Summary

Chirurgia stereotassica per l'impianto di array di microelettrodi nel Common Marmoset (Callithrix jacchus)

Published: September 29, 2019
doi:

Summary

Questo lavoro presenta un protocollo per eseguire un impianto stereotassico e neurochirurgico di array di microelettrodi nel comune marmoset. Questo metodo consente specificamente registrazioni elettrofisiologiche in animali che si comportano liberamente, ma può essere facilmente adattato a qualsiasi altro intervento neurochirurgico simile in questa specie (ad esempio, cannula per la somministrazione di farmaci o elettrodi per la stimolazione cerebrale).

Abstract

I marmoset (Callithrix jacchus) sono piccoli primati non umani che stanno guadagnando popolarità nella ricerca biomedica e preclinica, comprese le neuroscienze. Filogeneticamente, questi animali sono molto più vicini agli esseri umani dei roditori. Mostrano anche comportamenti complessi, tra cui una vasta gamma di vocalizzazioni e interazioni sociali. Qui, viene descritta un’efficace procedura neurochirurgica stereotassica per l’impianto di array di elettrodi di registrazione nel marmoset comune. Questo protocollo descrive anche i passaggi pre e postoperatori della cura degli animali che sono necessari per eseguire con successo tale intervento chirurgico. Infine, questo protocollo mostra un esempio di potenziale sul campo locale e registrazioni di attività di picco in una marmoset liberamente comandata 1 settimana dopo la procedura chirurgica. Nel complesso, questo metodo offre l’opportunità di studiare la funzione cerebrale in marmoset svegli e liberamente comportandosi. Lo stesso protocollo può essere facilmente utilizzato dai ricercatori che lavorano con altri piccoli primati. Inoltre, può essere facilmente modificato per consentire altri studi che richiedono impianti, come elettrodi stimolanti, microiniezioni, impianto di optrodes o cannula guida, o ablazione di regioni tissutali discrete.

Introduction

Marmoset comuni (Callithrix jacchus) stanno guadagnando il riconoscimento come un importante organismo modello in molti campi della ricerca, tra cui le neuroscienze. Questi primati del nuovo mondo rappresentano un importante modello animale complementare sia per i roditori che per altri primati non umani (NHP), come il macaco di rhesus. Come i roditori, questi animali sono piccoli, facili da manipolare e relativamente economici da curare e allevare1,2,3,4, rispetto ai NHP più grandi. Inoltre, questi animali hanno una propensione per il gemellaggio e l’elevata fecondità rispetto ad altri NHP1,2,3. Un altro vantaggio che il marmoset ha rispetto a molti altri primati è che i moderni strumenti di biologia molecolare3,4,5,6,7 e un genoma sequenziato2 ,3,4,5,8 sono stati utilizzati per modificarli geneticamente. Entrambi gli animali knock-in che utilizzano il lentivirus5, e gli animali knock-out utilizzando nucleasi zinco-dito (FN) e trascrizione attivatore-come nucleases (TALENS)7, hanno prodotto animali fondatori vitali.

Un vantaggio in relazione ai roditori è che i marmoset, come primati, sono filogeneticamente più vicini agli esseri umani3,5,6,9,10,11. Come gli esseri umani, le marmotte sono animali diurni che dipendono da un sistema visivo altamente sviluppato per guidare gran parte del loro comportamento10. Inoltre, le marmotte presentano complessità comportamentale, tra cui una vasta gamma di comportamenti sociali come l’uso di diverse vocalizzazioni3, consentendo ai ricercatori di affrontare questioni non possibili in altre specie. Da un punto di vista neuroscientifico, le marmotte hanno cervelli lissencefalia, a differenza del macaco rhesus9 piùcomunemente usato. Inoltre, le marmotte hanno un sistema nervoso centrale simile agli esseri umani, tra cui una corteccia prefrontale9più sviluppata. Insieme, tutte queste caratteristiche posizionano le marmotte come un modello prezioso per studiare la funzione cerebrale in salute e malattia.

Un metodo comune per studiare la funzione cerebrale consiste nell’impiantare elettrodi in posizioni specifiche anatomicamente per mezzo di neurochirurgia stereotassica. Questo permette la registrazione cronica dell’attività neurale in diverse aree bersaglio in animali svegli e liberamente comportanti12,13. La neurochirurgia stereotassica è una tecnica indispensabile utilizzata in molte linee di ricerca, in quanto consente un targeting preciso delle regioni neuroanatomiche. Rispetto alla letteratura macaca e roditore, ci sono meno studi pubblicati che descrivono la neurochirurgia stereotassica specifica per il marmoset, e tendono a fornire dettagli sparse dei passaggi coinvolti nell’intervento chirurgico. Inoltre, coloro che hanno maggiori dettagli si concentrano principalmente sulle procedure per la registrazione elettrofisiologica in animali a testa limitata14,15,16,17.

Al fine di facilitare una più ampia adozione delle marmotte come organismo modello nella ricerca sulle neuroscienze, il metodo attuale definisce i passaggi specifici necessari per una neurochirurgia stereotassica di successo in questa specie. Oltre all’impianto di array di registrazione, come descritto nel presente metodo, la stessa tecnica può essere adattata per molti altri scopi sperimentali, compreso l’impianto di elettrodi stimolanti per il trattamento delle malattie18 o la guida causale comportamento del circuito19; l’impianto di cannule guida per l’estrazione e la quantificazione dei neurotrasmettitori20, iniezioni di reagenti, compresi quelli perl’induzione di modelli di malattia 12 o per studi di tracciamento del circuito15; ablazione di regioni tissutali discrete21; impianto di optrodes per studi optogenetici22; impianto di finestre ottiche per l’analisi microscopica corticale23; e l’impianto di array elettrocorticografici (ECoG)24. Pertanto, l’obiettivo generale di questa procedura è quello di delineare i passaggi chirurgici coinvolti nell’impianto di array di microelettrodi per registrazioni elettrofisiologiche croniche in marmoset che si comportano liberamente.

Protocol

Gli esperimenti sugli animali sono stati effettuati in conformità con il National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals e approvati dal Santos Dumont Institute Ethics Committee (protocollo 02/2015AAS). 1. Preparazione chirurgia Fissare ogni array di elettrodi a un supporto per elettrodi compatibile con il telaio stereotassico da utilizzare. Collegare un supporto per elettrodi al micromanipolatore stereotassico e impostare un microfilo alle c…

Representative Results

Lo scopo di questo studio era quello di descrivere una procedura neurochirurgica stereotassica per l’impianto di array di microelettrodi per registrazioni elettrofisiologiche nel marmoset comune. Un intervento chirurgico tipico (dall’induzione dell’anestesia al recupero dell’anestesia) durerà circa 5-7 h, a seconda del numero di array impiantati. Qui, due array sono stati impiantati simmetricamente, uno in ogni emisfero cerebrale. Ogni matrice conteneva 32 microfili in acciaio inossidabile disposti in sette fasci mirati…

Discussion

Questo lavoro fornisce una descrizione dettagliata delle procedure coinvolte nell’impianto di array di registrazione di microelettrodi nel cervello marmoset. Questo stesso protocollo può essere facilmente utilizzato quando si impiantano elettrodi, sia fatti in casa che disponibili in commercio, in altri piccoli primati. Inoltre, può essere facilmente adattato per altre estremità sperimentali che richiedono un targeting preciso delle strutture cerebrali. Pertanto, questo protocollo è volutamente vago per quanto riguar…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gli autori desiderano ringraziare Bernardo Luiz per l’assistenza tecnica con le riprese e il montaggio. Questo lavoro è stato sostenuto dall’Istituto Santos Dumont (ISD), dal Ministero dell’Istruzione brasiliano (MEC) e dal Superiore di Coordenao de Aperfei-oamento de Pessoal de Novel (CAPES).

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

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Budoff, S. A., Rodrigues Neto, J. F., Arboés, V., Nascimento, M. S. L., Kunicki, C. B., Araújo, M. F. P. d. Stereotaxic Surgery for Implantation of Microelectrode Arrays in the Common Marmoset (Callithrix jacchus). J. Vis. Exp. (151), e60240, doi:10.3791/60240 (2019).

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