Nagrywanie wielkoskalowych zespołów neuronalnych za pomocą sond krzemowych u znieczulonego szczura
October 19th, 2011
Opisane zostaną zewnątrzkomórkowe zapisy aktywności neuronalnej za pomocą sond krzemowych u znieczulonego szczura. Technika ta pozwala na uzyskanie informacji z ponad 100 neuronów jednocześnie w wielu obszarach mózgu. Dostarcza informacji z rozdzielczością pojedynczej komórki o dynamice zespołów neuronalnych w wielu obwodach lokalnych.
Ogólnym celem tej procedury jest opisanie ostrego, wielkoskalowego zapisu neuronalnego z kory somatosensorycznej lewej i prawej kończyny przedniej, jednocześnie u znieczulonego szczura za pomocą sondy krzemowej. Osiąga się to najpierw poprzez znieczulenie zwierzęcia uretanem, a następnie poprzez umieszczenie szczura w ramie stereotaktycznej, aby wykonać dwu- lub trzycentymetrowe nacięcie nad czaszką. Drugim krokiem jest umieszczenie uziemiających i regulacyjnych.
Następnie wykonuje się dwie kraniotomie nad uprzejmościami somatosensorycznymi i usuwa oponę twardą. Ostatnim krokiem jest ostrożne wprowadzenie silikonowych sond do mózgu i powolne opuszczenie ich do pożądanego obszaru. Procedura ta pozwala na rejestrację lokalnych potencjałów pola i aktywności impulsowej z dziesiątek neuronów.
Główną zaletą tej techniki jest to, że sondy silikonowe pozwalają na nagrywanie z dużej liczby miejsc nagrywania. Co więcej, wiele miejsc rejestracji może być rozmieszczonych na przestrzeni milimetrów, co pozwala na jednoczesne nagrywanie w wielu kolumnach korowych lub w wielu warstwach w jednej kolumnie korowej. Co ważne, geometrycznie precyzyjny rozkład miejsc rejestracji pozwala na badanie szczególnych zależności między populacjami neuronów.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie neurobiologii, takie jak to, w jaki sposób aktywność populacji neuronów jest zaangażowana w plastyczność pamięci, kodowanie bodźców, podejmowanie decyzji, a także w jaki sposób różne leki wpływają na te interakcje neuronalne. Aby rozpocząć tę procedurę, znieczulij szczura izofluorem w stężeniu od trzech do 4% i utrzymuj na poziomie 2%aby zapobiec stresowi zwierzęcia przez wstrzyknięcie. Następnie wstrzyknąć 7,5 mililitra na kilogram 20% rozcieńczonego roztworu uretanu dootrzewnowo i podzielić to wstrzyknięcie na cztery aplikacje, z których każda jest oddzielona w odstępach około 30 minut.
Następnie wyczyść sondy silikonowe wodą destylowaną pod mikroskopem. Pomaluj sondy markerem fluorescencyjnym do oznaczania pozycji sond w analizie histologicznej. Procedura ta powinna być zawsze wykonywana pod mikroskopem, aby upewnić się, że sondy nie są uszkodzone lub wygięte.
Następnie ogol futro wzdłuż miejsca nacięcia. Następnie nałóż maść na oba oczy. Podawać podskórnie pięć miligramów na mililitr deksametazonu w celu zmniejszenia stanu zapalnego mózgu.
W tym momencie zamocuj zwierzę w ramce stereotaktycznej. Następnie należy przygotować miejsce operacji antyseptycznie za pomocą mydła chlorheksydynowego i etanolu przed wykonaniem nacięcia, podać lidokainę i epinefrynę podskórnie w miejscu nacięcia w celu znieczulenia miejscowego i zmniejszenia potencjalnego ryzyka krwawienia. Następnie wykonaj dwucentymetrowe nacięcie wzdłuż linii środkowej skóry głowy i usuń skórę.
Aby odsłonić czaszkę, oczyść grzbietową skórę głowy z powięzi przez rozwarstwienie i zatamuj krwawienie za pomocą wosku kostnego. Następnie wywierć dwa otwory w kości potylicznej czaszki. Przykręć małe do otworów na elektrody uziemiające i referencyjne.
Śruba referencyjna musi stykać się z oponą twardą. Następnie wykonaj dwie kraniotomie o średnicy od jednego do dwóch milimetrów we współrzędnych odpowiadających kończynie przedniej. Kora somatosensoryczna.
Użyj sprężonego powietrza, aby usunąć pył kostny w razie potrzeby podczas kraniotomii, aby zapobiec rozgrzewaniu się czaszki podczas wiercenia. Zastosuj krople roztworu soli fizjologicznej. Następnie zbuduj małą barierę z żywicy akrylowej otaczającej dwie kraniotomie, aby utrzymać PBS na odsłoniętej oponie twardej i zapobiec jej wysychaniu.
Stosuj PBS stale podczas całego eksperymentu. Następnie użyj dwóch igieł o rozmiarze 30 i pół z wygiętymi końcówkami, aby usunąć oponę twardą obu kraniotomii. W tym momencie umieść końcówki sond krzemowych w kontakcie z pia.
Następnie powoli wprowadź sondy krzemowe, upewniając się, że ich trzonki można włożyć do mózgu bez oporu lub zginania. Ostrożnie opuść sondy, aż dotrą do żądanych obszarów nagrywania. W razie potrzeby dodaj krople PBS na wierzch kraniotomii, aby zapobiec wysuszeniu tkanki.
Pokazano tutaj reprezentatywny zapis elektrofizjologiczny potencjału pola lokalnego dla 500 milisekund z jednego tero. Przykład formy fali szczytowej znajduje się w pokazanej wkładce. Poniżej znajdują się przykłady dwuwymiarowych widoków klastrów jednostkowych uzyskanych z jednego tetro.
Każdy klaster reprezentuje kolce z pojedynczego neuronu. Uśrednione formy fal szczytowych z jednostek reprezentatywnych na każdym z czterech kanałów z pojedynczego tetro są pokazane tutaj. Energia fali zarejestrowanych skoków w czasie jest wykreślona na tym wykresie.
Należy pamiętać, że względnie stała wartość energii dla każdej jednostki wskazuje na stabilny zapis w wyświetlanym okresie. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś być w stanie wykonać nagrania sondy krzemowej w wielu obszarach mózgu z ponad stu neuronów jednocześnie. Osiąga się to poprzez wykonanie następujących kroków i dopasowanie zwierzęcia, umieszczenie odniesienia i szlifowania, wywiercenie kraniotomii, usunięcie opony twardej i na koniec włożenie prosów w żądany obszar nagrywania.
Przegląd
Ten artykuł opisuje procedurę dotyczącą ostrych, dużych skalowych rejestracji neuronowych z kory somatosensorycznej kończyn przednich u anestetyzowanych szczurów z wykorzystaniem sond krzemianowych. Ta technika umożliwia jednoczesne rejestrowanie z ponad 100 neuronów z wielu obszarów mózgu, dostarczając wglądu w dynamikę neuronową i interakcje.
Kluczowe komponenty badania
Obszar nauki
- Neuronauka
- Elektrofizjologia
- Dynamika neuronowa
Tło
- Sondy krzemianowe umożliwiają rejestrację wysokiej gęstości z wielu neuronów.
- Rozumienie aktywności populacji neuronowej jest kluczowe dla wglądu w pamięć, kodowanie i podejmowanie decyzji.
- Techniki rejestracji mogą być wpłynięte na różne czynniki, w tym znieczulenie i precyzja chirurgiczna.
- Duże skalowe rejestracji mogą ujawnić przestrzenne relacje między populacjami neuronowymi.
Cel badania
- Aby zademonstrować metodę rejestracji aktywności neuronowej w korze somatosensorycznej.
- Aby zbadać, jak interakcje neuronowe przyczyniają się do funkcji poznawczych.
- Aby dostarczyć szczegółowy protokół dla badaczy zainteresowanych badaniami elektrofizjologicznymi.
Stosowane metody
- Anestetyzowanie szczura za pomocą uretanu i izofluranu.
- Umieszczenie zwierzęcia w stelostatycznej ramce dla precyzyjnej operacji.
- Wykonywanie kraniotomiów i wstawianie sond krzemianowych do kory.
- Rejestrowanie potencjałów pola lokalnego i aktywności spike'ów neuronów.
Główne wyniki
- Udane rejestracji z wielu neuronów w warstwach kory.
- Wykazana stabilność rejestracji w czasie.
- Przedstawiono przykłady danych elektrofizjologicznych zebranych podczas procedury.
- Podkreślono zalety użycia sond krzemianowych do dużych skalowych rejestracji.
Wnioski
- Ta metoda pozwala na kompleksową analizę aktywności neuronowej.
- Może pomóc w odpowiedzi na istotne pytania w neuronauce dotyczące interakcji neuronowych.
- Przyszłe badania mogą budować na tej technice, aby zgłębić różne zjawiska neurologiczne.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Large-scale silicon probe recordings in anesthetized rat cortex enable high-resolution mapping of neuronal ensemble activity, supporting mechanistic de-risking and target validation in neuropharma discovery. This approach provides quantitative, spatially resolved data critical for evaluating circuit-level drug effects and informing early-stage portfolio decisions. The method's scalability and reproducibility position it as a foundational capability for translational neuroscience R&D.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of neuronal circuit function and drug-induced modulation at the population level.
- Supports biological de-risking by clarifying spatial and functional relationships among neuronal subtypes.
- Provides quantitative evidence for target engagement and mechanistic hypothesis testing.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated neural systems for compound screening and electrophysiological assay development.
- Delivers standardized, reproducible multi-site recordings for robust comparison across experimental conditions.
- Enables high-throughput evaluation of compound effects on neuronal ensemble activity.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant models by capturing circuit-level biomarkers and functional endpoints.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by enabling cross-condition and cross-region analyses.
- Provides predictive data for risk-adjusted advancement of neuroactive compounds.
Pipeline & Workflow Integration
This silicon probe recording method integrates into the discovery-to-preclinical continuum, bridging early mechanistic studies with translational biomarker development.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification through ensemble-level neuronal activity mapping.
- Screening: Provides assay-ready, reproducible neural recordings for compound evaluation.
- Analytics: Generates quantitative spike and field potential data for statistical comparison of experimental groups.
- Translational Research: Enables alignment of preclinical neural signatures with disease-relevant endpoints.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, reusable platform for multi-project neuropharma R&D.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in CNS target validation.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable, and reproducible neural data across studies.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and enhances capital efficiency by providing robust early-stage data.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of neuroactive assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in in vivo electrophysiology and stereotaxic surgery.
- Demands access to high-density silicon probes and multi-channel recording systems.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of surgical and analytical protocols.
- Adaptation to other brain regions or disease models may require protocol optimization.
- Potential limitations include acute preparation constraints and anesthesia effects on neural activity.
