Стереотаксическая хирургия на грызунах
Стереотаксическая хирургия является мощным методом, используемым для манипулирования мозгом у живых животных. Нацеливание на области глубоко в интактном мозге представляет собой уникальную проблему, поскольку обычно хирургическая мишень не может быть обнаружена визуально. Стереотаксия или стереотаксическая хирургия была разработана для воздействия на дискретные области мозга, зная их пространственные отношения к видимым ориентирам. Используя трехмерную систему координат, инструменты могут быть направлены в определенные места для того, чтобы измерить активность мозга, произвести повреждение или выполнить генетические манипуляции. В этом видео будут рассмотрены принципы стереотаксической хирургии, продемонстрированы основные этапы процедуры и обсуждены различные области применения этой техники.
Прежде чем обсуждать процедурные детали, давайте рассмотрим основные принципы и инструменты методики. Начнем с того, что стереотаксия зависит от расположения целевой области мозга на трехмерной оси. Для этого используется стереотаксический атлас. Этот документ представляет собой 3D-реконструкцию мозга, полученную из серийных срезов окрашенного мозга.
В этой системе отсчета пространственные отношения выражаются с помощью набора из 3 осей: передне-задней, медиально-латеральной и дорсально-вентральной. Чтобы определить местоположение интересующей области, найдите соответствующую область мозга в атласе и используйте сетку для вычисления соответствующих медиолатеральных и дорсовентральных координат. Переднезадняя координата получается внизу или вверху страницы. Эта координата измеряется по ориентирам на черепе, образованным пересечениями костных пластин, которые известны как швы. Наиболее заметный ориентир, брегма, определяется как точка пересечения сагиттального шва с коронарным швом. Точка, известная как лямбда, находится более задне; где сагиттальный шов пересекает лямбдоидный шов.
Для точного наведения на расчетное место во время операции используется устройство, известное как стереотаксическая рамка. Рамка состоит из основной рамы, микроманипулятора и держателя зонда, который крепится к монтажному зажиму. Резцы и ушные планки соприкасаются с животным для того, чтобы удерживать голову в фиксированном положении. Микроманипулятор используется для точного перемещения хирургических зондов по заданным координатам в мозге и оснащен скользящими весами Вернье для точного измерения расстояний во всех трех измерениях.
Чтобы прочитать шкалу нониуса, сначала определите расположение линии 0 по отношению к делениям в правой части шкалы. Эта сторона шкалы помечена с шагом 10 мм, так что 1 равно 10, а 2 — 20. Расположение отметки 0 здесь показывает, что показания находятся в диапазоне от 10 до 11 мм. Чтобы определить первое число справа от десятичной запятой, найдите линию на левой шкале, которая лучше всего совпадает с отметкой справа. Используйте левую шкалу для определения значения этой отметки, которое в данном случае равно 9, что делает итоговое значение 10,9 мм.
Теперь вы знакомы с основными принципами стереотаксии, поэтому давайте рассмотрим, как проводится хирургическая процедура. Перед операцией кожа головы животного, находящегося под наркозом, бреется и дезинфицируется. Чтобы удержать животное на месте на стереотаксической раме, ушные планки аккуратно помещаются в уши, а передние зубы — в резцы. Глазная мазь применяется для предотвращения высыхания роговицы во время операции.
Чтобы обнажить череп, сделайте небольшой надрез скальпелем. Аккуратно отделите мышечную ткань и очистите поверхность черепа. Затем с помощью микроманипулятора опустите зонд в брегму и запишите его дорсовентральную координату. Затем поднимите щуп и повторите эту процедуру на лямбде. Если лямбда измеряется менее чем на 0,1 мм от дорсовентральной координаты в брегме, череп считается ровным, и вы готовы к продолжению. Если нет, поднимите или опустите резец резца и повторите измерения.
Теперь, когда мозг выровнен, вернитесь в брегму и запишите медиолатеральные и переднезадние координаты. На основе координат цели из атласа мозга рассчитайте движения, необходимые для достижения этого места, и переместите зонд в целевое положение. Отметьте это положение на черепе и с помощью дрели аккуратно проделайте отверстие в кости.
Прямо под черепом вы найдете твердую мозговую оболочку, толстую прочную мембрану, которую можно аккуратно разрезать кончиком небольшой иглы.
Затем рука микроманипулятора помещается в положение, позволяющее опустить зонд в целевую дорсовентральную координату, после чего можно выполнить желаемую манипуляцию.
Теперь, когда вы понимаете основные этапы процедуры, давайте рассмотрим некоторые из многих способов, которыми нейробиологи используют стереотаксическую хирургию для ответа на вопросы в лаборатории.
Начнем с того, что стереотаксия чрезвычайно полезна для доставки экспериментальных агентов в определенные области мозга. Эти агенты могут включать в себя индикаторные красители, используемые для визуализации нейронных проекций и связей, химические соединения или реагенты для генетических манипуляций с нейронами. Например, инъекция генетически модифицированных вирусов приведет к доставке интересующего гена в инфицированные клетки. Здесь вирус был введен в гиппокамп, что привело к экспрессии GFP в небольшой популяции нейронов.
С другой стороны, вирусная доставка небольших интерферирующих РНК может препятствовать экспрессии желаемых белков. В этом примере экспрессия белка SOD1 была подавлена в различных областях мозга после стереотаксической инъекции в латеральный желудочек.
В качестве альтернативы стереотаксическая хирургия может быть использована для размещения электродов в мозге для записи электрических сигналов, сопровождающих нейронную активность. После того, как животное оправится от хирургической процедуры, электроды могут быть подключены к электрофизиологическим системам регистрации для наблюдения за возбуждением нейронов, в то время как мышь ведет себя свободно.
В дополнение к измерению активности нейронов, стереотаксическая хирургия играет важную роль в микродиализе. Этот метод позволяет осуществлять непрерывный мониторинг концентраций лекарств, нейромедиаторов или метаболитов в тканях мозга бодрствующих животных. Для этого в определенный участок мозга имплантируется небольшой, наполненный жидкостью зонд с полупроницаемой мембраной на конце. Небольшие растворенные вещества, включая нейротрансмиттеры, гормоны и лекарства, диффундируют в зонд, где их можно собрать для анализа. В этом эксперименте концентрация глюкозы в гиппокампе измерялась в качестве показателя локальной нейронной активности, пока крысы выполняли задачу, требующую использования пространственной рабочей памяти.
Вы только что посмотрели видео JoVE о стереотаксической хирургии. В этом видео мы рассмотрели принципы и методы процедуры, а также ее многочисленные применения в лабораториях нейробиологии.
Спасибо за просмотр!
Стереотаксическая (или стереотаксическая) хирургия – это метод, используемый для манипуляций с мозгом живых животных. Этот метод позволяет исследовате…
Стереотаксическая хирургия является мощным методом, используемым для манипулирования мозгом у живых животных. Нацеливание на области глубоко в интактном мозге представляет собой уникальную проблему, поскольку обычно хирургическая мишень не может быть обнаружена визуально. Стереотаксия или стереотаксическая хирургия была разработана для воздействия на дискретные области мозга, зная их пространственные отношения к видимым ориентирам. Используя трехмерную систему координат, инструменты могут быть направлены в определенные места для того, чтобы измерить активность мозга, произвести повреждение или выполнить генетические манипуляции. В этом видео будут рассмотрены принципы стереотаксической хирургии, продемонстрированы основные этапы процедуры и обсуждены различные области применения этой техники.
Прежде чем обсуждать процедурные детали, давайте рассмотрим основные принципы и инструменты методики. Начнем с того, что стереотаксия зависит от расположения целевой области мозга на трехмерной оси. Для этого используется стереотаксический атлас. Этот документ представляет собой 3D-реконструкцию мозга, полученную из серийных срезов окрашенного мозга.
В этой системе отсчета пространственные отношения выражаются с помощью набора из 3 осей: передне-задней, медиально-латеральной и дорсально-вентральной. Чтобы определить местоположение интересующей области, найдите соответствующую область мозга в атласе и используйте сетку для вычисления соответствующих медиолатеральных и дорсовентральных координат. Переднезадняя координата получается внизу или вверху страницы. Эта координата измеряется по ориентирам на черепе, образованным пересечениями костных пластин, которые известны как швы. Наиболее заметный ориентир, брегма, определяется как точка пересечения сагиттального шва с коронарным швом. Точка, известная как лямбда, находится более задне; где сагиттальный шов пересекает лямбдоидный шов.
Для точного наведения на расчетное место во время операции используется устройство, известное как стереотаксическая рамка. Рамка состоит из основной рамы, микроманипулятора и держателя зонда, который крепится к монтажному зажиму. Резцы и ушные планки соприкасаются с животным для того, чтобы удерживать голову в фиксированном положении. Микроманипулятор используется для точного перемещения хирургических зондов по заданным координатам в мозге и оснащен скользящими весами Вернье для точного измерения расстояний во всех трех измерениях.
Чтобы прочитать шкалу нониуса, сначала определите расположение линии 0 по отношению к делениям в правой части шкалы. Эта сторона шкалы помечена с шагом 10 мм, так что 1 равно 10, а 2 — 20. Расположение отметки 0 здесь показывает, что показания находятся в диапазоне от 10 до 11 мм. Чтобы определить первое число справа от десятичной запятой, найдите линию на левой шкале, которая лучше всего совпадает с отметкой справа. Используйте левую шкалу для определения значения этой отметки, которое в данном случае равно 9, что делает итоговое значение 10,9 мм.
Теперь вы знакомы с основными принципами стереотаксии, поэтому давайте рассмотрим, как проводится хирургическая процедура. Перед операцией кожа головы животного, находящегося под наркозом, бреется и дезинфицируется. Чтобы удержать животное на месте на стереотаксической раме, ушные планки аккуратно помещаются в уши, а передние зубы — в резцы. Глазная мазь применяется для предотвращения высыхания роговицы во время операции.
Чтобы обнажить череп, сделайте небольшой надрез скальпелем. Аккуратно отделите мышечную ткань и очистите поверхность черепа. Затем с помощью микроманипулятора опустите зонд в брегму и запишите его дорсовентральную координату. Затем поднимите щуп и повторите эту процедуру на лямбде. Если лямбда измеряется менее чем на 0,1 мм от дорсовентральной координаты в брегме, череп считается ровным, и вы готовы к продолжению. Если нет, поднимите или опустите резец резца и повторите измерения.
Теперь, когда мозг выровнен, вернитесь в брегму и запишите медиолатеральные и переднезадние координаты. На основе координат цели из атласа мозга рассчитайте движения, необходимые для достижения этого места, и переместите зонд в целевое положение. Отметьте это положение на черепе и с помощью дрели аккуратно проделайте отверстие в кости.
Прямо под черепом вы найдете твердую мозговую оболочку, толстую прочную мембрану, которую можно аккуратно разрезать кончиком небольшой иглы.
Затем рука микроманипулятора помещается в положение, позволяющее опустить зонд в целевую дорсовентральную координату, после чего можно выполнить желаемую манипуляцию.
Теперь, когда вы понимаете основные этапы процедуры, давайте рассмотрим некоторые из многих способов, которыми нейробиологи используют стереотаксическую хирургию для ответа на вопросы в лаборатории.
Начнем с того, что стереотаксия чрезвычайно полезна для доставки экспериментальных агентов в определенные области мозга. Эти агенты могут включать в себя индикаторные красители, используемые для визуализации нейронных проекций и связей, химические соединения или реагенты для генетических манипуляций с нейронами. Например, инъекция генетически модифицированных вирусов приведет к доставке интересующего гена в инфицированные клетки. Здесь вирус был введен в гиппокамп, что привело к экспрессии GFP в небольшой популяции нейронов.
С другой стороны, вирусная доставка небольших интерферирующих РНК может препятствовать экспрессии желаемых белков. В этом примере экспрессия белка SOD1 была подавлена в различных областях мозга после стереотаксической инъекции в латеральный желудочек.
В качестве альтернативы стереотаксическая хирургия может быть использована для размещения электродов в мозге для записи электрических сигналов, сопровождающих нейронную активность. После того, как животное оправится от хирургической процедуры, электроды могут быть подключены к электрофизиологическим системам регистрации для наблюдения за возбуждением нейронов, в то время как мышь ведет себя свободно.
В дополнение к измерению активности нейронов, стереотаксическая хирургия играет важную роль в микродиализе. Этот метод позволяет осуществлять непрерывный мониторинг концентраций лекарств, нейромедиаторов или метаболитов в тканях мозга бодрствующих животных. Для этого в определенный участок мозга имплантируется небольшой, наполненный жидкостью зонд с полупроницаемой мембраной на конце. Небольшие растворенные вещества, включая нейротрансмиттеры, гормоны и лекарства, диффундируют в зонд, где их можно собрать для анализа. В этом эксперименте концентрация глюкозы в гиппокампе измерялась в качестве показателя локальной нейронной активности, пока крысы выполняли задачу, требующую использования пространственной рабочей памяти.
Вы только что посмотрели видео JoVE о стереотаксической хирургии. В этом видео мы рассмотрели принципы и методы процедуры, а также ее многочисленные применения в лабораториях нейробиологии.
Спасибо за просмотр!
Стереотаксическая хирургия является мощным методом, используемым для манипулирования мозгом у живых животных. Нацеливание на области глубоко в интактном мозге представляет собой уникальную проблему, поскольку обычно хирургическая мишень не может быть обнаружена визуально. Стереотаксия или стереотаксическая хирургия была разработана для воздействия на дискретные области мозга, зная их пространственные отношения к видимым ориентирам. Используя трехмерную систему координат, инструменты могут быть направлены в определенные места для того, чтобы измерить активность мозга, произвести повреждение или выполнить генетические манипуляции. В этом видео будут рассмотрены принципы стереотаксической хирургии, продемонстрированы основные этапы процедуры и обсуждены различные области применения этой техники.
Прежде чем обсуждать процедурные детали, давайте рассмотрим основные принципы и инструменты методики. Начнем с того, что стереотаксия зависит от расположения целевой области мозга на трехмерной оси. Для этого используется стереотаксический атлас. Этот документ представляет собой 3D-реконструкцию мозга, полученную из серийных срезов окрашенного мозга.
В этой системе отсчета пространственные отношения выражаются с помощью набора из 3 осей: передне-задней, медиально-латеральной и дорсально-вентральной. Чтобы определить местоположение интересующей области, найдите соответствующую область мозга в атласе и используйте сетку для вычисления соответствующих медиолатеральных и дорсовентральных координат. Переднезадняя координата получается внизу или вверху страницы. Эта координата измеряется по ориентирам на черепе, образованным пересечениями костных пластин, которые известны как швы. Наиболее заметный ориентир, брегма, определяется как точка пересечения сагиттального шва с коронарным швом. Точка, известная как лямбда, находится более задне; где сагиттальный шов пересекает лямбдоидный шов.
Для точного наведения на расчетное место во время операции используется устройство, известное как стереотаксическая рамка. Рамка состоит из основной рамы, микроманипулятора и держателя зонда, который крепится к монтажному зажиму. Резцы и ушные планки соприкасаются с животным для того, чтобы удерживать голову в фиксированном положении. Микроманипулятор используется для точного перемещения хирургических зондов по заданным координатам в мозге и оснащен скользящими весами Вернье для точного измерения расстояний во всех трех измерениях.
Чтобы прочитать шкалу нониуса, сначала определите расположение линии 0 по отношению к делениям в правой части шкалы. Эта сторона шкалы помечена с шагом 10 мм, так что 1 равно 10, а 2 — 20. Расположение отметки 0 здесь показывает, что показания находятся в диапазоне от 10 до 11 мм. Чтобы определить первое число справа от десятичной запятой, найдите линию на левой шкале, которая лучше всего совпадает с отметкой справа. Используйте левую шкалу для определения значения этой отметки, которое в данном случае равно 9, что делает итоговое значение 10,9 мм.
Теперь вы знакомы с основными принципами стереотаксии, поэтому давайте рассмотрим, как проводится хирургическая процедура. Перед операцией кожа головы животного, находящегося под наркозом, бреется и дезинфицируется. Чтобы удержать животное на месте на стереотаксической раме, ушные планки аккуратно помещаются в уши, а передние зубы — в резцы. Глазная мазь применяется для предотвращения высыхания роговицы во время операции.
Чтобы обнажить череп, сделайте небольшой надрез скальпелем. Аккуратно отделите мышечную ткань и очистите поверхность черепа. Затем с помощью микроманипулятора опустите зонд в брегму и запишите его дорсовентральную координату. Затем поднимите щуп и повторите эту процедуру на лямбде. Если лямбда измеряется менее чем на 0,1 мм от дорсовентральной координаты в брегме, череп считается ровным, и вы готовы к продолжению. Если нет, поднимите или опустите резец резца и повторите измерения.
Теперь, когда мозг выровнен, вернитесь в брегму и запишите медиолатеральные и переднезадние координаты. На основе координат цели из атласа мозга рассчитайте движения, необходимые для достижения этого места, и переместите зонд в целевое положение. Отметьте это положение на черепе и с помощью дрели аккуратно проделайте отверстие в кости.
Прямо под черепом вы найдете твердую мозговую оболочку, толстую прочную мембрану, которую можно аккуратно разрезать кончиком небольшой иглы.
Затем рука микроманипулятора помещается в положение, позволяющее опустить зонд в целевую дорсовентральную координату, после чего можно выполнить желаемую манипуляцию.
Теперь, когда вы понимаете основные этапы процедуры, давайте рассмотрим некоторые из многих способов, которыми нейробиологи используют стереотаксическую хирургию для ответа на вопросы в лаборатории.
Начнем с того, что стереотаксия чрезвычайно полезна для доставки экспериментальных агентов в определенные области мозга. Эти агенты могут включать в себя индикаторные красители, используемые для визуализации нейронных проекций и связей, химические соединения или реагенты для генетических манипуляций с нейронами. Например, инъекция генетически модифицированных вирусов приведет к доставке интересующего гена в инфицированные клетки. Здесь вирус был введен в гиппокамп, что привело к экспрессии GFP в небольшой популяции нейронов.
С другой стороны, вирусная доставка небольших интерферирующих РНК может препятствовать экспрессии желаемых белков. В этом примере экспрессия белка SOD1 была подавлена в различных областях мозга после стереотаксической инъекции в латеральный желудочек.
В качестве альтернативы стереотаксическая хирургия может быть использована для размещения электродов в мозге для записи электрических сигналов, сопровождающих нейронную активность. После того, как животное оправится от хирургической процедуры, электроды могут быть подключены к электрофизиологическим системам регистрации для наблюдения за возбуждением нейронов, в то время как мышь ведет себя свободно.
В дополнение к измерению активности нейронов, стереотаксическая хирургия играет важную роль в микродиализе. Этот метод позволяет осуществлять непрерывный мониторинг концентраций лекарств, нейромедиаторов или метаболитов в тканях мозга бодрствующих животных. Для этого в определенный участок мозга имплантируется небольшой, наполненный жидкостью зонд с полупроницаемой мембраной на конце. Небольшие растворенные вещества, включая нейротрансмиттеры, гормоны и лекарства, диффундируют в зонд, где их можно собрать для анализа. В этом эксперименте концентрация глюкозы в гиппокампе измерялась в качестве показателя локальной нейронной активности, пока крысы выполняли задачу, требующую использования пространственной рабочей памяти.
Вы только что посмотрели видео JoVE о стереотаксической хирургии. В этом видео мы рассмотрели принципы и методы процедуры, а также ее многочисленные применения в лабораториях нейробиологии.
Спасибо за просмотр!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is a stereotaxic atlas and how is it used in brain surgery?
A stereotaxic atlas is a 3D reconstruction of the brain created from serial sections of stained brains. It provides spatial coordinates using three axes: anterior-posterior, medial-lateral, and dorsal-ventral. Researchers locate their target brain region in the atlas and use the grid to calculate corresponding coordinates, enabling precise targeting of deep brain structures during surgery.
Q2: How do surgeons identify anatomical landmarks like bregma and lambda?
Bregma and lambda are skull landmarks formed by intersections of bone plates called sutures. Bregma is where the sagittal suture meets the coronal suture, while lambda is more posterior where the sagittal suture intersects the lambdoid suture. These landmarks serve as reference points for measuring coordinates and positioning the surgical probe accurately during stereotaxic procedures.
Q3: What components make up a stereotaxic frame and what do they do?
The stereotaxic frame consists of a main frame, micromanipulator, and probe holder attached to a mounting clamp. Incisor and ear bars hold the animal's head in a fixed position. The micromanipulator enables precise movement of surgical probes to predetermined coordinates using sliding Vernier scales for exact measurements in all three dimensions.
Q4: How do you read a Vernier scale on a stereotaxic micromanipulator?
First, identify where the 0 line sits relative to tick marks on the right scale, which is labeled in 10 millimeter increments. Then find the line on the left scale that aligns best with a mark on the right side and note its value. Combine these readings to determine the precise coordinate measurement, such as 10.9 millimeters.
Q5: What are the main surgical steps for performing stereotaxic surgery?
After anesthetizing and positioning the animal, surgeons shave and disinfect the scalp, then expose the skull with a small incision. They level the brain by measuring at bregma and lambda, record coordinates, calculate probe movements to the target, drill a hole in the bone, and section the dura membrane. The micromanipulator then lowers the probe to the target depth for the desired manipulation.
Q6: How is stereotaxic surgery used to deliver genes or genetic material to the brain?
Genetically engineered viruses are injected into precise brain regions using stereotaxic surgery, delivering genes of interest to infected cells. Alternatively, viral delivery of small interfering RNA can suppress specific protein expression in targeted brain areas. This approach enables researchers to manipulate gene expression in discrete neural populations for studying cellular and molecular neuroscience research.
Q7: What recording and monitoring techniques use stereotaxic surgery to study brain function?
Stereotaxic surgery enables electrode placement for recording electrical signals from neurons during freely behaving tasks. Microdialysis probes with semipermeable membranes can be implanted to continuously monitor neurotransmitter, drug, or metabolite concentrations in awake animals. These techniques allow researchers to measure neural activity and brain chemistry while animals perform behavioral tasks requiring spatial working memory.
Главы в этом видео
0:00
Overview
1:00
Principles of Stereotaxic Surgery and the Stereotaxic Frame
3:50
Stereotaxic Surgery
5:48
Applications
8:05
Summary