verrijken. Desalniettemin vereist het gebruik van omvangrijke enkele transducers fixatie op een frame, terwijl dieren anesthesie moeten ondergaan en geïmmobiliseerd moeten worden in een stereotaxisch frame 7,19,25,26. Deze benadering is mogelijk niet geschikt voor bepaalde soorten experimenten met betrekking tot perceptie, cognitie en gedragsevaluatie. Het is van cruciaal belang om een protocol op te stellen dat de samensmelting van FUN en vezelfotometrie vergemakkelijkt zonder de mobilisatie van de muizen te belemmeren7.
In deze studie presenteren we een verfijnd protocol dat in onze eerdere studies werd gebruikt om de methode voor het maken van een enkele transducer en de tijdelijke fixatie ervan op de muizen naadloos en gracieus aan te vullen, evenals de veilige fixatie van een glasvezelimplantaat om de soepele doorgang van de transducer te vergemakkelijken 7,19,26. Het stelt onderzoekers in staat om de neuroactiviteit vast te leggen die wordt gemoduleerd door echografie bij ongeremde muizen. We hebben gekozen voor een gladdere envelop, zoals een sinusvormige envelop, om de auditieve verwarring te verminderen27. De haalbaarheid van dit protocol wordt bevestigd door de gelijktijdige registratie van neuroactiviteit in de voorste thalamische kern van vrij bewegende muizen tijdens FUN. Het toont aan dat de energie van de transducer voldoende is om neuromodulatie te bereiken, en de fixatiemethoden voor het optische vezelimplantaat en de transducer kunnen hun stabiliteit garanderen.
Protocol
Alle procedures en behandeling van dieren voldeden aan de ethische richtlijnen van de NSFC en de goedgekeurde protocolvereisten van het Institutional Animal Care and Use Committee van het Guangdong Institute of Intelligence Science and Technology.
1. Voorbereiding van de transducer
- Bereid een piëzo-elektrische plaat voor met een binnendiameter van 3 mm, een buitendiameter van 7 mm en een middenfrequentie van 500 kHz.
OPMERKING: De buitendiameter kan worden aangepast op basis van het specifieke hersengebied waarop het doelwit is en moet worden gemaximaliseerd met behoud van stimulatienauwkeurigheid en zonder de grens van de muizenschedel te overschrijden. - Bevestig de draad aan de twee zijden van de piëzo-elektrische plaat met behulp van epoxyzilverpasta (Figuur 1). Nadat de epoxyzilverpasta is gestold, gebruikt u een multimeter om de weerstand aan beide uiteinden van de draad te meten om er zeker van te zijn dat deze ongeveer 0 is.
- Breng een laag dubbelzijdige tape aan op een schoon oppervlak van een glasplaat. Plak de piëzo-elektrische plaat en koperen ring, met een hoogte van 8 mm, een buitendiameter van 8 mm en een binnendiameter van 7,6 mm, stevig vast aan de glasplaat.
NOTITIE: De binnendiameter van de koperen ring wordt bepaald door de grootte van de piëzo-elektrische plaat om ervoor te zorgen dat de plaat wordt bedekt door de koperen ring. - Steek de polypropyleen buis met een buitendiameter van 3 mm stevig in het midden van de piëzo-elektrische plaat en bevestig deze stevig aan de glasplaat (Figuur 1).
- Bereid een geschikte hoeveelheid epoxyharslijm voor en stofzuig deze. Extraheer de epoxy met behulp van een wegwerpspuit en injecteer deze langzaam in de koperen ring. Wacht ongeveer 10 uur tot de epoxy is gestold (Figuur 1).
- Soldeer de losse uiteinden van twee draden met een elektronische soldeerbout op de bajonetmoerconnector. Verwijder de glasplaat. Reinig het oppervlak van de transducer met alcohol (Figuur 1).
2. Rapportageparameters voor FUN
- Plaats de hydrofoon en transducer in een watertank gevuld met gedeïoniseerd water (Figuur 2A). Zorg ervoor dat de centrale balk (Z-as) van het positioneringssysteem is uitgelijnd met de as van de transducer. Deze uitlijning kan worden bereikt door ten eerste een maximaal veld in het brandpuntsvlak te ontdekken door middel van 2D-scannen; ten tweede, het identificeren van een veldmaximum in een ander vlak met een duidelijk maximum; ten derde, het vergelijken van de X- en Y-coördinaten van de twee maxima en vervolgens iteratief de positie en/of oriëntatie van de transducer aanpassen indien nodig28.
- Stel de punt van de hydrofoon af met het oppervlak van de transducer op een afstand van 1 mm en houd deze afstand constant terwijl u de hydrofoon in het midden van de rechterrand van de transducer plaatst. Start het scanprogramma om het vrije akoestische veld in het XZ-vlak vast te leggen (Figuur 2B).
OPMERKING: De constructiemethode van de hydrofoon is te vinden op https://github.com/HQArrayLab/Hydrophone_system_control. - Beweeg de hydrofoon langs de Z-as om de diepten te bepalen die horen bij de ruimtelijke piekdruk. In dit experiment verschijnt de ruimtelijke piekdruk op een afstand van 3,4 mm van het oppervlak van de transducer; houd deze afstand aan wanneer u de hydrofoon naar de rechterbenedenhoek van de transducer op het XY-vlak verplaatst. Schakel het scanprogramma in en start het om het vrije akoestische veld in het XY-vlak vast te leggen (Figuur 2B).
- Plaats de transducer op de schedel van een muis die een operatie heeft ondergaan zoals beschreven in stap 4. Verkrijg het transcraniële akoestische veld op het XZ-vlak en het XY-vlak (Figuur 2D) door middel van hydrofoonscanning zoals beschreven in 2.1-2.3.
- Lees de drukamplitudes af in het brandpunt, het ruimtelijke piekgebied in het vrije akoestische veld en het transcraniële akoestische veld. De drukamplitude in het brandpunt in het vrije akoestische veld is 730 k Pa en in het transcraniële akoestische veld is 580 k Pa. Lees de brandpuntsafstanden bij -3 dB (Figuur 2C, E) en de positie op de XY- en XZ-vlakken binnen het transcraniële akoestische veld om te beoordelen of het akoestische veld van deze transducer de doelhersengebieden kan bestrijken.
- Bereken de mechanische index (MI), die door de FDA-richtlijnen wordt beperkt tot minder dan 1,9 om cavitatie te verminderen. De berekening van MI wordt gegeven door de vergelijking:
(1)
waarbij pr,.3 de piek-zeldzame druk in MPa vertegenwoordigt, gecorrigeerd met een verzwakkingscoëfficiënt van 0.3 dB cm-1 MHz-1, en f0 de werkfrequentie in MHz is. De gemeten piekdruk in de zeldzame fredelijkheid van het transcraniële veld is 580 kPa, 3,4 mm van de transducer, de f0 is 500 kHz, dus de verlaagde pr,.3 is 576,6 kPa. De MI is 0,82. - Bereken de gemiddelde intensiteit van de ruimtelijke-piekpuls (Isppa), die volgens de FDA-richtlijnen lager moet zijn dan 190 W/cm2 in de vlakke richting. De berekening van de intensiteit wordt gegeven door de vergelijking:
(2)
waarbij psp (t) de in de tijd variërende akoestische druk op de ruimtelijke pieklocatie is, is Z de karakteristieke akoestische impedantie van het medium (ongeveer 1.5 x 106 Rayls voor zacht weefsel), en PD is de pulsduur. In het geval van de vierkante envelop komt dit neer op de vergelijking:
(3)
waarbij A de amplitude van de ruimtelijke-piekdruk is. De A gemeten op de ultrasone gefocusseerde locatie is 580 kPa en de Z van de hersenen is ongeveer 1,58 x 106 Rayls, dus de Isppa van de vierkante envelop is 10,65 W/cm2 en de Isppa van de sinusvormige envelop is 10,65 W/cm2. - Bereken de gemiddelde intensiteit van de ruimtelijke-piektijd (Ispta), die door de FDA-richtlijnen wordt beperkt tot minder dan 430 mW/cm2 in de vlakke richting. De berekening van de intensiteit wordt gegeven door de vergelijking:
(4)
waarbij T de tijdsperiode is waarover het gemiddelde wordt berekend. In het geval van de vierkante envelop komt dit neer op de vergelijking:
(5)
waarbij deDC-pulstrein de inschakelduur van de puls is. Hier is de DC-pulstrein 1% omdat er continue golven zijn gebruikt, dus de Ispta is gelijk aan de ruimtelijke-piekpuls-gemiddelde intensiteit, 106,5 mW/cm2 voor een vierkante envelop. De MI, Isppa en Ispta kunnen worden berekend met behulp van de software (Figuur 3A). Een op MATLAB gebaseerde code voor eenvoudig gebruik is te vinden op https://github.com/HQArrayLab/Ultrasound_Parameter_Caculation. - Rapporteer de pulstimingparameters, waaronder Amax, pulsduur, pulsherhalingsinterval, pulstreinduur en envelop (Afbeelding 3B).
3. Het dier voorbereiden op de operatie
- Weeg 8 weken oude mannelijke GCaMP6s transgene muizen, met een gewicht van ongeveer 20 g. Bereid een oplossing met ketamine van 10 mg/ml en xylazine van 2 mg/ml in steriele zoutoplossing. Dien de ketamine/xylazine-oplossing toe via intraperitoneale injectie in een dosering van 100 mg/kg ketamine en 20 mg/kg xylazine met behulp van een naald van 26 g en een wegwerpspuit van 1 ml. Begin met chirurgische voorbereiding zodra het dier niet meer reageert op pijnlijke prikkels, zoals het knijpen van de teen.
- Gebruik een fader om het haar op de kop van het dier te trimmen en desinfecteer het gebied met 70% ethanol en povidonjodium voorafgaand aan de chirurgische ingreep.
- Plaats de muis in buikligging op het stereotaxische frame en zorg ervoor dat de schedel waterpas is. Breng een beschermende oogzalf aan op de ogen van het dier om vocht vast te houden.
4. Chirurgische ingreep
- Maak een incisie langs de sagittale hechting, beginnend bij het achterhoofdsbeen tot het begin van het neusbeen. Gebruik een chirurgische schaar om de huid die beide hemisferen bedekt te verwijderen.
- Gebruik steriele zoutoplossing om de schedel te reinigen en eventueel achtergebleven periosteum te verwijderen.
- Breng 3% waterstofperoxide aan op de blootgestelde schedel met behulp van een wattenstaafje gedurende ongeveer 2 s-3 s om microporiën te creëren. Spoel grondig af met steriele zoutoplossing en zorg ervoor dat het gebied volledig droog is.
- Maak een craniotomie met een braamgat met een diameter van 0,6 mm met behulp van een steriele, geautoclaveerde boor boven de locatie van het hersengebied, zoals bepaald door de stereotaxische atlas die is uitgelijnd met bregma en lambda. Spoel al het vuil weg met steriele zoutoplossing en zorg voor een grondige droging. Pas op dat u geen weefsel beschadigt.
- Steek de glasvezelhuls (implantaat) in de sondehouder en sluit deze aan op de stereotaxische arm.
- Lijn het implantaat direct boven het interessegebied uit met behulp van de stereotaxische arm. Wanneer u de optische vezel in het hersenweefsel inbrengt, beweegt u de vezel langzaam vooruit met een snelheid van ongeveer 2 mm/min.
- Meng het tandheelkundig cement om een viscositeit te bereiken die gemakkelijk over de schedel kan worden aangebracht. Gebruik een steriele tandenstoker om een dunne laag tandheelkundig cement over de schedel en op het onderste deel van het implantaat te smeren. Laat het volledig drogen.
- Maak de sondehouder voorzichtig los. Bereid een polypropyleen buis voor met een hoogte van 3 mm, een buitendiameter van 3 mm en een binnendiameter van 2,6 mm en snijd de buis vervolgens over de hele lengte door.
- Bevestig de buis met een pincet aan de onderkant van het implantaat. Giet het tandheelkundig cementpoeder in de buis en zorg voor voldoende lengte boven het implantaat om het optische vezelsignaal op te nemen. Voeg de benodigde vloeistof toe en laat het tandcement een paar minuten stollen.
- Zoek de opening van de pijp en klem deze voorzichtig vast om de pijp te verwijderen met een pincet. Bereid het tandheelkundig cementmengsel voor op het aanbrengen en zorg ervoor dat een gelijkmatige en dunne laag over de schedel wordt verspreid. Bedek zoveel mogelijk oppervlak op de schedel met tandheelkundig cement. Wacht een paar minuten totdat het tandheelkundig cement is gestold.
NOTITIE: Laat het tandcement niet in contact komen met de huid van de muis. - Boor drie gaten (1 mm diameter) in de 3D-geprinte ring, gelijkmatig verdeeld over de horizon, met een hoogte van 7 mm, een buitendiameter van 10 mm en een binnendiameter van 8,4 mm. Bevestig de schroeven (1 mm lengte) in hun respectievelijke gaten.
- Steek de bovenkant van het implantaat in het gat van de vooraf vervaardigde transducer. Zorg ervoor dat de binnenwand van de 3D-geprinte ring glad is en plaats deze vervolgens rond de transducer die op de schedel van de muis is geplaatst. Zorg ervoor dat de transducer gecentreerd is in de ring.
- Breng tandheelkundig cement aan op de overgang tussen de ring en de schedel en wacht vervolgens een paar minuten totdat het tandcement is gestold. Plaats het tandheelkundig cement niet op de verbinding tussen de transducer en de schedel.
- Verwijder de transducer voorzichtig en draai de schroeven stevig vast. Breng de muis over naar een warme kooi en zorg ervoor dat deze wordt bewaakt totdat deze volledig is hersteld voordat u hem terugplaatst in zijn oorspronkelijke kooi.
- Dien na de operatie subcutaan Carprofen (2 mg/kg) toe voor analgesie en ga elke 24 uur gedurende 3 dagen door om ontstekingen en pijn te beheersen. Controleer de dieren dagelijks op tekenen van angst, abnormaal gewichtsverlies, pijn of infectie. Normaal gesproken zouden alle muizen op de3e dag na de operatie normaal gedrag moeten vertonen. Als er na de 3edag tekenen van angst of ziekte worden waargenomen bij een muis, volg dan de institutionele richtlijnen voor euthanasie.
5. Stimulatie en signaalregistratie
- Schakel 7 dagen na de operatie de zuurstoftoevoer naar het gasanesthesieapparaat in en stel de zuurstofstroomregelaar in om de gasstroom in te stellen op 300-500 ml/min.
- Plaats de muis in de inductiekamer en sluit de toevoer van het verdovingsgas naar het masker. Draai aan de draaiknop van de verdamper om de juiste anesthesieconcentratie aan te passen (2% - 2,5%).
- Nadat de muis is verdoofd, plaatst u deze met een verdovingsmasker op het stereotaxische frame. Sluit de inductieleiding om het verdovingsgas in het verdovingsmasker te laten stromen. Pas de juiste concentratie van de onderhoudsanesthesie aan (1%-1,5%).
- Reinig het bovenoppervlak van het implantaat met alcohol en steek vervolgens het glasvezelpatchkoord in het midden van de voorbereide transducer.
- Injecteer water in de ruimte tussen het implantaat en de 3D-geprinte ring met behulp van een naald van 26 G en een wegwerpspuit van 1 ml om de schedel te bevochtigen. Gebruik keukenpapier om overtollig water te absorberen.
- Injecteer een koppelingsmiddel in de ruimte tussen het implantaat en de 3D-geprinte ring met behulp van een naald van 26 G en een wegwerpspuit van 1 ml om de gemakkelijke verspreiding van ultrageluid van de transducer naar de hersenen te vergemakkelijken.
- Sluit het implantaat aan op het glasvezelkoord. Steek de transducer voorzichtig in het gebied dat is gevuld met een koppelingsmiddel en draai de schroeven stevig vast.
- Plaats de muis in een open veld en laat hem ontwaken. Sluit de transducer aan op het ultrasone excitatiesysteem en sluit de glasvezelpatchkabel aan op het optische vezelopnamesysteem, waardoor de muis bewegingsvrijheid krijgt.
LET OP: Het glasvezel patchsnoer heeft een lengte van 2m en een diameter van 1,25 mm. De lichtintensiteit voor kanaal 405 is 20 μW en voor kanaal 470 is 40 μW. - Activeer zowel het ultrasone excitatieapparaat als het optische vezelopnamesysteem om ultrasone neurale modulatie te synchroniseren met de opname van optische vezelsignalen.
Resultaten
De akoestische drukverdeling in het vrije akoestische veld op het XY-vlak en het XZ-vlak op 3,4 mm afstand van het transduceroppervlak, overeenkomend met de positie van de voorste thalamische kern van de muis, wordt weergegeven in figuur 2B,C. Deze metingen werden verkregen door middel van hydrofoonscanning in het XY-domein en het XZ-domein. De akoestische drukverdeling in het transcraniële akoestische veld op het XY-vlak en het XZ-vlak op 3,4 mm afstand van het transduceroppervlak wordt weergegeven in figuur 2D,E. De gemeten vrije akoestische druk is 730 kPa en de gemeten transcraniële akoestische druk is 580 kPa voor een middenfrequentie van 500 kHz. De gemeten dikte van de schedel is gemiddeld ongeveer 0,2 mm. We gaan ervan uit dat de dispersierelatie ongeveer lineair is, dus de schedel heeft een verzwakkingscoëfficiënt van 19,98 dB/cmMHz. De lichtgewicht transducer, met een gewicht van ongeveer 1,66 g, zorgt ervoor dat de muis gemakkelijk kan bewegen, waardoor het reactiegedrag van de muis onder FUN en het bewegingsspoor gemakkelijker kan worden waargenomen.
De optische vezelsignalen werden opgenomen onder FUN (Figuur 4B,D), waarbij de envelop respectievelijk vierkant en sinusvormig was. Vijf mannelijke muizen werden gebruikt in het experiment. Het vierkant duurde 300 ms, terwijl het continue sinusvormige 471 ms duurde, wat ervoor kan zorgen dat de totale energie hetzelfde is in twee verschillende FUN's (Figuur 4A,C). Een verbetering van het signaal van de optische vezel duidt op een toename van de neurale activiteit. De neurale respons is snel onder de FUN, wat suggereert dat de transducer voldoende energie en uitstekende scherpstelmogelijkheden heeft.
Figuur 1: Productieproces van de transducer. Dit houdt op zijn beurt in dat een piëzo-elektrische plaat aan een draad wordt bevestigd en vervolgens wordt verpakt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Afbeelding 2: Instelling en karakterisering van ultrasone veldmeting voor ultrasone transducer. (A) De opstelling voor ultrasone veldmeting omvat een hydrofoon, motorsysteem, besturingssoftware, signaalgenerator en oscilloscoop. (B, D) Schematisch diagram van ultrasone transducermetingen in vrije en transcraniële akoestische velden en de resultaten van transversale en longitudinale geluidsveldmetingen. (C, E) Diagram van het transversale geluidsveld op de brandpuntspositie van de transducer, waarbij de rode lijn het geluidsveld aangeeft op de positie van -3 dB. (F, G) Golfvormdiagram van de output gemeten door de hydrofoon voor de transducer. Het gebied binnen het rode gestippelde vak en het gebied binnen het blauwe gestippelde vak vertegenwoordigen respectievelijk de perioden voordat de golfvorm een stabiele amplitude bereikt en de belperiode van de transducer aan het einde. Het gebied binnen het oranje gestippelde vak vertegenwoordigt het stabiele deel van de golfvorm, dat wordt gebruikt voor het berekenen van de drukamplitude, genoteerd als p. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Berekeningssoftware en ultrasone parameter. (A) Een zelfgemaakte interface voor de berekening van ultrasone parameters. MI, Isppa, en Ispta werden berekend. De interface kon worden verkregen van https://github.com/HQArrayLab/Ultrasound_Parameter_Caculation. (B) Schema's van ultrasone drukgolfvormen. Er wordt gebruik gemaakt van een sinusvormige pulsenvelop en een rechthoekige pulsenvelop. De punt (T) vertegenwoordigt de duur van een enkele cyclus van de bedrijfsfrequentie. Een puls, bekend als een enkele continue sonicatie, duurt gedurende een bepaalde duur die de pulsduur (PD) wordt genoemd. Doorgaans worden pulsen herhaald in een reeks die bekend staat als een pulstrein. Het tijdsinterval tussen twee opeenvolgende pulsen in een pulstrein wordt het pulsherhalingsinterval (PRI) genoemd, berekend als het omgekeerde van de pulsherhalingsfrequentie (PRF). De hele opeenvolging van pulsen, bekend als de pulstrein, heeft een specifieke duur die bekend staat als de pulstreinduur. De intervaltijd betekent de duur van een enkele proef. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Signaal van vezelfotometrie tijdens FUN. (A, C) Ultrasone parameters omhuld door vierkant (B) en sinusvormig (D). (B, D) Het vezelfotometriesignaal respectievelijk tijdens FUN van (A) en (C). De groene schaduw is de duur van FUN. De ononderbroken lijn is het gemiddelde en de tinten blauw en rood zijn het gemiddelde en de standaarddeviatie van de opgenomen signalen. Vijf mannelijke muizen werden gebruikt in het experiment. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Discussie
Deze aanpak combineert FUN met optische fotometrie-opname, waardoor de hersenfunctie van muizen en het in vivo FUN-mechanisme kunnen worden onderzocht. Het volledige operationele proces, van de fabricage van de transducer tot chirurgische ingrepen, wordt geschetst, waardoor onderzoekers zelfstandig FUN van buiten het veld kunnen uitvoeren.
Een cruciaal aspect van het protocol is ervoor te zorgen dat het optische implantaat soepel in de transducer wordt ingebracht, dat het tandcement over de schedel dun genoeg is voor ultrasone penetratie in de hersenen, dat het optische implantaat stevig is aangesloten op de schedel om te voorkomen dat het tijdens het experiment losraakt, en dat de energie-output van de transducer voldoende is voor effectieve neuromodulatie. De dikte van het tandheelkundig cement rond het implantaat moet gelijk zijn aan of kleiner zijn dan de diameter van het transducergat. Daarom is het raadzaam om dezelfde polypropyleen buis te gebruiken voor zowel het fabricageproces van de transducer als de chirurgie. Omdat polypropyleen buis niet hecht aan tandheelkundig cement, is ervoor gekozen om het tandheelkundig cement rond het implantaat te vormen, met een zijsnede, om het gemakkelijk verwijderen van de polypropyleen buis te vergemakkelijken.
Elektrofysiologische registratie en optische fotometrie-opname zijn veelgebruikte technologieën voor het monitoren van hersenactiviteit in vivo, met een hoge temporaal-ruimtelijke resolutie. Elektrofysiologische registratie vangt echter het signaal van de vuuractiviteit op van neuronen die rechtstreeks aan de elektroden zijn bevestigd. De ultrasone golven kunnen de elektroden direct laten trillen, waardoor onnodige verstorende effecten worden veroorzaakt. Gelukkig vangt de vezelfotometrietechnologie, die minder invasief is, de activiteit van neuronen eronder op, wat het verstorende effect van ultrasone trillingen op het implantaat zou kunnen verminderen 7,19,26. Als gevolg hiervan maakt de technologie van gelijktijdige gefocusseerde ultrasone neuromodulatie en vezelfotometrie-opname bij vrij bewegende muizen de studie van in vivo mechanismen van ultrasone neuromodulatie mogelijk en maakt het de observatie van de gedragsreacties van de muizen mogelijk zonder de tussenkomst van anesthesie.
De ruimtelijke resolutie van vezelfotometrie is echter beperkt omdat het niet in staat is om de activiteit van subcellulaire en microschakelingen te bewaken24. Bovendien biedt het een indirecte weergave van neuronale activiteit, aangezien het de elektrische signalen die door neuronale activiteit worden geproduceerd, niet direct registreert.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben geen belangenconflicten bekend te maken.
Dankbetuigingen
Dit werk wordt gedeeltelijk ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (32371151), Guangdong High Level Innovation Research Institute (2021B0909050004), het Hong Kong Research Grants Council Collaborative Research Fund (C5053-22GF), General Research Fund (15224323 en 15104520), Hong Kong Innovation Technology Fund (MHP/014/19), interne financiering van de Hong Kong Polytechnic University (G-SACD en 1-CDJM), en de Natural Science Foundation van de provincie Liaoning - Joint Open Fund van het State Key Laboratory of Robotics (2022-KF-22-03). De auteurs willen de faciliteit en technische ondersteuning van de University Research Facility in Life Sciences (ULS) en de University Research Facility in Behavioral and Systems Neuroscience (UBSN) van de Hong Kong Polytechnic University bedanken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 1ml wegwerpspuit | DOUBLE-DOVE | 1ml | Injectienaalden |
| 26-gauge naald | Jin mao | JM-J02 | Voorbereidingsnaalden |
| 70% ethanol | Dong de alcohol | 0.7 | Desinfecteren |
| alcohol | Dong de alcohol | 0.75 | Reinigen van de transduceroppervlakte |
| Bayonet Nut Connector | Risym | 75-5 | Het andere uiteinde van de verbindingsdraad is verbonden met het ultrasone excitatieapparaat |
| koperen ring | Guowei Metal Materials | Buitendiameter, wanddikte, hoogte (8mm, 0,2mm, 8mm) | De buitenste beschermende behuizing van de transducer |
| wegwerpspuit | DOUBLE-DOVE | 1ml | Het inademen van epoxyhars maakt het mogelijk om nauwkeurige kleine hoeveelheden in de koperen buis te injecteren |
| dubbelzijdig plakband | 3M | 3M55236 | Het wordt gebruikt om de transducer en de draad te bevestigen om ervoor te zorgen dat de epoxy zilverlijm niet beweegt voordat deze droogt |
| elektronische soldeerbout | Victor | 868A+ | De gesoldeerde draden worden verbonden met de BNC |
| epoxyharslijm | Kraft | K 9741 | De achterkant van de transducer afdichten |
| epoxy zilverpasta | Vonroll | CB-052 | De draad wordt bevestigd aan de positieve en negatieve polen van de piëzo-elektrische keramische plaat en de weerstand wordt laag gehouden |
| fader | JOQO | YP-7021 | Verwijder de kop van de muis |
| gasanesthesieapparaat | RWD | R500 | Het wordt gebruikt voor anesthesie bij muizen |
| glasplaat | Vierkante glas | 80mm*80mm | Een tijdelijke werkoppervlak voor het plaatsen van piëzo-elektrische keramiek en draden kan worden gebruikt om het oppervlak van de glazen plaat te coaten met dubbelzijdig plakband |
| ketamine/xylazine | Shutai/shengxin | Zoletil 50/2ml*10 | De muis anesthetiseren |
| medisch koppelmiddel | Bestman | 120g | De koppelstof fungeert als een medium om het ultrasone signaal te geleiden |
| muis | Bai shi tong | GCaMp6 | Proefdier |
| oftalmische zalf | Yun Zhi | 0,5% x 2,5 g x1 | Bevochtigt het ooggebied om blindheid te voorkomen |
| piëzo-elektrische plaat | Jiaming Electronics Factory | Diameter, poriën, dikte (7mm, 3mm, 3,56mm) | De elektrische energie wordt uitgezonden in de vorm van ultrageluid |
| polypropyleen buis | Baihao Pipe Factory | Buitendiameter, binnendiameter, lengte (3mm, 2mm, 500mm) | Voorkomen dat de epoxyhars de gaten verstopt en de gaten verlaat |
| povidon-jodium | lefeke | 500ml | Desinfecteren |
| signaalrecord van vezel | Thinker Tech Nanjing Biotech | Driekleurig eenkanaals vezeloptisch opnamesysteem | Vezelfotometriese signalen opnemen |
| stereotactisch frame | RWD | 68805 | Bevestig het hoofd van de muis en lokaliseer het hersengebied |
| steriele zoutoplossing | Shijiazhuang si yao | 500ML,4,5g | Als oplosmiddel, lost het medicijn op |
| stimulatie van ultrageluid | Deep Brain Technology | DB-USNM | Biedt stabiele invoer naar de transducer |
| weegmachine | Qin bo shi | 1718 | De muis wegen |
| draad | Jinpeng Cable Factory | 0,3mm2 | Spanning wordt geleverd aan de transducer |
Referenties
- Wang, J. B., et al. Focused ultrasound for noninvasive, focal pharmacologic neurointervention. Front Neurosci. 14, 514541(2020).
- Bystritsky, A., et al. A review of low-intensity focused ultrasound pulsation. Brain stimulation. 4 (3), 125-136 (2011).
- Di Ianni, T., et al. High-throughput ultrasound neuromodulation in awake and freely behaving rats. Brain stimulation. 16 (6), 1743-1752 (2023).
- Legon, W., et al. Transcranial focused ultrasound modulates the activity of primary somatosensory cortex in humans. Nat Neurosci. 17 (2), 322-329 (2014).
- Badran, B. W., et al. Sonication of the anterior thalamus with mri-guided transcranial focused ultrasound (tfus) alters pain thresholds in healthy adults: A double-blind, sham-controlled study. Brain stimulation. 13 (6), 1805-1812 (2020).
- Yaakub, S. N., et al. Transcranial focused ultrasound-mediated neurochemical and functional connectivity changes in deep cortical regions in humans. Nat Comm. 14 (1), 5318(2023).
- Murphy, K. R., et al. A tool for monitoring cell type-specific focused ultrasound neuromodulation and control of chronic epilepsy. Proc Natl Acad Sci. 119 (46), e2206828119(2022).
- Niu, X., Yu, K., He, B. Transcranial focused ultrasound induces sustained synaptic plasticity in rat hippocampus. Brain Stimulation. 15 (2), 352-359 (2022).
- Tufail, Y., et al. Transcranial pulsed ultrasound stimulates intact brain circuits. Neuron. 66 (5), 681-694 (2010).
- Yang, Y., et al. Induction of a torpor-like hypothermic and hypometabolic state in rodents by ultrasound. Nat Metabol. 5 (5), 789-803 (2023).
- Kubanek, J., et al. Remote, brain region-specific control of choice behavior with ultrasonic waves. Sci Adv. 6 (21), 4193(2020).
- Deffieux, T., et al. Low-intensity focused ultrasound modulates monkey visuomotor behavior. Curr Biol. 23 (23), 2430-2433 (2013).
- Gaur, P., et al. Histologic safety of transcranial focused ultrasound neuromodulation and magnetic resonance acoustic radiation force imaging in rhesus macaques and sheep. Brain stimulation. 13 (3), 804-814 (2020).
- Fouragnan, E. F., et al. The macaque anterior cingulate cortex translates counterfactual choice value into actual behavioral change. Nat Neurosci. 22 (5), 797-808 (2019).
- Folloni, D. Ultrasound neuromodulation of the deep brain. Science. 377 (6606), 589-589 (2022).
- Verhagen, L., et al. Offline impact of transcranial focused ultrasound on cortical activation in primates. Elife. 8, e40541(2019).
- Yang, P. -F., et al. Neuromodulation of sensory networks in monkey brain by focused ultrasound with mri guidance and detection. Sci Rep. 8 (1), 7993(2018).
- Yu, K., Niu, X., Krook-Magnuson, E., He, B. Intrinsic functional neuron-type selectivity of transcranial focused ultrasound neuromodulation. Nat Comm. 12 (1), 2519(2021).
- Zhu, J., et al. The mechanosensitive ion channel piezo1 contributes to ultrasound neuromodulation. Proc Natl Acad Sci. 120 (18), e2300291120(2023).
- Chen, T. W., et al. Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity. Nature. 499 (7458), 295-300 (2013).
- Shen, W., et al. M4 muscarinic receptor signaling ameliorates striatal plasticity deficits in models of l-dopa-induced dyskinesia. Neuron. 88 (4), 762-773 (2015).
- Dana, H., et al. High-performance calcium sensors for imaging activity in neuronal populations and microcompartments. Nat Meth. 16 (7), 649-657 (2019).
- Inoue, M., et al. Rational engineering of xcamps, a multicolor geci suite for in vivo imaging of complex brain circuit dynamics. Cell. 177 (5), 1346-1360 (2019).
- Legaria, A. A., et al. Fiber photometry in striatum reflects primarily nonsomatic changes in calcium. Nat Neurosci. 25 (9), 1124-1128 (2022).
- Kamimura, H. A., et al. Focused ultrasound neuromodulation of cortical and subcortical brain structures using 1.9 mhz. Med Phys. 43 (10), 5730-5735 (2016).
- Xian, Q., et al. Modulation of deep neural circuits with sonogenetics. Proc Natl Acad Sci. 120 (22), e2220575120(2023).
- Mohammadjavadi, M., et al. Elimination of peripheral auditory pathway activation does not affect motor responses from ultrasound neuromodulation. Brain stimulation. 12 (4), 901-910 (2019).
- Harris, G. R., et al. Hydrophone measurements for biomedical ultrasound applications: A review. IEEE Trans Ultrasonics Ferroelect Freq Cont. 70 (2), 85-100 (2022).
Herprints en machtigingen
