Методическая статья

Хронический имплантации целом корковых Electrocorticographic массива в общей игрунка

DOI:

10.3791/58980

⸱

1 февраля 2019 г.

 ,  ,  , 
1Laboratory for Molecular Analysis of Higher Brain Function, RIKEN Center for Brain Science, 2Laboratory for Marmoset Neural Architecture, RIKEN Center for Brain Science, 3Department of Physiology, Keio University School of Medicine, 4Department of Ultrastructural Research, National Center of Neurology and Psychiatry

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы разработали в целом корковых electrocorticographic массив для общих Мармосет, который постоянно покрывает почти весь боковой поверхности коры, от затылочного полюса с временной и лобной поляков. Этот протокол описывает процедуру хронического вживления массива в эпидуральное пространство мозга игрунка.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Electrocorticography (ЭГ) позволяет осуществлять мониторинг потенциалов электрического поля от коры головного мозга с высоким разрешением пространственно-временных. Последние развития тонкие, гибкие ECoG электродов позволило проведение стабильной записей крупномасштабной деятельности коры головного мозга. Мы разработали в целом корковых ECoG массив для общих игрунка. Массив непрерывно охватывает почти весь боковой поверхности коры полушария, от затылочного полюса с временной и лобной поляков, и он захватывает целом корковых нейронной активности в один выстрел. Этот протокол описывает процедуру хронического вживления массива в эпидуральное пространство мозга игрунка. Мартышек имеют два преимущества относительно ECoG записей, одна из которых была организация гомологичных анатомических структур в организме человека и макак, включая лобной, теменной и височной комплексов. Другим преимуществом является, что мозг игрунка lissencephalic и содержит большое количество комплексов, которые более сложны для доступа в макак с ЭГ, которые подвергаются воздействию поверхности мозга. Эти функции позволяют прямой доступ к наиболее корковых областях под поверхностью мозга. Эта система обеспечивает возможность для изучения глобальных корковых информации обработки с высоким разрешением в суб миллисекунды порядок во времени и порядка миллиметра в пространстве.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Познание требует координации нейронных ансамблей сетях широко мозга, особенно хорошо развита в организме человека и считается, что быть вовлечены в высших когнитивных поведение коры головного мозга. Однако как коры головного мозга достигает когнитивных поведение является нерешенным вопросом в области нейробиологии. Последние развития тонкие, гибкие electrocorticographic (ЭГ) электродов позволяет проведение стабильной записей от крупномасштабных корковой активности1. Фудзии и коллеги разработали в целом корковых ECoG массив макаки обезьян2,3. Массив непрерывно охватывает почти весь боковой коры, от затылочного полюса лобной и височной поляков и захватывает целом корковых нейронной активности в один выстрел. Мы получили дальнейшее развитие этой системы для применения в общей игрунка4,5, небольшой, новый мир обезьяна с генетическим manipulability6,7. Это животное имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами. Визуальные, слуховые, соматосенсорные, мотор и лобной коры областей этого вида были ранее сопоставлен и сообщается основные гомологичных Организации в тех же районах в людей и макак8,9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16. их мозги являются гладкими, и наиболее боковых корковых районы подвергаются поверхности коры, которая труднее доступ с ЭГ в макак. Опираясь на эти возможности, игрунка подходит для electrocorticographic исследования. Кроме того мартышек экспонат социального поведения и был выдвинут в качестве кандидата модель человеческого социального поведения17.

Этот протокол описывает процедуру имплантация эпидурального ECoG массива на всей боковой поверхности коры в общей игрунка. Это обеспечивает возможность мониторинга крупномасштабных корковой активности для приматов корковых неврологии, включая чувств, мотор, высших когнитивных и социальной областях.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Этот протокол была выполнена на 6 общие мартышек (4 кобеля, 2 суки; вес тела = 320-470 g; возраст = 14-53 месяцев). Все процедуры были проведены в соответствии с рекомендациями национальных институтов здравоохранения руководящих принципов для ухода и использования лабораторных животных. Протокол был одобрен RIKEN этическим Комитетом (No. H28-2-221(3)). Все хирургические процедуры выполнялись под наркозом, и были предприняты все усилия для сведения к минимуму количество животных, а также их дискомфорт.

1. Подготовка

  1. Получите изображение структурной магнитного резонанса (MRI) каждого индивидуального мозга. Это будет использоваться для определения расположения электродов через регистрацию с игрунка мозга Атлас и компьютерная томография (КТ).
  2. Подготовка ECoG массива: подготовить заказной многоканальный ECoG массив (рис. 1A). Массив ЭГ 96ch состоит из двух листов с 32 и 64 электродов. Для размещения индивидуальных различий в размерах мозга, ЭГ массив имеет гибкие руки. Рука может охватывать временной полюса, в зависимости от формы отдельных мозга. Разместите ссылку электродов, противоположном ECoG электродов и электроды землю лицом в одном направлении.
    1. Соберите ECoG массив с корпусом разъема (рис. 1B) и печать пробелы разъема (рис. 1 c) с помощью акриловый клей для предотвращения притока жидкости во время операции. Стерилизуйте массив с газом окиси этилена.
  3. Подготовить и стерилизации инструментов.
    Примечание: Все инструменты, используемые, перечислены в Таблице материалов.

2. Имплантация ECoG массива

Примечание: Отказаться от приема пищи и жидкости, более чем 4 ч до операции. Выполните все хирургические с асептической техники, использованием стерилизованное Перчатки и инструментов.

  1. Предварительно имплантата процедур
    1. Побудить анестезии в игрунка инъекций внутримышечно (и.м.) кетамина (15 мг/кг) 5 мин после инъекции и.м. атропина (0,08 мг/кг).
    2. Анестезировать и поддержания анестезии, с помощью изофлюрановая (1-3%, разбавляют смесь кислорода/закиси) в зависимости от физиологического состояния животного, который должен постоянно контролироваться. Убедитесь, что частота сердечных сокращений 130-180 BPM и монитор температуры тела и насыщения артериальной крови кислородом (SpO2) непрерывно, чтобы судить животного состояния.
    3. Бритья в верхней части головы животного с Клипперс и удаления волос. Полностью смыть крем удаления волос с кожи мокрой марлей, или это приведет к повреждению кожи.
    4. Администрирование антибиотиком (cefovecin; 16 мг/кг s.c.), антигипертензивное (фуросемид, и.м. 2,0 мг/кг) и антигеморрагические (carbazochrome сульфонат натрия гидрат; и.м. 0,2 мг/кг).
    5. Поместите животное на Стереотаксическая рама. В настоящее время применяются 2% лидокаин желе ухо бары и глазная мазь для глаз для предотвращения сухости и послеоперационные боли.
    6. Дезинфекция хирургические области раствором йода и накрыть стерилизованные шторы. Применение 2% лидокаин желе на место разреза кожи.
  2. Процедуры имплантации
    1. Надрезать кожу около 4 см через средней линии головы с помощью скальпеля. Отсоедините височной мышцы от черепа с кюретка, до тех пор, пока все хирургические области подвергается. Вымойте тканей на поверхности черепа и остановить кровотечение полностью с давлением гемостаз и кости воска, при необходимости. Оберните края кожи и мышц с смоченную марлю. Держите марлей, смоченной во время операции.
    2. Поместите лобной край массива на краю полюса лобной. Марк запланированных области краниотомии, щели и отверстия на череп с стерильных карандашом. Краниотомия местоположение будет зависеть от конструкции массива (рис. 2).
    3. Дрель краниотомии вдоль Марк 1, как показано на рисунке 2. Во время бурения кости, удар воздуха на передний край поддерживать четкое представление для хирурга. Далее вырежьте кости весь путь вокруг Марк 2, как кусок кости будет по-прежнему придаваться Дура в центре. Поднимите кусок осторожно от одного края и шелушиться дура с помощью шпателя. Этот процесс должен осуществляться медленно и осторожно, или он будет легко оторвать Дура.
      1. Удаление кости советы из кусок кости и оберните кусок с смачивают марлевые, как этот кусок будет возвращен после имплантации в массив.
    4. Выполняйте краниотомии 3 и 4, как показано на рисунке 2. Они позволяют вставки электроды в орбитофронтальной и затылочной областях, соответственно.
    5. Дрель прорези на Марк 5, как показано на рисунке 2. Эти отверстия позволяют рассмотрение массиве, чтобы гарантировать, что она правильно вставлена.
    6. Теперь будет подвергаться Дура. Промыть области с соленой и остановить кровотечение с давлением гемостаза и желатин губкой, в случае необходимости. Края открытого краниотомии может потребоваться быть очищены с кюретка или кости rongeur.
    7. Делают прорези (отмечены 6 на рис. 2) в которой электроды ссылки размещены. Поместите ссылку электродов в эпидуральное пространство на боковое contra сенсомоторной и затылочной области. Позиция должна определяться согласно потребностям экспериментальные.
    8. Винтовые отверстия в четырех точках вокруг каждого стебля разъема с 1,0 мм винтом (кресты на рис. 2). Чтобы предотвратить повреждение Дура материи, вставьте шпатель под череп. Эти отверстия должны быть ортогональных против черепа. Затем установите винты PEEK (1.4 x 2,5 мм) как якоря, чтобы исправить разъем к черепу.
    9. Вставьте в ЭГ массив в эпидуральное пространство. Используйте плоскую щипцы для хранения массива.
      Примечание: Массив следует вставить без изгиба. Если массив согнута, создайте соответствующие пространства, вставив шпателем между череп и дура. Если изгиба было вызвано относительно небольшой размер мозга, отрезать некоторых электродов.
    10. Исправьте ссылку и наземное электроды Стоматологическая акрилом. Место ссылки электродов в эпидуральное пространство и местах электродов на поверхности черепа. Обе контакты должны столкнуться черепа.
    11. Положите кусок кости обратно и исправить соединитель и руководитель должности к черепу Стоматологическая акрилом на винтах.
    12. Шовные кожи с нейлона 6-0 в лоб и сзади головы и исправить кожи по бокам разъема, с помощью закрытия кожи.
  3. Процедуры после имплантации
    1. Удалите из Стереотаксическая рама животного. Убедитесь, что животное остается теплой и предоставляется с кислородом во время следующие шаги.
    2. Сразу после операции придать животное с мелоксикам (и.м. 0,3 мг/кг) для уменьшения боли в послеоперационном периоде. Администрировать противовоспалительные кортикостероидов (дексаметазон; и.м. 2,0 мг/кг) и подкожной инфузии (раствор лактат Рингера; 5,0 мл), включая фамотидина (0,5 мг/кг) как gastroprotectant.
      Примечание: Одновременное использование НПВП с стероиды имеет потенциал для желудочно-кишечные побочные эффекты.
    3. После восстановления животного (подтвердить сердечного ритма и SpO2), удалить жизненно важных признаков мониторинга и передачи животное в СИС для 2-3 дней.

3. послеоперационное лечение

Примечание: Обычно это занимает 5 дней для животных, чтобы полностью оправиться от операции.

  1. Чтобы предотвратить отек мозга, администрировать противовоспалительные кортикостероидов дексаметазона (2,0 мг/кг) дважды в день в первый день после операции. Затем дозу уменьшают до 1,5 мг/кг два раза в день, на второй и третий день и 1 мг/кг два раза в день на четвертый день.
  2. Управление боли (Мелоксикам; устный 0,1 мг/кг один раз в день) и антигеморрагические (carbazochrome натрия сульфаната гидрата; 0,2 мг/кг и.м. два раза в день) в течение 5 дней после операции.
    Примечание: В нашем случае 1-2 дня после операции, некоторые мартышек (3 из 6) стали менее активными и рвало. Это может вызвано повышенное внутричерепное давление из-за тромба. Когда мартышек представил эти симптомы, мы вновь головы и удалены сгусток под общим наркозом (alfaxalone). Если не на изгиб ECoG массива во время имплантации, сгусток крови был вероятно в пространстве между массив и где кость кусок был возвращен. В этом случае сгусток крови можно помыть прочь путем запуска засоленных в пространство с помощью катетера. Эта процедура обычно приводит к восстановлению в животное.
  3. Определение расположения электродов
    1. Около 1 недели после операции, произведите компьютерной томографии (КТ) головы животного.
      Примечание: Это хорошая возможность проверить, если сигналы могут быть записаны правильно. Открыть корпус разъем и удалить любые сгустки крови, если они присутствуют.
    2. Совместите T2-взвешенный МРТ для стереотаксического координаты с помощью AFNI программного обеспечения18 (https://afni.nimh.nih.gov) (рис. 3A). Выравнивание изображения КТ изображения T2-взвешенный анатомические магнитного резонанса с AFNI (рис. 3B). Регистрация игрунка Атлас мозга на МРТ (рис. 3 c) с AFNI и МУРАВЬИ19.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В целом корковых ECoG массив может одновременно захватить нейронной активности от всего полушария. Рисунок 4 показывает примеры слуховых вызванных потенциалов (СПЗОС) из нескольких слуховой областей в бодрствовать игрунка. ЭГ записи были проведены в условиях пассивного прослушивания. Каждый игрунка была подвержена слуховой раздражители, которые состояли из рандомизированных чистых тонов с 20 типами частоты. Затем мы рассчитали СПЗОС путем усреднения ECoGs соо...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Для успешной имплантации животные должны быть обеспечены необходимым питанием до и после операции. Короткое время работы также имеет важное значение для оптимизации восстановления животного. Подготовка должна быть завершена по крайней мере за один день до операции. Чтобы уменьшить время работы, рекомендуется предыдущего краниотомии обучения с электродом массив вставки в прекращено животных для других экспериментальных целей. Таблица 1 показывает пример время курса для этого протокола.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

МК подачи заявки на патент на целом корковых массив ECoG, она используется в настоящем Протоколе (№ 2018-210975).

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы благодарим Юрий Shinomoto за предоставление ухода за животными, подготовки кадров и проснулся записей. В ЭГ массивы были изготовлены Cir-Tech (www.cir-tech.co.jp). Кроме того мы хотели бы поблагодарить Editage (www.editage.jp) для английского языка редактирования. Эта работа была поддержана картирования мозга путем комплексного нейротехнологии болезни исследований (мозг/разум), Японское агентство для медицинских исследований и развития (AMED) (JP18dm0207001), мозг науки проект центра (Роман научной инициативы НКНИ), национальные институты естественных наук (НИН) (BS291004, м.к.) и Японское общество содействия развитию науки (JSP) KAKENHI (JP17H06034, м.к.).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Стакан (100 куб.см)Outocrave
Ватный шарикOutocrave
Абсорбционные треугольникиFine Science Tools Inc.18105-03Outocrave
Ватный тампон с тонким наконечникомClean Cross Co., Ltd.HUBY340 BB-013Outocrave
Марлевый
щипцыOutocrave
для скальпеляOutocrave
ИглодержательOutocrave
Ножницы для ирисаOutocrave
Outocrave Outocrave
Adson, 1x2 зубаOutocrave
Костная кюреткаOutocrave
Micro spaturaFine Science Tools Inc.10091-12Иглодержатели Outocrave
, 12,5 см, изогнутые, гладкие губкиWorld Precision Instruments14132Outocrave
, 12 см, наконечник 0,1 ммFine Science Tools Inc.18131-12Расширитель сосуда Outocrave
, 12 см, наконечник 0,2 мм,Fine Science Tools Inc.18132-12Outocrave
Тонковершинный ронжерFine Science Tools Inc.16221-14Outocrave
Манипуратор стереотаксической рамыКлюч для газовой стерилизации
для манипуратораГазовая стерилизация
Ручное приспособление для коннектораГазовая стерилизация
Силиконовая чашка для стоматологической акрилыГазовая стерилизация
Силиконовая чашка для хлевкиГазовая стерилизация
КистьГазовая стерилизация
КарандашГазовая стерилизация
Микровинт, 1,4 мм x 2,0 ммNippon Chemical Screw Co., Ltd.PEEK/MPH-M1.4-L2Газовая стерилизация
Отвертка для микровинтаГазовая стерилизация
Микромоторный наконечник дрелиГазовая стерилизация
Жернов из нержавеющей стали, 1,4 ммГазовая стерилизация
Жернова из нержавеющей стали, 1,0 ммГазовая стерилизация
Сверло, 1,2 ммГазовая стерилизация
Резиновая воздуходувкаГазовая стерилизация
для полотенец Ручка Микро-москитные щипцы Расширитель сосуда Ключ

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Fukushima, M., Chao, Z. C., Fujii, N. Studying brain functions with mesoscopic measurements: Advances in electrocorticography for non-human primates. Current Opinion in Neurobiology. 32, 124-131 (2015).
  2. Nagasaka, Y., Shimoda, K., Fujii, N. Multidimensional recording (MDR) and data sharing: an ecological open research and educational platform for neuroscience. PLoS One. 6 (7), e22561(2011).
  3. Fukushima, M., et al. An electrocorticographic electrode array for simultaneous recording from medial, lateral, and intrasulcal surface of the cortex in macaque monkeys. Journal of Neuroscience Methods. 233, 155-165 (2014).
  4. Komatsu, M., Sugano, E., Tomita, H., Fujii, N. A Chronically Implantable Bidirectional Neural Interface for Non-human Primates. Frontiers in Neuroscience. 11, 514(2017).
  5. Komatsu, M., Takaura, K., Fujii, N. Mismatch negativity in common marmosets: Whole-cortical recordings with multi-channel electrocorticograms. Scientific Reports. 5, 15006(2015).
  6. Sasaki, E., et al. Generation of transgenic non-human primates with germline transmission. Nature. 459 (7246), 523-527 (2009).
  7. Okano, H., et al. Brain/MINDS: A Japanese National Brain Project for Marmoset Neuroscience. Neuron. 92 (3), 582-590 (2016).
  8. de la Mothe, L. A., Blumell, S., Kajikawa, Y., Hackett, T. A. Cortical connections of auditory cortex in marmoset monkeys: lateral belt and parabelt regions. Anatomical Record. 295 (5), 800-821 (2012).
  9. Kaas, J. H., Hackett, T. A. Subdivisions of auditory cortex and processing streams in primates. Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (22), 11793-11799 (2000).
  10. Ghahremani, M., Hutchison, R. M., Menon, R. S., Everling, S. Frontoparietal Functional Connectivity in the Common Marmoset. Cerebral Cortex. , (2016).
  11. Belcher, A. M., et al. Functional Connectivity Hubs and Networks in the Awake Marmoset Brain. Frontiers in Integrative Neuroscience. 10, 9(2016).
  12. Mitchell, J. F., Leopold, D. A. The marmoset monkey as a model for visual neuroscience. Neuroscience Research. 93, 20-46 (2015).
  13. Solomon, S. G., Rosa, M. G. A simpler primate brain: the visual system of the marmoset monkey. Frontiers in Neural Circuits. 8, 96(2014).
  14. Burman, K. J., Palmer, S. M., Gamberini, M., Rosa, M. G. Cytoarchitectonic subdivisions of the dorsolateral frontal cortex of the marmoset monkey (Callithrix jacchus), and their projections to dorsal visual areas. Journals of Comparative Neurology. 495 (2), 149-172 (2006).
  15. Bakola, S., Burman, K. J., Rosa, M. G. The cortical motor system of the marmoset monkey (Callithrix jacchus). Neuroscience Research. 93, 72-81 (2015).
  16. Krubitzer, L. A., Kaas, J. H. The organization and connections of somatosensory cortex in marmosets. Journal of Neuroscience. 10 (3), 952-974 (1990).
  17. Miller, C. T., et al. Marmosets: A Neuroscientific Model of Human Social Behavior. Neuron. 90 (2), 219-233 (2016).
  18. Cox, R. W. AFNI: software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
  19. Avants, B. B., et al. A reproducible evaluation of ANTs similarity metric performance in brain image registration. Neuroimage. 54 (3), 2033-2044 (2011).
  20. Hashikawa, T., Nakatomi, R., Iriki, A. Current models of the marmoset brain. Neuroscience Research. 93, 116-127 (2015).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи