כירורגיה סטריאוטקאית עבור השרשה של מערכים מיקרואלקטרודה ב מרמוסטמצוי
Summary
עבודה זו מהווה פרוטוקול לביצוע השרנית, השתלת נוירו-ניתוחית של מערכים מיקרואלקטרודה במרסט המשותף. שיטה זו מאפשרת באופן מפורש הקלטות אלקטרופיזיולוגיות בבעלי חיים מתנהגים בחופשיות, אך ניתן להתאים בקלות לכל התערבות נוירולוגית דומה אחרת במין זה (למשל, צינורית עבור מינהל התרופות או אלקטרודות לגירוי מוחי).
Abstract
מרמוסטים (הקליריות) הם יונקים קטנים שאינם אנושיים, אשר צוברים פופולריות במחקר ביו-קליני, כולל מדעי המוח. פילוגנטית, החיות האלה קרובות. יותר לבני אדם מאשר מכרסמים הם גם מציגים התנהגויות מורכבות, כולל מגוון רחב של התאמות ואינטראקציות חברתיות. כאן, הליך נוירוניתוחי כירורגי יעיל להשתלה של מערכי אלקטרודה הקלטה במרסט המשותף מתואר. פרוטוקול זה מפרט את הצעדים שלפני ואחרי הניתוח של טיפול בבעלי חיים הנדרשים לבצע ניתוח מוצלח כזה. לבסוף, פרוטוקול זה מציג דוגמה של פוטנציאל שדה מקומי הקלטות של פעילות ספייק ב מרמוסט התנהגות חופשית 1 שבוע לאחר ההליך הכירורגי. באופן כללי, שיטה זו מספקת הזדמנות ללמוד את תפקוד המוח הערה ובחופשיות מתנהג מרמוסטים. הפרוטוקול אותו ניתן להשתמש בקלות על ידי החוקרים עובדים עם פרימטים קטנים אחרים. בנוסף, ניתן לשנות אותו בקלות כדי לאפשר מחקרים אחרים הדורשים שתלים, כגון מגרה אלקטרודות, מיקרוזריקות, השרשה של optrodes או צינורית מדריך, או אבלציה של אזורי רקמה דיסקרטית.
Introduction
מרמוסטים משותפים (מיקפון) הם צוברים הכרה כאורגניזם מודל חשוב בתחומים רבים של מחקר, כולל מדעי המוח. הפרימטים החדשים של העולם החדש מייצגים דגם בעלי חיים חשוב ומשלים לשני מכרסמים ופרימטים לא אנושיים אחרים (NHPs), כגון מקוק רזוס. כמו מכרסמים, בעלי חיים אלה הם קטנים, קל לתמרן, וחסכוני יחסית לטיפול ולהתרבות1,2,3,4, לעומת nhps גדול. יתר על כן, בעלי חיים אלה יש נטייה לתאומים ופוריות גבוהה ביחס nhps אחרים1,2,3. יתרון נוסף מרמוסט יש מעל פרימטים רבים אחרים היא כי כלים ביולוגיה מולקולרית מודרני3,4,5,6,7 ו הגנום רציף2 ,3,4,5,8 . שימשו כדי לשנות אותם גנטית שני בעלי חיים הדפיקה באמצעות וירוס5, ובעלי חיים לנקוש באמצעות הנוקלאוסים של אצבעות אבץ (ZFNs) ותמלול activator כמו נוקלאוסיס (talens)7, הניבו חיות מייסד קיימא.
יתרון ביחס מכרסמים הוא כי מרמוסטים, כמו פרימטים, הם phylogenetically קרוב לבני אדם3,5,6,9,10,11. כמו בני אדם, מרמוסטים הם בעלי חיים יומי התלויים במערכת חזותית מפותחת מאוד להנחות הרבה מההתנהגות שלהם10. יתר על כן, מרמוסטים את המורכבות ההתנהגותית, כולל מגוון רחב של התנהגויות חברתיות כגון שימוש בהסברים שונים3, המאפשר לחוקרים לטפל בשאלות שאינן אפשריות במינים אחרים. מנקודת מבט נוירולוגית, מרמוסטים יש מוחות lissencephaly, בניגוד לשימוש נפוץ יותר רזוס מקוק9. יתר על כן, מרמוסטים יש מערכת העצבים המרכזית דומה לבני אדם, כולל קליפת ראש מפותחת יותר מפותח9. ביחד, כל המאפיינים הללו עמדות מרמוסטים כמודל יקר ללמוד תפקוד המוח בריאות ומחלות.
שיטה נפוצה ללמידה בתפקוד המוח כרוכה בזריעת אלקטרודות במיקומים ספציפיים מבחינה אנטומית באמצעות נוירוכירורגיה סטריאוטקאית. הדבר מאפשר הקלטה כרוכרותית של הפעילות העצבית באזורי יעד שונים, ומתנהגים באופן חופשי בעלי חיים12,13. נוירוכירורגיה סטריאוטקאית היא טכניקה הכרחית בשימוש בקווים רבים של מחקר, כפי שהיא מאפשרת מיקוד מדויק של אזורים נוירואנטומיים. לעומת מקוק וספרות מכרסמים, יש פחות מחקרים שפורסמו המתארים את הנוירוכירורגיה סטריאוטקאית ספציפיים למרסט, והם נוטים לספק פירוט דליל של השלבים המעורבים בניתוח. יתר על כן, אלה עם פירוט רב יותר בעיקר להתמקד בהליכים עבור הקלטת אלקטרופיזיולוגיה בעלי חיים מאופקים הראש14,15,16,17.
על מנת להקל על אימוץ רחב יותר של מרמוסטים כאורגניזם מודל במחקר מדעי המוח, השיטה הנוכחית מגדירה צעדים ספציפיים הנחוצים עבור נוירוכירורגיה מוצלחת סטריאוטקאית במין זה. בנוסף השרשה של מערכי הקלטה, כפי שמפורט בשיטה הנוכחית, אותה טכניקה יכולה להיות מותאמת לקצוות ניסיוניים רבים אחרים, כולל השרשה של האלקטרודות הגירוי לטיפול במחלות18 או causally נהיגה התנהגות מעגל19; השרשה של צינורית מדריך לחילוץ וכימות של נוירוטרנסמיטורים20, זריקות של ריאגנטים, כולל אלה עבור גרימת מודלים מחלות12 או עבור לימודי העקיבה מעגלים15; אבלציה של אזורים רקמה דיסקרטית21; השרשה של optrodes עבור לימודי אלקטרואופטיקה22; השרשה של חלונות אופטיים לניתוח מיקרוסקופית קורטיקלית23; והשרשה של מערכים electrocorticographic (ECoG)24. כך, המטרה הכוללת של הליך זה היא לתאר את השלבים המנתחים המעורבים השרשה של מערכי מיקרואלקטרודה עבור הקלטות אלקטרופיזיולוגיות כרונית באופן חופשי התנהגות מרמוסטים.
Protocol
Representative Results
Discussion
עבודה זו מספקת תיאור מפורט של ההליכים המעורבים השרשה של מערכי הקלטה מיקרואלקטרודה במוח מרמוסט. אותו פרוטוקול ניתן להשתמש בקלות בעת השתלת אלקטרודות, אם ביתי או מסחרית זמין, בפרימטים קטנים אחרים. בנוסף, זה יכול להיות מותאם בקלות לקצוות ניסיוניים אחרים הדורשים התמקדות מדויקת של מבני המוח. לכ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות לברנרדו Luiz לקבלת סיוע טכני עם הצילום והעריכה. עבודה זו נתמכת על-ידי מכון סנטוס דומונט (ISD), משרד החינוך הברזילאי (MEC) וקורדנדסיו דה איסואסאלדה (שכמיות).
Materials
| Equipments | |||
| 683 Small Animal Ventilator | Harvard Apparatus, Inc. | 55-0000 | |
| Anesthesia Assembly | BRASMED | COLIBRI | |
| Barber Clippers | Mundial | HC-SERIES | |
| Dental Drill | Norgen | B07-201-M1KG | |
| Homeothermic Heating Pad and Monitor | Harvard Apparatus, Inc. | 50-7212 | |
| Marmoset Stereotaxic Frame | Narishige Scientific Instrument Lab | SR-6C-HT | |
| Patient Monitor and Pulse Oximeter | Bionet Co., Ltd | BM3 | |
| Stereotaxic Micromanipulator | Narishige Scientific Instrument Lab | SM-15R | |
| Surgical Microscope | Opto | SM PLUS IBZ | |
| Instruments | |||
| Allis tissue forceps | Sklar | 36-2275 | |
| Alm Retractor, rounded point, 4×4 teeth | Rhosse | RH11078 | |
| Angled McPherson Forceps | Oftalmologiabr | 11301A | |
| Curved Surgial Scissors | Harvard Apparatus, Inc. | 72-8422 | |
| Curved Tissue Forceps | Sklar | 47-1186 | |
| Delicate Dissection forceps | WPI | WP5015 | |
| Dental Drill Bit | Microdont | ISO.806.314.001.524.010 | |
| Essring Tissue Forceps | Sklar | 19-2460 | |
| FG 1/4 Dental Drill Bit | Microdont | ISO.700.314.001.006.005 | |
| Halsey Needle Holder | WPI | 15926-G | |
| Halstead Mosquito forceps | WPI | 503724-12 | |
| Hemostatic Forceps, Straight | Sklar | 17-1260 | |
| Jewler Forceps | Sklar | 66-7436 | |
| McPherson-Vannas Optathalmic microscissor, 3 mm point | Argos Instrumental | ARGOS-4004 | |
| Pereosteal Raspatory | Golgran | 38-1 | |
| Scalpal Handle | Harvard Apparatus, Inc. | 72-8354 | |
| Screwdrivers | Eurotool | SCR-830.00 | |
| Sodering Iron | Hikari | 21K006 | |
| Surgical Scissor | Harvard Apparatus, Inc. | 72-8400 | |
| Toothed forceps | WPI | 501266-G | |
| Disposables/Single Use | |||
| 1 ml sterile syringe with 26 G needle | Descarpack | 7898283812785 | |
| 130 cm x 140 cm surgical field, presterilized | ProtDesc | 7898467276344 | |
| 24G Needle, presterilized | Descarpack | 7898283812846 | |
| 50 cm x 50 cm surgical field, presterilized | Esterili-med | 110100236 | |
| Cotton Tipped Probes, Presterilized | Jiangsu Suyun Medical Materials Co. LTD | 23007 | |
| Cotton tipped Qutips | Higie Topp | 7898095296063 | |
| Electrode Array | Home made | ||
| Endotracheal tube without cuff, internal diameter 2.0 mm, outer diameter 2.9 mm | Solidor | 7898913077201 | |
| Tinned copper wire, 0.15 mm diameter | |||
| M1.4×3 Stainless steel screws | USMICROSCREW | M14-30M-SS-P | |
| Medical Tape | Missner | 7896544910102 | |
| Nylon surgical sutures | Shalon | N540CTI25 | |
| Scalpal Blade, presterilized | AdvantiVe | 1037 | |
| solder | Kester | SN63PB37 | |
| Sterile Saline 0.9% | Isofarma | 7898361700041 | |
| Sterile Surgical Gloves | Maxitex | 7898949349051 | |
| Sterile Surgical Gown | ProtDesc | 7898467281208 | |
| Surgical Gauze, 15 cm x 26 cm presterilized | Héika | 7898488470315 | |
| Gelfoam | Pfizer | ||
| Drugs/Chemicals | |||
| 0.25mg/ml Atropine | Isofarma | ||
| 10% Lidocaine Spray | Produtos Químicos Farmacêuticos Ltda. | 7896676405644 | |
| 2.5% Enrofloxacino veterinary antibiotic | Chemitec | 0137-02 | |
| Dexametasona Veterinary Anti inflammatory | MSD | R06177091A-00-15 | |
| Hydrogen Peroxide | Farmax | 7896902211537 | |
| Isoflourane | BioChimico | 7897406113068 | |
| Jet Acrylic polymerization solution | Artigos Odontológicos Clássico | ||
| Jet Auto Polymerizing Acrylic | Artigos Odontológicos Clássico | ||
| Ketamine 10% | Syntec | ||
| Lidocaine and Phenylephrine 1.8 ml local anesthetic | SS White | 7892525041049 | |
| Povidone-Iodine solutiom | Farmax | 7896902234093 | |
| Riohex 2% surgical Soap | Rioquímica | 7897780209418 | |
| Silver Paint | SPI Supplies | 05002-AB | |
| Tramadol chloride 50 mg/ml | União Química | 7896006245452 | |
| Refresh gel (polyacrylic acid) | Allergan |
References
- Okano, H., Hikishima, K., Iriki, A., Sasaki, E. The common marmoset as a novel animal model system for biomedical and neuroscience research applications. Seminars in Fetal and Neonatal Medicine. 17 (6), 336-340 (2012).
- Harris, R. A., et al. Evolutionary genetics and implications of small size and twinning in callitrichine primates. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (4), 1467-1472 (2014).
- Kishi, N., Sato, K., Sasaki, E., Okano, H. Common marmoset as a new model animal for neuroscience research and genome editing technology. Development, Growth & Differentiation. 56 (1), 53-62 (2014).
- Sasaki, E. Prospects for genetically modified non-human primate models, including the common marmoset. Neuroscience Research. 93, 110-115 (2015).
- Sasaki, E., et al. Generation of transgenic non-human primates with germline transmission. Nature. 459 (7246), 523-527 (2009).
- Sasaki, E. Creating Genetically Modified Marmosets. The Common Marmoset in Captivity and Biomedical Research. , 335-353 (2019).
- Sato, K., et al. Generation of a Nonhuman Primate Model of Severe Combined Immunodeficiency Using Highly Efficient Genome Editing. Cell Stem Cell. 19 (1), 127-138 (2016).
- Sato, K., et al. Resequencing of the common marmoset genome improves genome assemblies and gene-coding sequence analysis. Scientific Reports. 5, 16894 (2015).
- Chaplin, T. A., Yu, H. H., Soares, J. G. M., Gattass, R., Rosa, M. G. P. A Conserved Pattern of Differential Expansion of Cortical Areas in Simian Primates. Journal of Neuroscience. 33 (38), 15120-15125 (2013).
- Mitchell, J. F., Leopold, D. A. The marmoset monkey as a model for visual neuroscience. Neuroscience Research. 93, 20-46 (2015).
- Brok, H. P. M., et al. Non-human primate models of multiple sclerosis: Non-human primate models of MS. Immunological Reviews. 183 (1), 173-185 (2001).
- Santana, M. B., et al. Spinal Cord Stimulation Alleviates Motor Deficits in a Primate Model of Parkinson’s disease. Neuron. 84 (4), 716-722 (2014).
- MacDougall, M., et al. Optogenetic manipulation of neural circuits in awake marmosets. Journal of Neurophysiology. 116 (3), 1286-1294 (2016).
- Wakabayashi, M., et al. Development of stereotaxic recording system for awake marmosets (Callithrix jacchus). Neuroscience Research. 135, 37-45 (2018).
- Johnston, K. D., Barker, K., Schaeffer, L., Schaeffer, D., Everling, S. Methods for chair restraint and training of the common marmoset on oculomotor tasks. Journal of Neurophysiology. 119 (5), 1636-1646 (2018).
- Sedaghat-Nejad, E., et al. Behavioral training of marmosets and electrophysiological recording from the cerebellum. Journal of Neurophysiology. , (2019).
- Kringelbach, M. L., Owen, S. L., Aziz, T. Z. Deep-brain stimulation. Future Neurology. 2 (6), 633-646 (2007).
- Talakoub, O., Gomez Palacio Schjetnan, A., Valiante, T. A., Popovic, M. R., Hoffman, K. L. Closed-Loop Interruption of Hippocampal Ripples through Fornix Stimulation in the Non-Human Primate. Brain Stimulation. 9 (6), 911-918 (2016).
- Oddo, M., Hutchinson, P. J. Understanding and monitoring brain injury: the role of cerebral microdialysis. Intensive Care Medicine. 44 (11), 1945-1948 (2018).
- Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Cortical and subcortical lesions impair skilled walking in the ladder rung walking test: a new task to evaluate fore- and hindlimb stepping, placing, and co-ordination. Journal of Neuroscience Methods. 115 (2), 169-179 (2002).
- Gradinaru, V., Mogri, M., Thompson, K. R., Henderson, J. M., Deisseroth, K. Optical Deconstruction of Parkinsonian Neural Circuitry. Science. 324, 354-359 (2009).
- Hammer, D. X., et al. Longitudinal vascular dynamics following cranial window and electrode implantation measured with speckle variance optical coherence angiography. Biomedical Optics Express. 5 (8), 2823-2836 (2014).
- Komatsu, M., Kaneko, T., Okano, H., Ichinohe, N. Chronic Implantation of Whole-cortical Electrocorticographic Array in the Common Marmoset. Journal of Visualized Experiments. (144), (2019).
- Oliveira, L. M. O., Dimitrov, D. . Surgical Techniques for Chronic Implantation of Microwire Arrays in Rodents and Primates. , (2008).
- Santana, M. B., et al. Spinal Cord Stimulation Alleviates Motor Deficits in a Primate Model of Parkinson’s disease. Neuron. 84 (4), 716-722 (2014).
- Santana, M., Palmér, T., Simplício, H., Fuentes, R., Petersson, P. Characterization of long-term motor deficits in the 6-OHDA model of Parkinson’s disease in the common marmoset. Behavioural Brain Research. 290, 90-101 (2015).
- Misra, S., Koshy, T. A review of the practice of sedation with inhalational anaesthetics in the intensive care unit with the AnaConDa device. Indian Journal of Anaesthesia. 56 (6), 518-523 (2012).
- Freire, M. A. M., et al. Distribution and Morphology of Calcium-Binding Proteins Immunoreactive Neurons following Chronic Tungsten Multielectrode Implants. PLOS ONE. 10 (6), 0130354 (2015).
- Budoff, S., et al. Astrocytic Response to Acutely- and Chronically Implanted Microelectrode Arrays in the Marmoset (Callithrix jacchus) Brain. Brain Sciences. 9 (2), 19 (2019).
- Dzirasa, K., Fuentes, R., Kumar, S., Potes, J. M., Nicolelis, M. A. L. Chronic in vivo multi-circuit neurophysiological recordings in mice. Journal of Neuroscience Methods. 195 (1), 36-46 (2011).
- Nicolelis, M. A. L., et al. Chronic, multisite, multielectrode recordings in macaque monkeys. Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (19), 11041-11046 (2003).
- Lehew, G., Nicolelis, M. A. L. . State-of-the-Art Microwire Array Design for Chronic Neural Recordings in Behaving Animals. , (2008).
- Paxinos, G., Watson, C., Petrides, M., Rosa, M., Tokuno, H. . The Marmoset Brain in Stereotaxic Coordinates. , (2012).
- Brown, M. J., Pearson, P. T., Tomson, F. N. Guidelines for animal surgery in research and teaching. American Journal of Veterinary Research. 54 (9), 1544-1559 (1993).
- Flecknell, P. A. Anaesthesia of Animals for Biomedical Research. British Journal of Anaesthesia. 71 (6), 885-894 (1993).
- Kurihara, S., et al. A Surgical Procedure for the Administration of Drugs to the Inner Ear in a Non-Human Primate Common Marmoset (Callithrix jacchus). Journal of Visualized Experiments. (132), (2018).
- Boer, R. A., de Vries, A. M. O., Louwerse, A. L., Sterck, E. H. M. The behavioral context of visual displays in common marmosets (Callithrix jacchus). American Journal of Primatology. 75 (11), 1084-1095 (2013).
- Kudo, C., Nozari, A., Moskowitz, M. A., Ayata, C. The impact of anesthetics and hyperoxia on cortical spreading depression. Experimental Neurology. 212 (1), 201-206 (2008).
- Ghomashchi, A., et al. A low-cost, open-source, wireless electrophysiology system. 2014 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 3138-3141 (2014).
- Fu, T. M., Hong, G., Viveros, R. D., Zhou, T., Lieber, C. M. Highly scalable multichannel mesh electronics for stable chronic brain electrophysiology. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (47), 10046-10055 (2017).
