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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
O protocolo descreve a metodologia de registro extracelular no córtex motor (CM) para revelar propriedades eletrofisiológicas extracelulares em camundongos conscientes em movimento livre, bem como a análise de dados de potenciais de campo local (LFPs) e picos, o que é útil para avaliar a atividade neural da rede subjacente aos comportamentos de interesse.
O protocolo visa desvendar as propriedades do disparo neuronal e dos potenciais de campo local (LFPs) em camundongos comportados realizando tarefas específicas, correlacionando os sinais eletrofisiológicos com o comportamento espontâneo e/ou específico. Esta técnica representa uma ferramenta valiosa no estudo da atividade da rede neuronal subjacente a esses comportamentos. O artigo fornece um procedimento detalhado e completo para o implante de eletrodos e consequente registro extracelular em camundongos conscientes em movimento livre. O estudo inclui um método detalhado para implantar os arranjos de microeletrodos, capturar os sinais de LFP e spiking neuronal no córtex motor (CM) usando um sistema multicanal, e a subsequente análise de dados off-line. A vantagem do registro multicanal em animais conscientes é que um maior número de neurônios de spiking e subtipos neuronais pode ser obtido e comparado, o que permite avaliar a relação entre um comportamento específico e os sinais eletrofisiológicos associados. Notavelmente, a técnica de registro extracelular multicanal e o procedimento de análise de dados descrito no presente estudo podem ser aplicados a outras áreas cerebrais ao realizar experimentos em camundongos com comportamento.
O potencial de campo local (LFP), um importante componente dos sinais extracelulares, reflete a atividade sináptica de grandes populações de neurônios, que formam o código neural para múltiploscomportamentos1. Considera-se que as espículas geradas pela atividade neuronal contribuem para a LFP e são importantes para a codificação neural2. Alterações em spikes e LFPs comprovadamente mediam diversas doenças cerebrais, como a doença de Alzheimer, bem como emoções como medo, etc.3,4. Vale ressaltar que muitos estudos têm destacado que a atividade da espícula difere significativamente entre os estados acordado e anestesiado em animais5. Embora os registros em animais anestesiados ofereçam uma oportunidade de avaliar PBL com artefatos mínimos em estados de sincronização cortical altamente definidos, os resultados diferem em certa medida do que pode ser encontrado em indivíduos acordados 6,7,8. Assim, é mais significativo detectar atividade neural em longas escalas de tempo e grandes escalas espaciais em várias doenças em estado de vigília usando eletrodos implantados no cérebro. Este manuscrito fornece informações para iniciantes sobre como fazer o sistema de micro-drive e definir os parâmetros usando um software comum para calcular os sinais de pico e LFP de forma rápida e direta, a fim de iniciar a gravação e análise.
Embora o registro não invasivo de funções cerebrais, como o uso de eletroencefalogramas (EEGs) e potenciais relacionados a eventos (ERPs) registrados a partir do couro cabeludo, tenha sido amplamente utilizado em estudos com humanos e roedores, os dados de EEG e ERP têm baixas propriedades espaciais e temporais e, portanto, não conseguem detectar os sinais precisos produzidos pela atividade sináptica dendrítica próxima dentro deuma área específica do cérebro1. Atualmente, aproveitando o registro multicanal em animais conscientes, a atividade neural nas camadas mais profundas do cérebro pode ser registrada crônica e progressivamente pela implantação de um sistema de micro-drive no cérebro de primatas ou roedores durante múltiplos testes comportamentais 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . Resumidamente, os pesquisadores podem construir um sistema de micro-drive que pode ser usado para o posicionamento independente dos eletrodos ou tetrodos para atingir diferentes partes do cérebro10,11. Por exemplo, Chang e col. descreveram técnicas para registrar spikes e LFPs em camundongos montando um micro-drive leve e compacto12. Além disso, sondas de silício microusinadas com componentes acessórios feitos sob medida estão comercialmente disponíveis para o registro de múltiplos neurônios individuais e LFPs em roedores durante tarefas comportamentais13. Embora vários projetos tenham sido usados para montar sistemas de micro-acionamento, estes ainda têm sucesso limitado em termos de complexidade e peso de todo o sistema de micro-acionamento. Por exemplo, Lansink e col. mostraram um sistema de micro-drive multicanal com uma estrutura complexa para gravação a partir de uma única região cerebral14. relataram um sistema de microacionamento multicanal exibindo uma função de posicionamento hidráulico automático15. As principais desvantagens desses sistemas de micro-acionamento são que eles são muito pesados para os ratos se moverem livremente e são difíceis de montar para iniciantes. Embora a gravação extracelular multicanal tenha se mostrado uma tecnologia adequada e eficiente para medir a atividade neural durante testes comportamentais, não é fácil para iniciantes registrar e analisar os sinais adquiridos pelo complexo sistema de micro-drive. Dado que é difícil iniciar todo o processo de operação da gravação extracelular multicanal e análise de dados em camundongos que se movem livremente16,17, este artigo apresenta diretrizes simplificadas para introduzir o processo detalhado de fabricação do sistema de micro-drive usando componentes e configurações comumente disponíveis; os parâmetros no software comum para calcular os sinais spike e LFP de forma rápida e direta também são fornecidos. Além disso, neste protocolo, o mouse pode se mover livremente devido ao uso de um balão de hélio, o que contribui para compensar o peso do headstage e do sistema de micro-acionamento. De modo geral, no presente estudo, descrevemos como construir facilmente um sistema de micro-drive e otimizar os processos de registro e análise de dados.
Todos os camundongos foram obtidos comercialmente e mantidos em um ciclo claro/12 h escuro de 12 h (luz acesa às 08:00 horas locais) a uma temperatura ambiente de 22-25 °C e umidade relativa de 50%-60%. Os ratos tiveram acesso a um suprimento contínuo de comida e água. Todos os experimentos foram realizados de acordo com as Diretrizes para Cuidados e Uso de Animais de Laboratório da South China Normal University e aprovados pelo Comitê Institucional de Ética em Animais. Camundongos C57BL/6J machos com idade entre 3-5 meses de idade foram utilizados para os experimentos.
1. Montagem do sistema de micro-acionamento
2. Implantação de arranjo de eletrodos
3. Gravação multicanal no CM bilateral em camundongos em movimento livre
4. Classificação e análise de spikes
5. Análise LFP
6. Correlações entre a espícula e a LFP
Um filtro passa-alta (250 Hz) foi aplicado para extrair os picos multiunidades dos sinais brutos (Figura 6A). Além disso, as unidades registradas do MC de um camundongo normal classificado por PCA foram verificadas (Figura 7A-D), e a largura do vale e a duração da forma de onda das unidades no MC do camundongo foram registradas. Os resultados mostraram que tanto a largura do vale quanto a duração da forma de onda dos neurônios piramidais putativos (Pyn) MC em camundongos são maiores do que os dos interneurônios putativos (IN) (Figura 7E,F; duas amostras teste de Mann-Whitney; para largura de vale, putativo Pyn: 0,636 ms ± 0,004 ms, IN putativo: 0,614 ms ± 0,001 ms, p = 0,002; para a duração da forma de onda, Pyn putativo: 0,095 ms ± 0,004 ms, IN putativo: 0,054 ms ± 0,002 ms, p = 1,402 x 10−16), correspondendo às características de Pyn e IN em estudos anteriores21. Também calculamos o coronograma cruzado entre Pyn putativo e IN definindo as picas putativas de Pyn como referência e encontramos um pico positivo em ~18 ms (Figura 7G), indicando que o pico putativo de Pyn ocorre antes do pico putativo de IN com uma janela de ~18 ms.
Traços representativos de cada banda de frequência foram filtrados do LFP pelo filtro IIR no software para análise dos dados neurofisiológicos (Figura 6A). Na análise LFP, os LFPs do CM esquerdo e direito em camundongos normais foram semelhantes no espectro de potência, sugerindo atividades sincronizadas entre o CM esquerdo e direito (Figura 8A,B; duas amostras do teste de Mann-Whitney; para δ, CM esquerdo: 50,71 ± 1,136, CM direito: 50,47 ± 1,213, p = 0,70; para θ, CM esquerdo: 2,197 ± 0,187, CM direito: 2,068 ± 0,193, p = 0,40; para β, CM esquerda: 0,222 ± 0,058, CM direita: 0,206 ± 0,055, p = 0,70; para γ baixo, CM esquerda: 0,114 ± 0,034, CM direita: 0,093 ± 0,018, p = 0,70; para γ alto, CM esquerda: 0,054 ± 0,027, CM direita: 0,04 ± 0,015, p = 0,40). Calculamos então a coerência e a correlação entre o CM esquerdo e o direito (Figura 8C,D; o MC LFP esquerdo segue dentro de uma janela de ~1,2 ms após o MC LFP direito, −1,167 ms ± 0,667 ms) e calculamos a magnitude do pico putativo de Pyn ou IN sincronizado com o LFP (1-100 Hz) no MC esquerdo de um camundongo normal (Figura 8E). Isso mostrou uma menor coerência de γ para o suposto IN em comparação com o Pyn.

Figura 1: Diagrama dos eletrodos e sistema de gravação multicanal. (A) Ilustração do sistema de micro-acionamento. eu. Desenho e especificação da placa projetada por computador. ii. Diagrama esquemático da micro-unidade móvel. (B) Sistema de micro-acionamento e degraus móveis multicanal de eletrodo único. eu. Os fios Ni-cromados; ii. As partes constituintes do eletrodo; iii. Montagem das placas projetadas por computador; iv. Montagem preliminar dos eletrodos, incluindo os conectores e oito tubos guia; v. O outro lado do micro-drive; VI,VII. Os fios de Ni-cromo são sucessivamente carregados nos tubos guia; viii-x. Cada fio exposto é sucessivamente entrelaçado a cada pino, seguido de revestimento conduzindo tinta em cada pino; XI,XII. Os pinos são revestidos com resina epóxi; xiii,xiv. Revestimento a ouro. (C) Desenho experimental da gravação extracelular no CM de um camundongo em movimento livre. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Passo a passo do procedimento cirúrgico. Faça a barba do pelo do rato e desinfete o local cirúrgico com três rodadas alternadas de esfoliação de betadina e álcool. iii. Limpe o crânio do rato. iv. Nivelamento. v. Marque a localização do cérebro. vi. Marque as posições dos parafusos de aço inoxidável. vii. Inserir parafusos de aço inoxidável. viii. Articular os parafusos com os eletrodos de referência e terra. IX,X. Misture o cimento dental. xi. Construa uma parede com cimento dental. XII,XIII. Fazer dois pequenos orifícios acima do MC bilateral, seguindo-se a remoção da dura-máter. xiv. Preparar o sistema de micro-acionamento. xv-xix. Implantar o sistema de micro-drive seguido de tratamento local com gel contendo cloridrato de lincomicina e cloridrato de lidocaína para alívio da dor pós-cirúrgica. xx. Proteja o sistema de micro-acionamento com fita de folha de cobre condutora. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Ilustração de uma gravação fixada na cabeça em um mouse consciente. (A) Diagrama esquemático para gravação em movimento livre. (B) Detalhes das imagens da gravação em movimento livre. eu. Planform do sistema de micro-acionamento implantado; ii. Headstage; III,IV. O sistema de micro-acionamento e o headstage estão conectados; v. O balão de hélio é aplicado para compensar o peso do headstage e do sistema de micro-acionamento. (C) Ilustração da verificação da localização do local de registro por meio de lesão eletrolítica. (D) Os locais de registro marcados por lesões eletrolíticas no CM de um camundongo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Ilustração da classificação e análise de spikes. (A) Os parâmetros para agrupar os dados de spike e exportar os resultados. eu. Importar os dados de pico; ii. Escolha o método de classificação; iii. Ordenar os dados de pico usando o algoritmo κ-means; iv. Exportar os resultados da unidade classificada. (B) O processo de análise do histograma de intervalo inter-spike, autocorrelograma e correlograma cruzado da unidade classificada. eu. Importar os dados de pico classificados; ii. Realizar a análise de autocorrelação; iii. Definir os parâmetros para o autocorrelograma; iv. Obter o histograma de intervalo inter-espícula; v. Definir os parâmetros para o histograma de intervalo entre pontas; vi. Calcular a correlação cruzada entre os picos das unidades classificadas; vii. Definir os parâmetros para o correlograma cruzado; viii,ix. Exporte os resultados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Ilustração da análise contínua dos dados. (A) O processo e os parâmetros para análise dos sinais LFP que foram calculados usando o espectro de potência dos LFPs, coerência e correlação entre dois LFPs. i. Importar os dados LFP; ii. Calcular a densidade espectral de potência para os LFPs a partir do MC bilateral; Aiii. Calcular a densidade espectral de potência para o LFP; iv,v. Calcular a coerência entre os LFPs; VI,VII. Calcular a correlação entre dois LFPs. viii,ix. Exporte os resultados. (B) O processo de filtragem de cada faixa de frequência do sinal LFP. i. Extrair as diferentes bandas de frequência dos dados LFP; II,III. Visualizar os LFPs filtrados; iv. Salve os LFPs filtrados como um metarquivo avançado. (C) O processo de análise da coerência entre as pontas neuronais e a LFP. i,ii. Calcular a coerência entre o LFP e os picos classificados; III,IV. Exporte os resultados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Vestígios representativos dos sinais gravados. O pico foi filtrado passa-alta a 250 Hz a partir dos dados brutos amostrados a 30 kHz. O LFP foi o dado bruto amostrado a 10 kHz. δ foi a banda de frequência delta filtrada em 1-4 Hz a partir do LFP. θ foi a banda de frequência filtrada em 5-12 Hz a partir do LFP. β foi a banda de frequência beta filtrada a 13-30 Hz a partir do LFP. Baixa γ foi a banda de baixa frequência gama filtrada a 30-70 Hz a partir da LFP. A alta γ foi a banda de alta frequência gama filtrada a 70-100 Hz a partir do LFP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7: Características das unidades classificadas e seu padrão de disparo. (A,B) As unidades classificadas foram agrupadas usando análise de componentes principais (ACP) do mesmo eletrodo. (C,D) Autocorrelações (superior) e histogramas de intervalo inter-spike (inferior) para um neurônio excitatório putativo (Pyn) e um neurônio inibitório putativo (IN). (E) A largura do vale do Pyn putativo foi significativamente maior do que a do IN putativo (Pyn putativo: n = 1.055 espículas, IN putativo: n = 1.985 espigas). (F) A duração da forma de onda do Pyn putativo foi mais forte do que a do IN putativo (Pyn putativo: n = 1.005 picos, IN putativo: n = 1.059 picos). (G) A correlação cruzada entre o Pyn putativo e IN. Análise estatística com teste de Mann-Whitney. Todos os dados são apresentados como média ± erro padrão da média, **p < 0,01, ***p < 0,001. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8: Análise de dois LFPs do MC bilateral e a coerência entre os eventos spike e o LFP em camundongos. (A,B) Espectros de potência normalizados do CM bilateral em cada banda de frequência em camundongos (n = 3). (C) A curva de coerência de dois PBF entre o CM esquerdo e direito (n = 3). (D) A curva de correlação cruzada de dois LFPs mostrando uma correlação entre o CM esquerdo e direito em intervalos de tempo de ±100 ms (n = 3). (E) A curva de coerência do campo de espícula no CM de um rato. Análise estatística com teste de Mann-Whitney. Todos os dados são apresentados como média ± erro padrão da média. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores não têm nada a revelar.
O protocolo descreve a metodologia de registro extracelular no córtex motor (CM) para revelar propriedades eletrofisiológicas extracelulares em camundongos conscientes em movimento livre, bem como a análise de dados de potenciais de campo local (LFPs) e picos, o que é útil para avaliar a atividade neural da rede subjacente aos comportamentos de interesse.
Este trabalho foi apoiado por subsídios da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (31871170, 32170950 e 31970915), da Fundação de Ciências Naturais da Província de Guangdong (2021A1515010804 e 2023A1515010899), da Fundação de Ciências Naturais de Guangdong para o Projeto de Cultivo Principal (2018B030336001) e da Concessão Guangdong: Tecnologias-Chave para o Tratamento de Distúrbios Cerebrais (2018B030332001).
| Conector de pinos de 2,54 mm | YOUXIN Electronic Co., Ltd. | 1 x 5 | Solicitando o micro-drive móvel que pode deslizar em suas pernas. |
| Adobe Illustrator CC 2017 | Adobe | N/A | Para otimizar imagens do GraphPad. |
| BlackRock Microsystems | Blackrock Neurotech | Cerebus | Este sistema inclui headsatge, conversor DA, amplificador e computador. |
| Porca de latão | Dongguan Gaosi Technology Co., Ltd. | Porca de latão M0.8 | A porca fixa a posição do parafuso. |
| Parafuso de latão | Dongguan Gaosi Technology Co., Ltd. | Parafuso de latão M0.8 x 11 mm | Um parafuso que segura o microacionamento móvel. |
| C57BL/6J | Guangdong Zhiyuan Biomedical Technology Co., LTD. | N/A | 12 semanas de idade. |
| Tubo de centrífuga | Biosharp | 15 mL; BS-150-M | Para armazenar o cérebro de camundongos com sulutações de sacarose. |
| Condução de tinta | Structure Probe, Inc. | 7440-22-4 | Para melhorar a qualidade da conexão do cabo entre os pinos do conector e os fios Ni. |
| Fita condutora de folha de cobre | 3M | 1181 | Para reduzir a interferência. |
| Conector | YOUXIN Electronic Co., Ltd. | 2 x 10P | Para conectar o headtage ao sistema de micro-drive. |
| Fonte de alimentação DC | Maisheng | MS-305D | Um dispositivo de energia para lesão eletrolítica. |
| Cimento dentário | Shanghai New Century Dental Materials Co., Ltd. | N/A | Para fixar os feixes de eletrodos no crânio do camundongo após o término do implante. |
| Conversor analógico digital | Blackrock | 128 canais | Um dispositivo que converte dados digitais em sinais analógicos. |
| Resina epóxi | Alteco | N/A | Para cobrir pinos. |
| Excel | Microsoft | N/A | Para resumir os dados após a análise. |
| Tesoura de olho | JiangXi YuYuan Medical Equipment Co., Ltd. | N/A | Para cirurgia ou corte do fio Ni-cromo. |
| Fórceps fino | JiangXi YuYuan Medical Equipment Co., Ltd. | N/A | Para cirurgia. |
| Fórceps | JiangXi YuYuan Medical Equipment Co., Ltd. | N/A | Para cirurgia ou montagem do sistema de acionamento mirco. |
| Micrótomo de congelamento | Leica | CM3050 S | Corte o mouse' s cérebro em fatias |
| Tubo capilar de sílica fundida | Zhengzhou INNOSEP Scientific Co., Ltd. | TSP050125 | Para servir como tubos guia para fios de Ni-cromo. |
| Microeletrodo de vidro | Sutter Instrument Company | BF100-50-10 | Para marcar os locais desejados para implantação usando a tinta preenchida. |
| GraphPad Prism 7 | Software GraphPad | N/A | Para analisar e visualizar os resultados. |
| Tecnologias Polymicro de tubo guia | 1068150020 | Para carregar fios de Ni-cromo. | |
| Headstage | Blackrock | N/A | Uma ferramenta de transmissão de sinais. |
| Balão de hélio | Yili Festive products Co., Ltd. | 24 polegadas | Para compensar o peso do headstage e do sistema de micro-drive. |
| Tinta | Sailor Pen Co., LTD. | 13-2001 | Marcar os locais desejados para implantação. |
| Tintura de iodo | Guangdong Hengjian Pharmaceutical Co., Ltd. | N/A | Para desinfetar o couro cabeludo do rato. |
| Lincomicina em cloridrato e lidocaína gel de cloridrato | Hubei kangzheng pharmaceutical co., ltd. | 10g | Um medicamento usado para reduzir a inflamação. |
| Meloxicam | Vicki Biotechnology Co., Ltd. | 71125-38-7 | Para reduzir a dor pós-operatória em camundongos. |
| Micromanipuladores | Scientifica | Scientifica IVM Triple | Para implantação de feixes de eletrodos. |
| Microscópio | Nikon | ECLIPSE Ni-E | Capture as imagens de seções cerebrais |
| nanoZ testador de impedância | Plexon | nanoZ | Para medir a impedância ou realizar espectroscopia de impedância de eletrodo (EIS) para matrizes de microeletrodos multicanal. |
| NeuroExplorer | Plexon | NeuroExplorer | Uma ferramenta para analisar os dados eletrofisiológicos. |
| NeuroExplorer | Plexon, EUA N | /A | um software. |
| Fio Ni-cromo | California Fine Wire Co. | M472490 | 35 μ m Fio de níquel-cromo. |
| Classificador Offline | Plexon | Classificador Offline | Uma ferramenta para classificar as multi-unidades gravadas. |
| Placa PCB | Hangzhou Jiepei Information Technology Co., Ltd. | Placa projetada por computador | N/A | .
| Pentobarbital | Sigma | P3761 | Para anestesiar camundongos. |
| Pentobarbital sódico | Sigma | 57-33-0 | Para anestesiar o mouse. |
| Bomba peristáltica | Longer | BT100-1F | Um dispositivo usado para perfusão |
| Poliformaldeído | Sangon Biotech | A500684-0500 | O principal componente da solução fixadora para fixação de cérebros de camundongos |
| PtCl4 | Tianjin Jinbolan Fine Chemical Co., Ltd. | 13454-96-1 | Preparação para líquido de revestimento de ouro. |
| Saline | Guangdong Hengjian Pharmaceutical Co., Ltd. | N/A | Para limpar o crânio do rato. |
| Fio de prata | Suzhou Xinye Electronics Co., Ltd. | 2 mm de diâmetro | Aplicação de eletrodos de aterramento e referência. |
| Broca de crânio | RWD Life Science | 78001 | Para perfurar cuidadosamente dois pequenos orifícios no crânio do rato. |
| Parafusos de aço inoxidável | YOUXIN Electronic Co., Ltd. | M0.8 x 2 | Para proteger o sistema de microacionamento e conectar os eletrodos de aterramento e referência. |
| Aparelho estereotáxico | RWD Ciências da Vida | 68513 | Para realizar as coordenadas estereotáxicas do córtex motor bilateral. |
| Sacarose | Damao | 57-50-1 | Para desidratar o cérebro do camundongo após a perfusão. |
| Super cola | Henkel AG & Co. | PSK5C | Para fixar o tubo guia e o fio Ni-chrome. |
| Controlador de temperatura | Harvard Apparatus | TCAT-2 | Para manter a temperatura retal do mouse em 37&graus; C |
| Pomada para os olhos de tetraciclina | Guangdong Hengjian Pharmaceutical Co., Ltd. | N/A | Para proteger os olhos do rato durante a cirurgia. |
| Thread | Rapala | N/A | Para ligar o balão e o headstage. |
| Vaselina | Unilever plc | N/A | Para cobrir a lacuna entre as matrizes de eletrodos e o crânio do camundongo. |