1. Budowa mikropopychacza
Wszystkie napędy są zbudowane z tych samych podstawowych elementów: części ruchomej, która przenosi elektrodę, oraz części stałej, przymocowanej do czaszki. Idealny mikronapęd umożliwia płynny, ale wystarczająco długi ruch elektrody w wielu małych krokach, jest na tyle wytrzymały, by zapobiec przypadkowemu przesunięciu elektrody, łatwy w obsłudze przez eksperymentatora bez zakłócania zachowania zwierzęcia, a także niewielki i lekki. W wyniku tych sprzecznych wymagań, różne rodzaje napędów są dostosowane do różnych zastosowań.
Do zbudowania naszego podstawowego napędu potrzebne są tylko 4 elementy: mosiężna śruba z płaskim łbem, pasująca nakrętka, plastikowy mostek przygotowany z pojedynczego rzędu listwy pinowej oraz dwie mosiężne płytki docięte na zamówienie.
- Odłam 3-pinowy fragment z listwy pinowej
- Ostrożnie wyciągnij środkowy pin.
- Powiększ otwór, wiercąc w nim wiertłem rozmiaru #55.
- Nawierć gwint za pomocą gwintownika 00-90.
- Wytnij dwa elementy z mosiężnej blachy.
- Wygładź krawędzie blach za pomocą narzędzia Dremmel.
- Wywierć otwór na środku obu elementów, używając wiertła rozmiaru #65.
- Złóż elementy napędu tak, aby mosiężne blachy dotykały pinów. W tym celu przełóż mosiężną śrubę kolejno przez blachę mosiężną, otwór w gwintowanej listwie pinowej, drugą blachę mosiężną oraz nakrętkę. Delikatnie dokręć śrubę, aby konstrukcja stała się stabilna.
- Przylutuj końce pinów do mosiężnych blach.
- Opiłuj wystający koniec śruby.
- Przylutuj nakrętkę do śruby. Należy uważać, aby nie przylutować nakrętki do mosiężnej blachy.
- Przetestuj ruch napędu: przekręć śrubę zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aby unieść plastikowy mostek.
2. Przygotowanie sondy krzemowej
Przed przymocowaniem sondy do napędu, należy nałożyć dodatkową izolację na obszar połączeń sondy, aby zapobiec powstawaniu zwarć spowodowanych przez płyn mózgowo-rdzeniowy (CSF) lub wilgoć:
- Odważ i wymieszaj składniki elastomeru Sylgard w stosunku 10:1.
- Za pomocą zaostrzonego aplikatora watowego nanieś Sylgard na górny koniec sondy.
- Pozostaw do wyschnięcia w piekarniku rozgrzanym do 60°C przez 2 godziny.
Aby upewnić się, że miejsca rejestracji są wolne od wszelkich zanieczyszczeń, należy oczyścić końcówki sond:
- Przygotować 4 % roztwór detergentu Contrad.
- Moczyć sondę w detergencie w temperaturze 63°C przez co najmniej 2 godziny.
- Spłukać detergent, wielokrotnie zanurzając sondę w wodzie destylowanej.
Przed przymocowaniem sondy do napędu należy sprawdzić impedancję każdego miejsca rejestracji:
- Zanurz sondę w 0,9% roztworze soli fizjologicznej i podłącz ją do miernika impedancji. Jeśli zbyt wiele miejsc rejestracji wykazuje nieprawidłową impedancję, powtórz kroki 2.4-2.6 lub rozważ użycie innej sondy. W niniejszym protokole stosujemy moduł kondycjonowania impedancji Impedance Conditioning Module firmy Frederick Haer, Co. (FHC) w połączeniu z własnoręcznie wykonanym selektorem kanałów. Alternatywnie, urządzenia niPOD firmy NeuroNexus, Inc. lub NanoZ firmy Neuralynx, Inc. umożliwiają jednoczesne monitorowanie impedancji wszystkich kanałów sondy.
3. Mocowanie sondy do mikropopychacza
- Za pomocą żyletki należy wykonać w mostku kilka nacięć, aby stworzyć chropowatą powierzchnię.
- Sondę należy przyłożyć do mostka napędu. Procedurę tę najlepiej przeprowadzić pod mikroskopem operacyjnym, mocując napęd zaciskiem i regulując sondę za pomocą mikromanipulatora tak, aby trzpienie były idealnie równoległe do śruby napędowej. Zapewnia to, że podczas wprowadzania trzpienie sondy wnikają w tkankę mózgową, nie „przecinając” jej. Na tym etapie należy określić dokładną głębokość końcówek sondy względem podstawy napędu, biorąc pod uwagę głębokość struktury docelowej od powierzchni czaszki.
- Następnie sondę mocuje się do mostka za pomocą cementu grip.
- Opcjonalnie: w celu wizualizacji toru sondy w mózgu można na tym etapie nanieść na tył sondy roztwór DiI (1-2% w etanolu).
4. Przygotowanie czaszki
Przed operacją przygotowuje się elektrody referencyjne i uziemiające oraz elementy klatki Faradaya montowanej na głowie:
- Odetnij dwa odcinki miedzianego drutu o długości 2", a następnie polutuj końcówkę każdego izolowanego drutu miedzianego na długości około 1 mm.
- Za pomocą igły zeskrob powłokę z łba śruby ze stali nierdzewnej 00-90 o średnicy 1/8" i przylutuj do niej jeden odcinek drutu miedzianego. Lutowanie takich uziemiających elektrod ze śrub ze stali nierdzewnej wymaga zastosowania odpowiedniego topnika (np. N-3 All purpose flux od La-Co) oraz wysokiej temperatury grotu lutownicy. Należy uważać, aby cyny nie wpłynęła do rowka śruby. Element ten będzie służył jako elektroda uziemiająca. Powtórz czynność z drugą śrubą i drutem miedzianym, aby przygotować elektrodę odniesienia.
- Wytnij trapezowate fragmenty z siatki miedzianej. Elementy te zostaną zmontowane w celu ochrony stopnia wejściowego wzmacniacza (headstage).
Instrumentarium chirurgiczne oraz przygotowanie są takie same, jak w przypadku wielu operacji na małych zwierzętach. Cały zabieg przeprowadzono w głębokiej anestezji izofluranem, w warunkach aseptycznych, zgodnie z wytycznymi zatwierdzonymi przez NIH. Należy pamiętać, że operacja (pozorna) pokazana w tym filmie służy wyłącznie celom demonstracyjnym. Ze względu na odpowiednią widoczność i potrzeby filmowania, niektóre kroki przygotowawcze, środki ostrożności chirurgiczne oraz procedury pooperacyjne nie są pokazane/widoczne ani omawiane.
Przed operacją wszystkie elementy i materiały powinny zostać wysterylizowane zgodnie z odpowiednimi procedurami (patrz: Guidelines for Survival Rodent Surgery; http://oacu.od.nih.gov/ARAC/surguide.pdf). Podczas operacji przygotowuje się sterylne pole na czaszce, które zostaje odizolowane za pomocą sterylnych obłożeń. Po zakończeniu zabiegu miejscowo podaje się antybiotyk o szerokim spektrum działania, a domięśniowo podaje się długo działający lek przeciwbólowy (np. buprenorfinę, [Buprenex] 0.05 mg/kg). Dodatkowo lek przeciwbólowy (np. ibuprofen) jest dostarczany w wodzie pitnej w dawce około 60 mg/kg/24 hrs przez 5 dni. W celu zapewnienia prawidłowego przebiegu procedur chirurgicznych i anestezjologicznych należy skonsultować się z odpowiednimi źródłami12.
- Umieść zwierzę w aparacie stereotaksycznym, ogól i oczyść skórę głowy13.
- Nacinając skórę wzdłuż linii pośrodkowej, odsunie ją na bok. Usuń okostną, a następnie oczyść i osusz czaszkę.
- Zmierz położenie oraz odległość między bregma a lambda, a następnie na podstawie atlasu stereotaksycznego14 wyznacz odpowiednio współrzędne x i y miejsca implantacji sondy. Zaznacz to miejsce, wydrapując skalpelem krzyżyk na czaszce.
- Wywierć otwory w czaszce za pomocą wiertła z okrągłą główką (rozmiar ¼) i wkręć do połowy w kość śruby stabilizujące (ze stali nierdzewnej, 000-120, 1/16"), umieszczając je w różnych płytkach kostnych na górnej i bocznej części czaszki. Śruby posłużą jako kotwice do bezpiecznego przymocowania zestawu nagłownego do czaszki.
- Wywierć otwory nad móżdżkiem i wprowadź elektrody uziemiające oraz referencyjne przygotowane w kroku 4.2. W przypadku rejestracji lokalnych potencjałów polowych (LFP), wybór miejsca referencyjnego jest krytyczny. Miejsce to wybiera się dlatego, że LFP móżdżku jest najniższe spośród wszystkich obszarów kory, a artefakty mięśniowe w tej lokalizacji pośrodkowej są minimalne.
- Za pomocą małego pędzelka nanieś aktywator dentynowy (zestaw Metabond) na całą powierzchnię czaszki. Przepłucz go 0.9% solą fizjologiczną.
- Nanieś cement dentystyczny (zestaw Metabond; mieszanie zgodnie z instrukcją producenta) na czaszkę, uważnie pokrywając śruby kotwiące oraz elektrody uziemiające i referencyjne, pozostawiając jednak wolne miejsce implantacji sondy.
- Przymocuj do czaszki cztery klapki z miedzianej siatki (przygotowane w kroku 4.3). W tym celu przyklej cementem wąską podstawę każdej z nich do przedniej, lewej, prawej i tylnej strony czaszki. Miedź nie może mieć bezpośredniego kontaktu z kością i powinna być zawsze oddzielona warstwą cementu.
5. Przygotowanie powierzchni mózgu
- Używając wiertła z okrągłym grotem, wykonaj wiercenie wokół miejsca implantacji w kilku etapach, często nawadniając kość solą fizjologiczną.
- Ostrożnie usuń płat kostny i przemyj powierzchnię mózgu.
- W przypadku wprowadzania sondy wielopunktowej usuwany jest duży pas opony twardej. Do usunięcia opony twardej potrzebne są dwa narzędzia: skalpel oraz haczyk wykonany z igły entomologicznej (alternatywnie standardowa mikroelektroda wolframowa). Zegnij końcówkę igły, dociskając ją do twardej powierzchni (np. szkiełka przedmiotowego), a następnie przymocuj ją do uchwytu (w tym przypadku kawałka drewnianego patyczka higienicznego; alternatywnie uchwytu do mikroigieł sekcyjnych).
- Podnieś oponę twardą za pomocą haczyka i przetnij ją skalpelem. Należy zachować szczególną ostrożność, aby nie uszkodzić opony miękkiej, naczyń oraz powierzchni nowokory. Niewielkie krwawienie można opanować poprzez przemywanie solą fizjologiczną. W przypadku wystąpienia silnego krwawienia lub jakiegokolwiek uszkodzenia nowokory należy rozważyć przerwanie zabiegu i przygotowanie innego zwierzęcia.
6. Implantacja sondy
Na tym etapie dokładnie ocenia się gęstość i orientację naczyń powierzchniowych kory. Należy skorygować współrzędne stereotaktyczne, ponieważ sonda musi penetrować mózg w obszarze wolnym od większych naczyń.
W celu implantacji zespół napędowy można przymocować za pomocą klipsa krokodylka do uchwytu stereotaktycznego. Niezakłócona widoczność powierzchni mózgu oraz końcówek sondy jest kluczowa dla prawidłowego wprowadzenia.
- Powoli opuść sondę na wysokość około 1 mm nad zamierzonym celem, stale nawadniając miejsce kraniotomii solą fizjologiczną. W przypadku rejestracji z neocortyksu końcówki sondy opuszcza się do kory na głębokość około 0,5 mm, a następnie podnosi z powrotem w okolice powierzchni.
- Uszczelnij kraniotomię, aplikując za pomocą igły ciepłą, roztopioną mieszaninę wosku i oleju parafinowego (10-20 g wosku w 10 mL oleju parafinowego, podgrzewanych do 65°C). Przed aplikacją schłodź mieszaninę do 30°C i sprawdź jej gęstość; powinna być na tyle miękka, aby umożliwić swobodny ruch sondy. W celu zapewnienia pełnego pokrycia mieszaninę można stopić in situ, zbliżając końcówkę mikro-kauteryzatora do stwardniałego wosku.
- Przymocuj dół mechanizmu napędowego do czaszki za pomocą cementu dentystycznego (grip cement), uważając, aby nakrętka mogła się swobodnie obracać. Na tym etapie niezwykle ważne jest unikanie jakichkolwiek przypadkowych uderzeń w mechanizm napędowy, w przeciwnym razie sonda uszkodzi korę mózgową. Po zabezpieczeniu mechanizmu napędowego do czaszki należy zweryfikować płynność ruchu sondy.
- Przyklej część złącza sondy do czaszki.
7. Budowa klatki Faradaya na głowę
- Podnieś i zmontuj miedziane zakładki z siatki w cylindryczną osłonę wokół sondy i napędu. Cylinder ten służy również jako ekran elektryczny przeciwko zakłóceniom środowiskowym oraz artefaktom wolnofalowym generowanym przez naładowane wibrysy u zachowującego aktywność zwierzęcia.
- Dostosuj wysokość cylindra, odcinając nadmiar materiału tak, aby siatka miedziana znajdowała się na poziomie górnej krawędzi złącza sondy.
- Przylutuj przewody ze śrub referencyjnej i uziemiającej do odpowiednich pinów złącza. Przylutuj również do siebie sąsiednie zakładki miedzianej siatki, aby zapewnić ciągłość elektryczną, a przewód uziemiający przylutuj do miedzianej siatki.
- Nałóż warstwę kleju modelarskiego na miedzianą siatkę, aby ją wzmocnić i zapobiec bezpośredniemu kontaktowi metalu ze skórą zwierzęcia.
- Sprawdź ruchomość śruby napędowej.
- Przykryj górną część nakładki na głowę kawałkiem wyciętym z gumowej rękawiczki.
8. Rejestracja u swobodnie poruszającego się zwierzęcia
- Po zapewnieniu odpowiedniej opieki pooperacyjnej podłącz zwierzę do systemu rejestrującego, używając przedwzmacniacza o wysokiej impedancji oraz lekkiego, ultraelastycznego kabla wielożyłowego. Zrównoważ ciężar urządzenia zamocowanego na głowie.
- Codziennie sprawdzaj jakość rejestracji w klatce domowej. Położenie miejsc rejestracji ocenia się na podstawie wzorców wyładowań pojedynczych jednostek oraz kształtu lokalnych potencjałów polowych. Stopniowo obniżaj sondę, przekręcając śrubę o niewielkie wartości (zazwyczaj od 1/8 do 1/4 obrotu na dzień, czyli 35-70 micrometers), aż do osiągnięcia docelowej struktury.
9. Reprezentatywne wyniki
Sygnały elektrofizjologiczne (potencjał polowy i aktywność jednostek) różnią się w zależności od rejestrowanej struktury oraz aktualnego zachowania zwierzęcia. Rysunek 1 przedstawia przykłady 32-kanałowych rejestracji z obszaru CA1 hipokampa podczas eksploracji otwartego pola przez szczura. Zwróć uwagę na wyraźną oscylację 8 Hz (pasmo theta) potencjału polowego podczas eksploracji z nałożonymi impulsami (spikes) na wielu trzpieniach i w wielu miejscach (przykłady impulsów wskazane grotami strzałek). W celu analizy aktywności jednostek neuronalnych, impulsy są wykrywane i segregowane na pojedyncze jednostki przy użyciu analizy skupień ich przebiegów czasowych15-16.

Rycina 1. Rejestracje z obszaru CA1 hipokampa u szczura podczas zachowania z wykorzystaniem sondy krzemowej o układzie 4 shanks x 8 sites. Rejestracje są szerokopasmowe i próbkowane z częstotliwością 20 000 Hz, co pozwala na badanie zarówno oscylacji lokalnego potencjału polowego (np. rytmu 8 Hz w paśmie „theta”), jak i aktywności impulsowej neuronów.

Tabela 1. Alternatywy dla użytych odczynników i sprzętu. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej ryciny.