1. Przygotowanie zwierząt do zabiegu
1. Obiekty badawcze
Należy wykorzystać myszy z linii transgenicznej B6.Cg-Tg(Thy1-COP4/eYFP)18Gfng/J9; szczep JAX #7612) lub inne myszy wykazujące ekspresję wrażliwego na niebieskie światło kanału kationowego, Channelrhodopsin-2, w neuronach kory mózgowej. Naświetlanie niebieskim światłem kory mózgowej myszy linii transgenicznej B6.Cg-Tg(Thy1-COP4/eYFP)18Gfng/J powoduje depolaryzację neuronów piramidowych wykazujących ekspresję Channelrhodopsin-2 i generowanie potencjałów czynnościowych9,10. W wyniku aktywacji komórek piramidowych aktywowane są lokalne interneurony, a zmiana potencjału rozprzestrzenia się na neurony poza miejscem stymulacji10. Zabieg chirurgiczny należy przeprowadzić w warunkach sterylnych, zgodnie z obowiązującymi wytycznymi regulacyjnymi: narzędzia chirurgiczne i materiały miękkie (pole operacyjne, gaziki) należy poddać autoklawowaniu; wszystkie metalowe elementy implantowalne odporne na temperaturę (kanule, śruby i druty) należy wysterylizować metodą gorących kulek przez 30 s; urządzenia implantowalne nieodporne na temperaturę (kabel światłowodowy, złącze plastikowe) należy zdezynfekować poprzez zanurzenie w etanolu na 10 s; elementy zanurzone w etanolu należy osuszyć za pomocą sprężonego powietrza w sprayu.
2. Znieczulenie, ustawienie stereotaktyczne i odsłonięcie czaszki
Do znieczulenia myszy należy wykorzystać system IMPAC6 Integrated Multi Patient (Vet Equip Inc). Do indukcji należy użyć mieszaniny 5% Isoflurane/95% Oxygen, a do podtrzymania znieczulenia podczas operacji mieszaniny 3% Isoflurane/97% oxygen. Zwierzę należy umieścić na kocu grzewczym z obiegiem wody ustawionym na 37 °C. Monitorowanie temperatury ciała nie jest konieczne, jeśli koc jest utrzymywany w tej temperaturze.
3. Przygotowanie czaszki do implantacji
Przygotuj miejsce nacięcia, ogolając całe futro z górnej części czaszki. Obszar ogolony powinien rozciągać się bocznie od ucha do ucha oraz w płaszczyźnie przednio-tylnej od oczu do tylnego końca czaszki. Zdezynfekuj odsłoniętą skórę, wykonując trzy kolejne wymazy betadyną, a następnie etanolem. Wykonaj nacięcie pośrodkowo na górnej części czaszki, od miejsca między oczami do tyłu czaszki. Oczyść czaszkę nadtlenkiem wodoru i sterylną solą fizjologiczną (0.9% NaCl). Krwawienie opanuj za pomocą narzędzia do kauteryzacji. Zlokalizuj i zaznacz bregma oraz lambda w celu wyznaczenia współrzędnych stereotaktycznych. Współrzędne stereotaktyczne dla zastosowanych przez nas konfiguracji elektrod/stymulacji optogenetycznej przedstawiono w Tabeli 1 i pokazano schematycznie na Rycinnce 1A.
4. Przygotowanie miejsc implantacji na czaszce
Użyj szybkowirującego wiertła dentystycznego z wiertłem kulistym 0,5 mm, aby przygotować każde miejsce implantacji w czaszce. Wykonaj fazowanie zewnętrznej krawędzi każdego otworu za pomocą wiertła kulistego 0,7 mm, aby ułatwić wkręcanie śruby.
5. Wprowadzenie i zamocowanie kaniul, elektrod EMG i elektrod EEG
Wkręć śruby EEG (o długości 0,8 mm, z przylutowanym do główki śruby 2 cm nieizolowanego cynowanego drutu miedzianego o grubości 30 gauge) w otwory i wkręcaj je za pomocą płaskiego śrubokręta ręcznego przez około 4-5 obrotów, aż do osiągnięcia pożądanej głębokości. Przytrzymaj kaniule prowadzące w miejscu za pomocą stereotaksycznego uchwytu do kaniul, a następnie przymocuj je do czaszki i kotwic za pomocą cementu akrylowego. Każda kaniula prowadząca powinna zawierać kaniulę ślepą/stilet (Plastics One, nr części C312 DC\1) od momentu operacji do czasu rozpoczęcia eksperymentów (10-14 dni), aby zachować drożność.
6. Zamknięcie pola operacyjnego
Po umieszczeniu elektrod EEG i kaniul prowadzących w czaszce, należy je ze sobą połączyć za pomocą dentystycznego cementu akrylowego (Lang Dental - Ortho-Jet cement). Po zastygnięciu cementu należy umieścić plastikowy konektor (Pinnacle Technology nr części 8402) nad wyschniętym kopcem cementu. Końce przewodów wychodzących z elektrod EEG należy przylutować do styków w plastikowym konektorze. Następnie należy zatopić przewody w cemencie. Przewody EMG należy wprowadzić przez mięśnie karkowe, przesuwając je wewnątrz igły 21ga przebitej przez mięsień. Na przewodach, tuż za miejscem ich wyjścia z mięśnia, należy zawiązać podwójny węzeł chirurgiczny z nici nylonowej 5-0. Odsuniętą skórę, która była odsłonięta w celu uzyskania dostępu do tkanki mięśniowej, należy zszyć pojedynczymi przerwanymi węzłami chirurgicznymi, używając igły P-3 z ostrzem odwróconym oraz nici nylonowej 5-0.
7. Analgezja pooperacyjna i rekonwalescencja
Bezpośrednio po operacji oraz codziennie w dniach 1-2 po zabiegu podaj buprenorfinę jako lek przeciwbólowy (0.1 mg/kg, podskórnie) oraz fluksyzyny megluminę jako lek przeciwzapalny (0.1 mg/kg, podskórnie). Pozostaw zwierzęta w standardowych warunkach hodowlanych na co najmniej siedem dni przed rozpoczęciem eksperymentów w celu rekonwalescencji. Przy standardowej opiece hodowlanej można oczekiwać, że kaniule pozostaną drożne przez co najmniej dwa tygodnie, pod warunkiem zabezpieczenia wprowadzonych stiletów. Przewiduje się również, że czujniki EEG i EMG zachowają funkcjonalność przez ten sam okres.
2. Generowanie impulsów światła o określonym czasie trwania
1. Programowanie jednostki stymulującej MC
Podłącz urządzenie MC-Stimulus (Multi-Channel Systems) za pomocą połączenia USB do komputera stacjonarnego. Użyj interfejsu użytkownika MC-Stimulus, przypominającego arkusz kalkulacyjny, aby zaprogramować urządzenie MC Stimulus. Wprowadź żądane napięcie TTL (logika tranzystor-tranzystor) dla okresu włączenia, czas trwania okresów włączenia i wyłączenia stymulacji, liczbę cykli na sekundę oraz całkowitą liczbę powtórzeń cykli dla całej sesji stymulacji. Więcej szczegółów znajduje się w podręczniku technicznym MC-Stimulus:
[W związku z tym, że przesłany link prowadzi do pełnej dokumentacji technicznej (podręcznika obsługi) urządzenia STG4002, poniżej znajduje się tłumaczenie kluczowych sekcji i terminologii charakterystycznych dla tego typu dokumentacji naukowej i technicznej.]
**STG4002 – Podręcznik Obsługi**
**Wprowadzenie**
STG4002 jest zaawansowanym systemem do stymulacji elektrycznej, zaprojektowanym do precyzyjnego dostarczania impulsów prądowych do tkanek biologicznych. Urządzenie umożliwia kontrolę nad parametrami stymulacji w celu badania odpowiedzi neurologicznych i mięśniowych.
**Specyfikacja Techniczna**
* **Zakres napięcia:** [Wartości liczbowe z oryginału]
* **Szerokość impulsu:** [Wartości liczbowe z oryginału]
* **Częstotliwość stymulacji:** [Wartości liczbowe z oryginału]
* **Rozdzielczość:** [Wartości liczbowe z oryginału]
**Instrukcja Instalacji**
1. Podłącz urządzenie STG4002 do odpowiedniego interfejsu systemowego.
2. Upewnij się, że wszystkie połączenia uziemiające są prawidłowo wykonane, aby zminimalizować szumy i zapewnić bezpieczeństwo.
3. Uruchom oprogramowanie sterujące i zweryfikuj rozpoznanie modułu przez system.
**Procedura Konfiguracji stymulacji**
1. **Wybór kanału:** Wybierz odpowiedni kanał wyjściowy dla danej elektrody.
2. **Ustawienie amplitudy:** Dostosuj napięcie stymulujące, zaczynając od wartości zerowej, i stopniowo zwiększaj je do uzyskania pożądanego progu odpowiedzi.
3. **Konfiguracja czasu trwania impulsu:** Ustaw szerokość impulsu zgodnie z protokołem eksperymentalnym.
4. **Ustawienie częstotliwości:** Zdefiniuj liczbę impulsów na sekundę (Hz).
**Bezpieczeństwo i Ostrzeżenia**
* **Ostrzeżenie:** Stymulacja elektryczna tkanek żywych powinna być przeprowadzana zgodnie z uznanymi standardami etycznymi i procedurami bezpieczeństwa laboratoryjnego.
* **Uwaga:** Nigdy nie zmieniaj ustawień amplitudy podczas aktywnego kontaktu elektrod z tkanką, chyba że jest to wymagane przez protokół i kontrolowane przez oprogramowanie.
* **Uziemienie:** Prawidłowe uziemienie obiektu jest niezbędne dla uniknięcia artefaktów w zapisie sygnału oraz dla ochrony operatora i badanego obiektu.
**Rozwiązywanie Problemów**
* **Brak odpowiedzi na stymulację:** Sprawdź ciągłość obwodu i poprawność połączeń elektrod.
* **Zbyt wysoki poziom szumów:** Zweryfikuj ekranowanie przewodów oraz poprawność uziemienia systemu.
* **Błąd komunikacji z modułem:** Zrestartuj oprogramowanie i sprawdź połączenia USB/PCI.
**Słowa kluczowe / Tagi:**
stymulacja elektryczna, elektrofizjologia, interfejs mózg-komputer, stymulator prądowy, rejestracja sygnałów biologicznych, neurostymulacja
3. Wykonanie/montaż sond światłowodowych do dostarczania światła do kory mózgu
- Lista niezbędnych materiałów i sprzętu znajduje się pod adresem: http://www.thorlabs.com/Thorcat/1100/1166-D02.pdf
- Cięcie i polerowanie kabli światłowodowych. http://www.thorlabs.com/Thorcat/1100/1166-D02.pdf
4. Montaż systemu optogenetycznej stymulacji gryzoni
1. Interfejs jednostki MC-Stimulus i lasera
Po zaprogramowaniu jednostki MC-Stimulus, należy uruchomić ją jako samodzielny generator sygnału binarnego WŁ/WYŁ o napięciu 5 V. Podłącz jednostkę MC-Stimulus do jednostki zasilającej lasera z obsługą sygnałów TTL za pomocą złączy BNC.
2. Uzyskiwanie wiązki laserowej za pomocą kabla światłowodowego
Użyj cyfrowego wyświetlacza i pokrętła regulacji mocy jednostki zasilania lasera, aby ręcznie dostosować moc wyjściową lasera. Połącz jednostkę zasilania z laserem za pomocą taśmy łączącej. Podłącz żeński adapter światłowodowy FC (ferrule connector) lasera do męskiego konektora FC w patchcordzie światłowodowym (o długości 3 m i średnicy włókna szklanego 200 μm, zamkniętego w zwierciodlonej powłoce z polimeru akrylowego).
3. Przewodzenie lasera do zwierzęcia: komutator obrotowy
Podłącz początkowy kabel światłowodowy (o długości 3 m) oraz kabel doprowadzający światłowód (o długości 45 cm) do przeciwległych końców obrotowego złącza optycznego zawierającego dwie soczewki kolimacyjne (soczewki Doric). Obrotowe złącze światłowodowe pełni funkcję komutatora: gdy zwierzę porusza się po klatce, złącze obrotowe obraca się, zapobiegając przerwaniu kabli światłowodowych. Użyj plastikowych opasek zaciskowych, aby przymocować komutator do metalnego statywu umieszczonego nad cylindryczną klatką, w której przebywa zwierzę.
4. Podłączenie światłowodu dostarczającego do głowicy
Unieruchom mysz, używając jednej ręki do przytrzymania zwierzęcia pod złożoną dłonią. Ustaw głowę tak, aby znajdowała się między środkowym a wskazującym palcem eksperymentatora. Wyjmij kanulę zastępczą z kanuli prowadzącej umieszczonej dla kanuli światłowodowej. Oczyść kanulę prowadzącą z zanieczyszczeń, używając sterylnej igły 25ga. Wprowadź ręcznie kabel światłowodowy i przymocuj go do prowadzącej kanuli światłowodowej za pomocą nakrętki z gwintem odzyskanej z kanuli zastępczej. Kontroluj głębokość wprowadzenia kabla światłowodowego do mózgu za pomocą węzła chirurgicznego zawiązanego na kablu światłowodowym w stałej odległości od płasko ściętego końca. Cały zestaw doświadczalny przedstawiono na Rysunku 1B.
5. Pomiar snu zdefiniowanego przez EEG oraz stężenia mleczanu podczas stymulacji optogenetycznej
1. Przedkalibracja sensora mleczanowego
Wstępna kalibracja czujnika mleczanów jest przeprowadzana przy użyciu zestawu in vitro (Pinnacle Technology nr kat. 7000-K1-T). Czujnik jest równoważony w soli fizjologicznej z buforem fosforanowym (pH 7.4), a następnie poddawany działaniu trzech stężeń L-mleczanu w sposób stopniowy, zgodnie z protokołami producenta.
2. Wprowadzenie czujnika mleczanów i kabla EEG
Wprowadź skalibrowany wcześniej czujnik do zamontowanej w czaszce kaniuli prowadzącej dla mleczanu w sposób identyczny z procedurą wprowadzania światłowodu (sekcja 4.4). Połącz czujnik mleczanu z przedwzmacniaczem biosensora Pinnacle 8,400 za pomocą dwubiegunowych wtyczek. Podłącz ten przedwzmacniacz do 8-pinowego złącza w chirurgicznie implantowanym uchwycie głowowym.
3. Ustalenie intensywności stymulacji optogenetycznej
Przed rozpoczęciem zbierania danych należy użyć pokrętła kontroli natężenia lasera, aby dostosować natężenie bodźca optogenetycznego. Amplituda odpowiedzi EEG będzie się różnić u poszczególnych zwierząt ze względu na czynniki, które nie zostały systematycznie zbadane, i musi zostać zweryfikowana poprzez inspekcję wizualną w momencie rozpoczęcia stymulacji. W praktyce natężenie rzędu 80-120 μWatts zazwyczaj wywołuje wzrost amplitudy EEG o około 50% przy zastosowanej częstotliwości stymulacji. Aby ilościowo określić bezwzględną wielkość odpowiedzi, konieczna jest analiza post-hoc przy użyciu szybkiej transformaty Fouriera (patrz sekcja 5.5).
4. Gromadzenie danych
Zbierz dane, korzystając z systemu Pinnacle 8400: http://pinnaclet.com/pal-8400.html.
5. Przetwarzanie danych za pomocą oprogramowania Neuroscore
Zaklasyfikuj stany snu poprzez wizualną analizę danych EEG i EMG z wykorzystaniem interfejsu Neuroscore (DataSciences, International: http://www.datasci.com/products/software/NeuroScore_CNS_Software.asp) lub interfejsu Sirenia (Pinnacle Technology: http://www.pinnaclet.com/sirenia.html). Przetwórz dane w dziesięciosekundowych epokach, klasyfikując je jako czuwanie, sen bez szybkich ruchów gałek ocznych (non-REM) lub sen z szybkimi ruchami gałek ocznych (REM) na podstawie zapisów EEG i EMG. Zapisz dane w arkuszach kalkulacyjnych Microsoft Excel w celu przeprowadzenia dalszych analiz i testów statystycznych.