Naar binnendringen in de hersenen van knaagdieren: Stereotactische chirurgie
Stereotactische chirurgie is een krachtige techniek die wordt gebruikt om het brein van levende dieren te manipuleren. Het targeten van diepe hersengebieden stelt een uniek probleem, omdat het chirurgische doel meestal niet visueel kan worden gelokaliseerd. Stereotaxie of stereotactische chirurgie werd ontwikkeld om discrete hersengebieden te targeten door hun ruimtelijke relaties met zichtbare herkenningspunten te kennen. Met behulp van een driedimensionaal coördinatensysteem kunnen gereedschappen naar specifieke locaties worden geleid om hersenactiviteit te meten, een lesie te maken of genetische manipulaties uit te voeren. Deze video behandelt de principes van stereotactische chirurgie, demonstreert essentiële stappen van de procedure en bespreekt verschillende toepassingen van de techniek.
Voordat we ingaan op de procedurele details, laten we de basisprincipes en gereedschappen van de techniek bekijken. Om te beginnen, is stereotaxie afhankelijk van het lokaliseren van het doelgebied van de hersenen op een driedimensionale as. Voor dit doel wordt een stereotactische atlas gebruikt. Dit document is een 3D reconstructie van de hersenen verkregen uit serieuze secties van gekleurde hersenen.
In dit referentiekader worden ruimtelijke relaties uitgedrukt met behulp van een set van 3 assen: anterieura-posterieur, mediaal-lateraal en dorsaal-ventraal. Om de locatie van een gebied van interesse te bepalen, vindt u het juiste hersengebied in de atlas en gebruikt u het raster om de corresponderende mediolaterale en dorsoventrale coördinaten te berekenen. De anteroposterior coördinaat wordt verkregen aan de onder- of bovenkant van de pagina. Deze coördinaat wordt gemeten vanaf herkenningspunten op de schedel gevormd door de kruisingen van botplaten, die bekend staan als suturen. Het meest prominente herkenningspunt, bregma, wordt gedefinieerd als het kruispunt van de sagittale sutuur met de coronale sutuur. Het punt dat bekend staat als lambda is meer posterieur; waar de sagittale sutuur de lambdoïde sutuur kruist.
Voor nauwkeurige targeting naar de berekende locatie tijdens de operatie, wordt een apparaat gebruikt dat bekend staat als de stereotactische frame. Het frame bestaat uit het hoofdframe, de micromanipulator en de sondehouder, die is bevestigd aan de montageklem. Snijtanden en oorbars maken contact met het dier om het hoofd in een vaste positie te houden. De micromanipulator wordt gebruikt voor precieze beweging van chirurgische sondes naar vooraf bepaalde coördinaten binnen de hersenen, en is uitgerust met schuivende Vernier-schalen voor exacte afstandmetingen in alle drie dimensies.
Om een Vernier-schaal te lezen, identificeert u eerst de locatie van de 0 lijn ten opzichte van de streepjes op de rechterkant van de schaal. Deze kant van de schaal is gelabeld in stappen van 10 millimeter, zodat 1 gelijk is aan 10 en 2 gelijk is aan 20. De locatie van de 0-markering hier toont aan dat de lezing tussen 10 en 11 mm ligt. Om het eerste getal rechts van de decimale punt te bepalen, vindt u de lijn op de linkerschaal die het beste overeenkomt met een markering aan de rechterkant. Gebruik de linkerschaal om de waarde van deze markering te identificeren, wat in dit geval 9 is, waardoor de uiteindelijke lezing 10,9 mm is.
Je bent nu bekend met de basisprincipes van stereotaxie, dus laten we eens kijken hoe de chirurgische procedure wordt uitgevoerd. Voor de operatie wordt de hoofdhuid van een verdovend dier geschoren en gedesinfecteerd. Om het dier op zijn plaats te houden op de stereotactische frame, worden de oorbars voorzichtig in de oren geplaatst en worden de voortanden in de snijtanden geplaatst. Oogdruppels worden aangebracht om hoornvliesdroging tijdens de operatie te voorkomen.
Om de schedel bloot te leggen, maakt u een kleine incisie met een scalpel. Scheid het spierweefsel voorzichtig en maak het oppervlak van de schedel schoon. Gebruik vervolgens de micromanipulator om een sonde naar bregma te laten zakken en noteer de dorsoventrale coördinaat. Vervolgens de sonde verhogen en deze procedure herhalen bij lambda. Als de lambda-meting minder dan 0,1 mm van de dorsoventrale coördinaat bij bregma afwijkt, wordt de schedel als vlak beschouwd en kunt u doorgaan. Zo niet, verhoog of verlaag de snijtand en herhaal de metingen.
Nu de hersenen vlak zijn, keer terug naar bregma en noteer de medio-laterale en antero-posterior coördinaten. Op basis van de doelcoördinaten uit de hersenatlas, bereken de bewegingen die nodig zijn om die locatie te bereiken en verplaats de sonde naar de doelpositie. Markeer deze positie op de schedel en gebruik een boor om voorzichtig een gat in het bot te maken.
Net onder de schedel vindt u de dura, een dikke duurzame membraan die voorzichtig kan worden gesneden met de punt van een kleine naald.
Vervolgens wordt de arm van de micromanipulator in positie gebracht om de sonde naar de doeldorsoventrale coördinaat te laten zakken, waarna de gewenste manipulatie kan worden uitgevoerd.
Nu je de basisstappen van de procedure begrijpt, laten we eens kijken naar enkele van de vele manieren waarop neurowetenschappers stereotactische chirurgie gebruiken om vragen in het laboratorium te beantwoorden.
Om te beginnen is stereotaxie uiterst nuttig voor het leveren van experimentele agentia in precieze hersengebieden. Deze agentia kunnen tracerkleuren om neuronale projecties en connectiviteit te visualiseren, chemische verbindingen of reagentia voor genetische manipulatie van neuronen omvatten. Bijvoorbeeld, de injectie van genetisch gemanipuleerde virussen resulteert in de levering van een gen van belang aan geïnfecteerde cellen. Hier werd een virus in de hippocampus geïnjecteerd, wat resulteerde in GFP-expressie in een kleine populatie neuronen.
Aan de andere kant kan virale levering van kleine interfererende RNA de expressie van gewenste eiwitten voorkomen. In dit voorbeeld werd de expressie van het eiwit SOD1 onderdrukt in verschillende hersengebieden na stereotactische injectie in de laterale ventrikel.
Alternatief kan stereotactische chirurgie worden gebruikt om elektroden in de hersenen te plaatsen voor het opnemen van de elektrische signalen die gepaard gaan met neurale activite
Stereotactische (of stereotactische) chirurgie is een methode die wordt gebruikt om het brein van levende dieren te manipuleren. Deze techniek stelt o…
Stereotactische chirurgie is een krachtige techniek die wordt gebruikt om het brein van levende dieren te manipuleren. Het targeten van diepe hersengebieden stelt een uniek probleem, omdat het chirurgische doel meestal niet visueel kan worden gelokaliseerd. Stereotaxie of stereotactische chirurgie werd ontwikkeld om discrete hersengebieden te targeten door hun ruimtelijke relaties met zichtbare herkenningspunten te kennen. Met behulp van een driedimensionaal coördinatensysteem kunnen gereedschappen naar specifieke locaties worden geleid om hersenactiviteit te meten, een lesie te maken of genetische manipulaties uit te voeren. Deze video behandelt de principes van stereotactische chirurgie, demonstreert essentiële stappen van de procedure en bespreekt verschillende toepassingen van de techniek.
Voordat we ingaan op de procedurele details, laten we de basisprincipes en gereedschappen van de techniek bekijken. Om te beginnen, is stereotaxie afhankelijk van het lokaliseren van het doelgebied van de hersenen op een driedimensionale as. Voor dit doel wordt een stereotactische atlas gebruikt. Dit document is een 3D reconstructie van de hersenen verkregen uit serieuze secties van gekleurde hersenen.
In dit referentiekader worden ruimtelijke relaties uitgedrukt met behulp van een set van 3 assen: anterieura-posterieur, mediaal-lateraal en dorsaal-ventraal. Om de locatie van een gebied van interesse te bepalen, vindt u het juiste hersengebied in de atlas en gebruikt u het raster om de corresponderende mediolaterale en dorsoventrale coördinaten te berekenen. De anteroposterior coördinaat wordt verkregen aan de onder- of bovenkant van de pagina. Deze coördinaat wordt gemeten vanaf herkenningspunten op de schedel gevormd door de kruisingen van botplaten, die bekend staan als suturen. Het meest prominente herkenningspunt, bregma, wordt gedefinieerd als het kruispunt van de sagittale sutuur met de coronale sutuur. Het punt dat bekend staat als lambda is meer posterieur; waar de sagittale sutuur de lambdoïde sutuur kruist.
Voor nauwkeurige targeting naar de berekende locatie tijdens de operatie, wordt een apparaat gebruikt dat bekend staat als de stereotactische frame. Het frame bestaat uit het hoofdframe, de micromanipulator en de sondehouder, die is bevestigd aan de montageklem. Snijtanden en oorbars maken contact met het dier om het hoofd in een vaste positie te houden. De micromanipulator wordt gebruikt voor precieze beweging van chirurgische sondes naar vooraf bepaalde coördinaten binnen de hersenen, en is uitgerust met schuivende Vernier-schalen voor exacte afstandmetingen in alle drie dimensies.
Om een Vernier-schaal te lezen, identificeert u eerst de locatie van de 0 lijn ten opzichte van de streepjes op de rechterkant van de schaal. Deze kant van de schaal is gelabeld in stappen van 10 millimeter, zodat 1 gelijk is aan 10 en 2 gelijk is aan 20. De locatie van de 0-markering hier toont aan dat de lezing tussen 10 en 11 mm ligt. Om het eerste getal rechts van de decimale punt te bepalen, vindt u de lijn op de linkerschaal die het beste overeenkomt met een markering aan de rechterkant. Gebruik de linkerschaal om de waarde van deze markering te identificeren, wat in dit geval 9 is, waardoor de uiteindelijke lezing 10,9 mm is.
Je bent nu bekend met de basisprincipes van stereotaxie, dus laten we eens kijken hoe de chirurgische procedure wordt uitgevoerd. Voor de operatie wordt de hoofdhuid van een verdovend dier geschoren en gedesinfecteerd. Om het dier op zijn plaats te houden op de stereotactische frame, worden de oorbars voorzichtig in de oren geplaatst en worden de voortanden in de snijtanden geplaatst. Oogdruppels worden aangebracht om hoornvliesdroging tijdens de operatie te voorkomen.
Om de schedel bloot te leggen, maakt u een kleine incisie met een scalpel. Scheid het spierweefsel voorzichtig en maak het oppervlak van de schedel schoon. Gebruik vervolgens de micromanipulator om een sonde naar bregma te laten zakken en noteer de dorsoventrale coördinaat. Vervolgens de sonde verhogen en deze procedure herhalen bij lambda. Als de lambda-meting minder dan 0,1 mm van de dorsoventrale coördinaat bij bregma afwijkt, wordt de schedel als vlak beschouwd en kunt u doorgaan. Zo niet, verhoog of verlaag de snijtand en herhaal de metingen.
Nu de hersenen vlak zijn, keer terug naar bregma en noteer de medio-laterale en antero-posterior coördinaten. Op basis van de doelcoördinaten uit de hersenatlas, bereken de bewegingen die nodig zijn om die locatie te bereiken en verplaats de sonde naar de doelpositie. Markeer deze positie op de schedel en gebruik een boor om voorzichtig een gat in het bot te maken.
Net onder de schedel vindt u de dura, een dikke duurzame membraan die voorzichtig kan worden gesneden met de punt van een kleine naald.
Vervolgens wordt de arm van de micromanipulator in positie gebracht om de sonde naar de doeldorsoventrale coördinaat te laten zakken, waarna de gewenste manipulatie kan worden uitgevoerd.
Nu je de basisstappen van de procedure begrijpt, laten we eens kijken naar enkele van de vele manieren waarop neurowetenschappers stereotactische chirurgie gebruiken om vragen in het laboratorium te beantwoorden.
Om te beginnen is stereotaxie uiterst nuttig voor het leveren van experimentele agentia in precieze hersengebieden. Deze agentia kunnen tracerkleuren om neuronale projecties en connectiviteit te visualiseren, chemische verbindingen of reagentia voor genetische manipulatie van neuronen omvatten. Bijvoorbeeld, de injectie van genetisch gemanipuleerde virussen resulteert in de levering van een gen van belang aan geïnfecteerde cellen. Hier werd een virus in de hippocampus geïnjecteerd, wat resulteerde in GFP-expressie in een kleine populatie neuronen.
Aan de andere kant kan virale levering van kleine interfererende RNA de expressie van gewenste eiwitten voorkomen. In dit voorbeeld werd de expressie van het eiwit SOD1 onderdrukt in verschillende hersengebieden na stereotactische injectie in de laterale ventrikel.
Alternatief kan stereotactische chirurgie worden gebruikt om elektroden in de hersenen te plaatsen voor het opnemen van de elektrische signalen die gepaard gaan met neurale activite
Stereotactische chirurgie is een krachtige techniek die wordt gebruikt om het brein van levende dieren te manipuleren. Het targeten van diepe hersengebieden stelt een uniek probleem, omdat het chirurgische doel meestal niet visueel kan worden gelokaliseerd. Stereotaxie of stereotactische chirurgie werd ontwikkeld om discrete hersengebieden te targeten door hun ruimtelijke relaties met zichtbare herkenningspunten te kennen. Met behulp van een driedimensionaal coördinatensysteem kunnen gereedschappen naar specifieke locaties worden geleid om hersenactiviteit te meten, een lesie te maken of genetische manipulaties uit te voeren. Deze video behandelt de principes van stereotactische chirurgie, demonstreert essentiële stappen van de procedure en bespreekt verschillende toepassingen van de techniek.
Voordat we ingaan op de procedurele details, laten we de basisprincipes en gereedschappen van de techniek bekijken. Om te beginnen, is stereotaxie afhankelijk van het lokaliseren van het doelgebied van de hersenen op een driedimensionale as. Voor dit doel wordt een stereotactische atlas gebruikt. Dit document is een 3D reconstructie van de hersenen verkregen uit serieuze secties van gekleurde hersenen.
In dit referentiekader worden ruimtelijke relaties uitgedrukt met behulp van een set van 3 assen: anterieura-posterieur, mediaal-lateraal en dorsaal-ventraal. Om de locatie van een gebied van interesse te bepalen, vindt u het juiste hersengebied in de atlas en gebruikt u het raster om de corresponderende mediolaterale en dorsoventrale coördinaten te berekenen. De anteroposterior coördinaat wordt verkregen aan de onder- of bovenkant van de pagina. Deze coördinaat wordt gemeten vanaf herkenningspunten op de schedel gevormd door de kruisingen van botplaten, die bekend staan als suturen. Het meest prominente herkenningspunt, bregma, wordt gedefinieerd als het kruispunt van de sagittale sutuur met de coronale sutuur. Het punt dat bekend staat als lambda is meer posterieur; waar de sagittale sutuur de lambdoïde sutuur kruist.
Voor nauwkeurige targeting naar de berekende locatie tijdens de operatie, wordt een apparaat gebruikt dat bekend staat als de stereotactische frame. Het frame bestaat uit het hoofdframe, de micromanipulator en de sondehouder, die is bevestigd aan de montageklem. Snijtanden en oorbars maken contact met het dier om het hoofd in een vaste positie te houden. De micromanipulator wordt gebruikt voor precieze beweging van chirurgische sondes naar vooraf bepaalde coördinaten binnen de hersenen, en is uitgerust met schuivende Vernier-schalen voor exacte afstandmetingen in alle drie dimensies.
Om een Vernier-schaal te lezen, identificeert u eerst de locatie van de 0 lijn ten opzichte van de streepjes op de rechterkant van de schaal. Deze kant van de schaal is gelabeld in stappen van 10 millimeter, zodat 1 gelijk is aan 10 en 2 gelijk is aan 20. De locatie van de 0-markering hier toont aan dat de lezing tussen 10 en 11 mm ligt. Om het eerste getal rechts van de decimale punt te bepalen, vindt u de lijn op de linkerschaal die het beste overeenkomt met een markering aan de rechterkant. Gebruik de linkerschaal om de waarde van deze markering te identificeren, wat in dit geval 9 is, waardoor de uiteindelijke lezing 10,9 mm is.
Je bent nu bekend met de basisprincipes van stereotaxie, dus laten we eens kijken hoe de chirurgische procedure wordt uitgevoerd. Voor de operatie wordt de hoofdhuid van een verdovend dier geschoren en gedesinfecteerd. Om het dier op zijn plaats te houden op de stereotactische frame, worden de oorbars voorzichtig in de oren geplaatst en worden de voortanden in de snijtanden geplaatst. Oogdruppels worden aangebracht om hoornvliesdroging tijdens de operatie te voorkomen.
Om de schedel bloot te leggen, maakt u een kleine incisie met een scalpel. Scheid het spierweefsel voorzichtig en maak het oppervlak van de schedel schoon. Gebruik vervolgens de micromanipulator om een sonde naar bregma te laten zakken en noteer de dorsoventrale coördinaat. Vervolgens de sonde verhogen en deze procedure herhalen bij lambda. Als de lambda-meting minder dan 0,1 mm van de dorsoventrale coördinaat bij bregma afwijkt, wordt de schedel als vlak beschouwd en kunt u doorgaan. Zo niet, verhoog of verlaag de snijtand en herhaal de metingen.
Nu de hersenen vlak zijn, keer terug naar bregma en noteer de medio-laterale en antero-posterior coördinaten. Op basis van de doelcoördinaten uit de hersenatlas, bereken de bewegingen die nodig zijn om die locatie te bereiken en verplaats de sonde naar de doelpositie. Markeer deze positie op de schedel en gebruik een boor om voorzichtig een gat in het bot te maken.
Net onder de schedel vindt u de dura, een dikke duurzame membraan die voorzichtig kan worden gesneden met de punt van een kleine naald.
Vervolgens wordt de arm van de micromanipulator in positie gebracht om de sonde naar de doeldorsoventrale coördinaat te laten zakken, waarna de gewenste manipulatie kan worden uitgevoerd.
Nu je de basisstappen van de procedure begrijpt, laten we eens kijken naar enkele van de vele manieren waarop neurowetenschappers stereotactische chirurgie gebruiken om vragen in het laboratorium te beantwoorden.
Om te beginnen is stereotaxie uiterst nuttig voor het leveren van experimentele agentia in precieze hersengebieden. Deze agentia kunnen tracerkleuren om neuronale projecties en connectiviteit te visualiseren, chemische verbindingen of reagentia voor genetische manipulatie van neuronen omvatten. Bijvoorbeeld, de injectie van genetisch gemanipuleerde virussen resulteert in de levering van een gen van belang aan geïnfecteerde cellen. Hier werd een virus in de hippocampus geïnjecteerd, wat resulteerde in GFP-expressie in een kleine populatie neuronen.
Aan de andere kant kan virale levering van kleine interfererende RNA de expressie van gewenste eiwitten voorkomen. In dit voorbeeld werd de expressie van het eiwit SOD1 onderdrukt in verschillende hersengebieden na stereotactische injectie in de laterale ventrikel.
Alternatief kan stereotactische chirurgie worden gebruikt om elektroden in de hersenen te plaatsen voor het opnemen van de elektrische signalen die gepaard gaan met neurale activite
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is a stereotaxic atlas and how is it used in brain surgery?
A stereotaxic atlas is a 3D reconstruction of the brain created from serial sections of stained brains. It provides spatial coordinates using three axes: anterior-posterior, medial-lateral, and dorsal-ventral. Researchers locate their target brain region in the atlas and use the grid to calculate corresponding coordinates, enabling precise targeting of deep brain structures during surgery.
Q2: How do surgeons identify anatomical landmarks like bregma and lambda?
Bregma and lambda are skull landmarks formed by intersections of bone plates called sutures. Bregma is where the sagittal suture meets the coronal suture, while lambda is more posterior where the sagittal suture intersects the lambdoid suture. These landmarks serve as reference points for measuring coordinates and positioning the surgical probe accurately during stereotaxic procedures.
Q3: What components make up a stereotaxic frame and what do they do?
The stereotaxic frame consists of a main frame, micromanipulator, and probe holder attached to a mounting clamp. Incisor and ear bars hold the animal's head in a fixed position. The micromanipulator enables precise movement of surgical probes to predetermined coordinates using sliding Vernier scales for exact measurements in all three dimensions.
Q4: How do you read a Vernier scale on a stereotaxic micromanipulator?
First, identify where the 0 line sits relative to tick marks on the right scale, which is labeled in 10 millimeter increments. Then find the line on the left scale that aligns best with a mark on the right side and note its value. Combine these readings to determine the precise coordinate measurement, such as 10.9 millimeters.
Q5: What are the main surgical steps for performing stereotaxic surgery?
After anesthetizing and positioning the animal, surgeons shave and disinfect the scalp, then expose the skull with a small incision. They level the brain by measuring at bregma and lambda, record coordinates, calculate probe movements to the target, drill a hole in the bone, and section the dura membrane. The micromanipulator then lowers the probe to the target depth for the desired manipulation.
Q6: How is stereotaxic surgery used to deliver genes or genetic material to the brain?
Genetically engineered viruses are injected into precise brain regions using stereotaxic surgery, delivering genes of interest to infected cells. Alternatively, viral delivery of small interfering RNA can suppress specific protein expression in targeted brain areas. This approach enables researchers to manipulate gene expression in discrete neural populations for studying cellular and molecular neuroscience research.
Q7: What recording and monitoring techniques use stereotaxic surgery to study brain function?
Stereotaxic surgery enables electrode placement for recording electrical signals from neurons during freely behaving tasks. Microdialysis probes with semipermeable membranes can be implanted to continuously monitor neurotransmitter, drug, or metabolite concentrations in awake animals. These techniques allow researchers to measure neural activity and brain chemistry while animals perform behavioral tasks requiring spatial working memory.
Hoofdstukken in deze video
0:00
Overview
1:00
Principles of Stereotaxic Surgery and the Stereotaxic Frame
3:50
Stereotaxic Surgery
5:48
Applications
8:05
Summary