Summary

Kronisk Implantation av hela-kortikala Electrocorticographic matris i Marmosettapa

Published: February 01, 2019
doi:

Summary

Vi har utvecklat en hela-kortikala electrocorticographic matris för den Marmosettapa som kontinuerligt täcker nästan hela laterala ytan av cortex, från occipital pole till den temporal och frontal polacker. Detta protokoll beskrivs hur kronisk implantation av matrisen i epiduralrummet Goeldisapa hjärnans.

Abstract

Electrocorticography (ECoG) tillåter övervakning av elektriskt fält potentialer från hjärnbarken spatiotemporal med hög upplösning. Senaste utvecklingen av tunn, flexibel ECoG elektroder har aktiverat överledning av stabil inspelningar av storskaliga kortikal aktivitet. Vi har utvecklat en hela-kortikala ECoG-matris för Marmosettapa. Matrisen täcker kontinuerligt nästan hela laterala ytan av kortikala halvklotet, från occipital pole till den temporal och frontal polacker, och det fångar hela-kortikala neural aktivitet i ett skott. Detta protokoll beskrivs hur kronisk implantation av matrisen i epiduralrummet Goeldisapa hjärnans. Silkesapor har två fördelar angående ECoG inspelningar, ena är homologa organisationen av anatomiska strukturer hos människor och makaker, inklusive frontal, parietala och temporala komplex. Den andra fördelen är att Goeldisapa hjärnan är lissencephalic och innehåller ett stort antal komplex, som är svårare att komma åt i makaker med ECoG, som utsätts för hjärnan ytan. Dessa funktioner kan direkt tillgång till de flesta kortikala områden under ytan av hjärnan. Detta system ger en möjlighet att undersöka globala kortikala informationsbehandling med hög upplösning på en sub millisekund i tid och millimeter orderraden i rymden.

Introduction

Kognition kräver samordning av neurala ensembler över utbredda hjärnans nätverk, särskilt hjärnbarken som är väl utvecklat hos människor och tros vara inblandade i högre kognitiva beteenden. Men är hur neocortex uppnår detta kognitiv beteende ett olöst problem i fältet neurovetenskap. Senaste utvecklingen av tunn, flexibel electrocorticographic (ECoG) elektroder gör överledning av stabil inspelningar från storskaliga kortikal aktivitet1. Fujii och kollegor har utvecklat en hela-kortikala ECoG-matris för Makaker apor2,3. Matrisen kontinuerligt täcker nästan hela laterala cortex, från occipital Polen till temporal och frontal polackerna, och fångar hela-kortikala neural aktivitet i ett skott. Vi har vidareutvecklat detta system för tillämpning i den vanliga Goeldisapa4,5, en liten, nya-världen apa med genetiska manipulability6,7. Detta djur har flera fördelar jämfört med andra arter. Den visuella, auditiva, somatosensoriska, motor, och frontala kortikala områden av denna art har tidigare kartlagt och rapporteras ha grundläggande homologa organisation till samma områden i människor och makaker8,9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16. deras hjärnor är släta och mest laterala kortikala områden utsätts för ytan av cortex, som är svårare att komma åt med ECoG i makaker. Baserat på dessa funktioner, är Goeldisapa lämplig för electrocorticographic studier. Dessutom silkesapor uppvisar sociala beteenden och har föreslagits som en kandidat modell av människans sociala beteenden17.

Det här protokollet beskriver en epidural implantation tillvägagångssättet av ECoG matrisen på hela laterala ytan av cortex i en Marmosettapa. Det ger en möjlighet att övervaka storskaliga kortikal aktivitet för primate kortikala neurovetenskap, inklusive sensoriska, motoriska, högre kognitiva och sociala domäner.

Protocol

Detta protokoll har utförts på 6 gemensamma silkesapor (4 hanar, 2 honor; kroppsvikt = 320-470 g; Ålder = 14-53 månader). Alla förfaranden genomfördes i enlighet med rekommendationerna i de nationella institut för hälsa riktlinjerna för vård och användning av försöksdjur. Protokollet godkändes av den etiska kommittén för RIKEN (nr. H28-2-221(3)). Alla kirurgiska ingrepp utfördes under anestesi, och alla ansträngningar har gjorts för att minimera antalet djur som används samt deras besvär. <p clas…

Representative Results

Hela-kortikala ECoG matrisen kan samtidigt fånga neuronal aktivitet från helheten av ett halvklot. Figur 4 visar exempel på auditory evoked potentials (AEPs) från flera auditiv områden i en vaken silkesapa. ECoG inspelningar genomfördes i passivt lyssnande villkor. Varje Goeldisapa utsattes för auditiv stimuli, som bestod av randomiserade rena toner med 20 typer av frekvens. Vi beräknas därefter, AEPs av genomsnitt ECoGs i linje med ansats på tonern…

Discussion

För lyckad implantation förses djur med tillräcklig näring före och efter operation. Kort drifttid är också viktigt att optimera djurets återhämtning. Preparat bör vara klar minst en dag innan operation. För att minska drifttiden, rekommenderas tidigare kraniotomi utbildning med elektrod array införande i avslutade djur för andra experimentella syften. Tabell 1 visar ett exempel på tidsförloppet för detta protokoll.

Vi ändrade anestesi förfarande och postope…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi tackar Yuri Shinomoto för att ge djurens vård, utbildning och vaken inspelningar. De ECoG arrayer tillverkades av Cir-Tech (www.cir-tech.co.jp). Dessutom vill vi tacka Editage (www.editage.jp) för engelska språket redigering. Detta arbete stöds av den Brain Mapping av integrerade Neurotechnologies för sjukdom studier (hjärnan/sinnen), Japan byrån för medicinsk forskning och utveckling (AMED) (JP18dm0207001), Brain Science projektet för centrum för romanen vetenskap initiativ ( CNSI), de nationella instituten för naturvetenskap (NINS) (BS291004, M.K.), och genom Japan Society för främjande av vetenskap (JSPS) KAKENHI (JP17H06034, M.K.).

Materials

Beaker (100 cc) Outocrave
Cotton ball Outocrave
Absorption triangles Fine Science Tools Inc. 18105-03 Outocrave
Cotton swab with fine tip Clean Cross Co., Ltd. HUBY340 BB-013 Outocrave
Gauze Outocrave
Towel forceps Outocrave
Scalpel handle Outocrave
Needle Holder Outocrave
Iris Scissor Outocrave
Micro-Mosquito Forceps Outocrave
Adson, 1×2 teeth Outocrave
Bone Curette Outocrave
Micro spatura Fine Science Tools Inc. 10091-12 Outocrave
Needle Holders, 12.5cm, Curved, Smooth Jaws World Precision Instruments 14132 Outocrave
Vessel Dilator, 12cm, 0.1mm tip Fine Science Tools Inc. 18131-12 Outocrave
Vessel Dilator, 12cm, 0.2 mm tip Fine Science Tools Inc. 18132-12 Outocrave
Fine-tipped rongeur Fine Science Tools Inc. 16221-14 Outocrave
Manipurator of a stereotaxic frame Gas sterilization
Wrench for the manipurator Gas sterilization
Hand-made fixture for the connector Gas sterilization
Silicon cup for dental acril Gas sterilization
Silicon cup hlder Gas sterilization
Paintbrush Gas sterilization
Pencil Gas sterilization
Micro screw, 1.4 mm x 2.0 mm Nippon Chemical Screw Co., Ltd. PEEK/MPH-M1.4-L2 Gas sterilization
Screw driver for the micro screw Gas sterilization
Micromotor handpiece of a drill Gas sterilization
Stainless steel burr, 1.4 mm Gas sterilization
Stainless steel burr, 1.0 mm Gas sterilization
Drill bit, 1.2 mm Gas sterilization
Rubber air blower Gas sterilization

References

  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).

Play Video

Cite This Article
Komatsu, M., Kaneko, T., Okano, H., Ichinohe, N. Chronic Implantation of Whole-cortical Electrocorticographic Array in the Common Marmoset. J. Vis. Exp. (144), e58980, doi:10.3791/58980 (2019).

View Video