Summary

Trådløs elektrofysiologisk optagelse af neuroner af bevægelige Tetrodes i frit svømmehal

Published: November 26, 2019
doi:

Summary

En ny trådløs teknik til optagelse af ekstracellulære neurale signaler fra hjernen af frit svømning guldfisk præsenteres. Optageenheden er sammensat af to tetrodes, et mikrodrev, en neurale datalogger og en vandtæt sag. Alle dele er specialfremstillede, bortset fra dataloggeren og dens stik.

Abstract

De neurale mekanismer, som regulerer fiske adfærden, er for det meste ukendte, selv om fiskene udgør størstedelen af alle hvirveldyr. Evnen til at optage hjerneaktivitet fra frit bevægende fisk ville fremme forskning på neurale grundlag af fisk adfærd betydeligt. Desuden er præcis kontrol af optagelsen placering i hjernen afgørende for at studere koordineret neurale aktivitet på tværs af regioner i fisk hjernen. Her præsenterer vi en teknik, der registrerer trådløst fra hjernen af frit svømning fisk, mens kontrol for dybden af optagelsen placering. Systemet er baseret på en neurale logger forbundet med en ny vand-kompatibelt implantat, der kan justere optagelsen placering af Micro drive-kontrollerede tetrodes. Systemets egenskaber illustreres gennem optagelser fra telencephalon af goldfish.

Introduction

Fisk er den største og mest forskelligartede gruppe af hvirveldyr, og ligesom andre hvirveldyr udviser de komplekse kognitive evner såsom navigering, socialisering, søvn, jagt osv. Ikke desto mindre er de neurale mekanismer, som regulerer fiske adfærden, for det meste ukendte.

I de sidste par årtier, ekstracellulære optagelser fra immobiliserede fisk er primært blevet implementeret for at undersøge forskellige aspekter af det neurale grundlag for opførsel1,2. Selv om denne teknik er passende for nogle sensoriske systemer, undersøgelse af det fulde spektrum af neurale grundlag for adfærd er vanskeligt, hvis ikke umuligt i immobiliserede dyr. De første forskud involveret optagelse fra mauthner celler af tøjret svømning fisk3,4. Men Mauthner celler er uforholdsmæssigt store og den registrerede handling potentielle amplituder, som kan gå så højt som et par mV, lette optagelsen. Senere beskrev Canfield et al. et bevis på koncept ved brug af et tøjret dyr til at optage fra telencephalon af fisk5. En anden nylig teknik til optagelse af neurale aktivitet fra fisk er calcium Imaging (Se anmeldelser af Orger og de Polavieja6, og Vanwalleghem et al.7). Denne teknik er udviklet til brug med Zebra larver, fordi huden og kraniet er gennemsigtigt i larvestadiet. Men denne teknik kan ikke bruges til at studere komplekse adfærd i senere stadier af udvikling.

Her præsenterer vi en ny teknik til optagelse af ekstracellulær neurale aktivitet fra hjernen af frit svømning fisk. Dette er en modificeret version af den protokol, der er beskrevet i Vinepinsky et al.8. Den vigtigste nyskabelse er tilføjelsen af et mikrodrev, der gør det muligt at kontrollere elektrodernes position efter operationen. Teknikken er designet til optagelse fra telencephalon af guldfisk ved hjælp af et sæt af tetrodes, der er forbundet til en neurale datalogger via en Micro drive. Hele opsætningen er trådløs og forankret til fiskens kraniet. Den specifikke vægt af systemet er udlignet til den vand-specifikke vægt ved at tilføje en lille float, der gør det muligt for fiskene at svømme frit.

Teknikken er baseret på brugen af en neurale datalogger, der forstærker, digitaliserer og lagrer signalet i en indbygget hukommelsesenhed. Den logger telemetri system bruges til at starte og stoppe optagelserne, og til synkronisering med videokameraet. I denne protokol anvendes en 16-kanals neurale logger, indlejret i en vandtæt boks sammen med mikrodrevet.

Micro drive-modulet er fremstillet af to hovedkomponenter: selve mikrodrevet og mikrodrevets kabinet (figur 1A, B). Huset holder Micro drive og tetrodes, og fungerer også som anker mellem kraniet og loggeren boks (figur 1C). PVC logger Box er fremstillet ved hjælp af en maskine proces og er forseglet ved hjælp af en O-ring (figur 1E-G, se også supplerende figur 1, supplerende figur 2, og supplerende figur 3 for en tredimensionel [3D] diagram). I den ene ende er et stykke polystyren skum fastgjort til loggeren boks for at kompensere for vægten af implantatet og give fisken med en flyde-neutral implantat. Konstruktionen af den mikrodrev, der er beskrevet i protokollen, følger den procedure, der er fremlagt af Vandecasteele et al.9 med en ændring, der Fastgør mikrodrevet til huset (figur 1a). Alle større skridt er præsenteret.

Den procedure, der er beskrevet i protokollen til at forberede fisken kraniet svarer til den, præsenteret i Vinepinsky et al.8 og er beskrevet kort i protokollen. En dag efter operationen, fiskene er normalt fuldt genvundet fra virkningerne af anæstesi og er klar til de adfærdsmæssige eksperimenter. Bemærk, at tetrode-placeringen kan justeres ved at dreje på Micro drive-skruen. Skruen har en afstand på 300 μm pr. fuld rotation, og et fremskridt på 75 μm anbefales, indtil målet for hjernens placering er nået. Et passende Brain Atlas bør konsulteres for at målrette den specifikke hjerneregion af interesse. Det er tilrådeligt at teste elektrode impedansen hver gang fiskene er bedøvet for batteri eller hukommelseskort udskiftning.

Protocol

Alle kirurgi procedurer skal godkendes af de lokale etiske komitéer om dyrevelfærd (f. eks IACUC). 1. opførelse af Mikrodrevs huset For at konstruere huset, skæres en 1 mm bred messing plade i en 19 mm x 29 mm x 1 mm plade ved hjælp af en sav. Skær to 5,5 mm slids på hver af de lange sider vinkelret på kanten, således at hver spalte er 6,5 mm væk fra de smalle sider (figur 2A). Brug tænger, fold området mellem slids…

Representative Results

Under en indspilnings session svømmede guldfisk frit i en firkantet vandtank, mens den neurale aktivitet i sin telencephalon blev indspillet. Målet med disse eksperimenter var at studere, hvordan den neurale aktivitet af enkeltceller afgør fiskens opførsel. For at gøre dette, spiking aktivitet skulle identificeres i de registrerede data. Hjernens aktivitet, mens den blev indspillet, blev digitaliseret ved 31.250 Hz og High-pass filtreret ved 300 Hz af datalogger. Derefter, offline, e…

Discussion

Denne protokol beskriver de skridt, der er involveret i implantering af en tetrode array i telencephalon af frit svømning guldfisk. Denne teknik implementerer en neurale logger, der forstærker og registrerer de signaler, der er erhvervet fra op til 16 kanaler sammen med et mikrodrev, som kan justere tetrode positionen i hjernen. Mikrodrevet gør det muligt at justere positionen i hjernen for at optimere optagelsen.

Denne protokol kan nemt ændres til optagelse fra andre hjerneområder (Se Vi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi er taknemmelige for Nachum Ulanovsky og medlemmerne af Ulanovsky Lab for al deres hjælp. Derudover er vi taknemmelige for tal Novoplansky-Tzur for hjælpsom teknisk assistance. Vi anerkender taknemmeligt økonomisk støtte fra Israels SCIENCE FOUNDATION-første program (Grant No. 281/15), og Helmsley velgørende tillid gennem landbrugs-, biologisk og kognitiv robotteknologi initiativ af Ben-Gurion University of the Negev.

Materials

0.7 mm round drill bits Compatible with the drill.
15-blade Scalpel Sigma-Aldrich
16 channel PCB board Neurlynx EIB-16
1X3M phillips flat head screws Stainless steel. Any type.
1X3M phillips round head screws Stainless steel. Any type.
27 cm X 19 cm X 1 mm brass plate See Figure 2
2X6M phillips flat head screws Stainless steel. Any type.
3140 RTV coating Dow Crowning 2767996
75 µm Silver wire A-M Systems
Brass machine screws #00-90 947-1006
Brass plates 7.5mm X 2.5mm X 0.6mm A 3D drawing is provided. See supplementary 1
Coated Tungsten wire 25µm California Fine Wire Company 5000160 Depending on the appication the tetrodes can be fabricated from any type of wire. Popular wires are nicrome wires that can be found with lower diameters (eg. A-M systems, 762000)
Coated Tungsten wire 50µm A-M Systems 795500 Can be replaced with any other wire with low impedance
Cyanoacrilic glue
Dental Burnisher ComDent UK Any small sterille stainless-still tool will do.
Dental cement – GCFujiPLUS GC 431011 Other dental cements would probably will work as well although we have never tried any other.
Dental drill or nail polish drill Dental drills are expensive, a nail polish drill can be a cheap replacement.
Drill bit #65 947-65
Fast curing epoxy Any 5 minutes curing epoxy can be used here.
Logger box with O-ring sealing A 3D drawing is provided. See supplementary 1-3. The box should be machine fabricated (do not use 3D printers). Use transperant material, to be able to see the indicator LEDs on the logger.
Motorized turning device Custom made as described in "open ephys" website. Can also be purchusaed from neurolynx ("Tetrode Spinner 2.0") or bulit by other means.
Mouselog-16 Neural logger Deuteron Technologies Ltd There are several neural loggers available on the market, including: SpikeGadget (UH32 32channels) and Neurologger 2/2A/2B of Alexei Vyssotski. It should be noted that weight is not a major contraint since it can be counterbalanced with floating Styrofoam
MS-222 Sigma Aldrich E10521 Ethtl 3-aminobenzoate methanesulfonate 98%
Nano-Z plating White Matter LLC The nano-Z can be bought from several supllieres. Any impedance meter can be used, e.g. IMP-1 / 6662 / 2788, BAK Electronics.
PCB pins Neurlynx Neuralynx EIB Pins
Polymide tubing 250µm A-M Systems 822000
Rechargable battery 3.7 Lipo battery, 370 mAh. Holds about 6 hours of recording. Smaller or larger battries can be used to reduce the weight or extend recording time.
Silicone tubing 0.64 mm A-M Systems 806100
Stainless steel 1.5 mm A-M Systems 846000
Sudium Bicarbonate Sigma Aldrich S9625
Tap #00-90 947-1301
Vaseline Any type of soft petroleum skin protectant can be used here.

References

  1. Jacobson, M., Gaze, R. M. Types of visual response from single units in the optic tectum and optic nerve of the goldfish. Quarterly Journal of Experimental Physiology and Cognate Medical Sciences. 49 (2), 199-209 (1964).
  2. Ben-Tov, M., Donchin, O., Ben-Shahar, O., Segev, R. Pop-out in visual search of moving targets in the archer fish. Nature Communications. 6, 6476 (2015).
  3. Zottoli, S. J. Correlation of the startle reflex and Mauthner cell auditory responses in unrestrained goldfish. Journal of Experimental Biology. 66 (1), 243-254 (1977).
  4. Canfield, J. G., Rose, G. J. Activation of Mauthner neurons during prey capture. Journal of Comparative Physiology A. 172 (5), 611-618 (1993).
  5. Canfield, J. G., Mizumori, S. J. Methods for chronic neural recording in the telencephalon of freely behaving fish. Journal of Neuroscience Methods. 133 (1-2), 127-134 (2004).
  6. Orger, M. B., de Polavieja, G. G. Zebrafish behavior: opportunities and challenges. Annual Review of Neuroscience. 40, 125-147 (2017).
  7. Vanwalleghem, G. C., Ahrens, M. B., Scott, E. K. Integrative whole-brain neuroscience in larval zebrafish. Current Opinion in Neurobiology. 50, 136-145 (2018).
  8. Vinepinsky, E., Donchin, O., Segev, R. Wireless electrophysiology of the brain of freely swimming goldfish. Journal of Neuroscience Methods. 278, 76-86 (2017).
  9. Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. JoVE (Journal of Visualized Experiments). (61), e3568 (2012).
  10. Ferguson, J. E., Boldt, C., Redish, A. D. Creating low-impedance tetrodes by electroplating with additives. Sensors and Actuators A: Physical. 156 (2), 388-393 (2009).
  11. Arcot Desai, S., Rolston, J. D., Guo, L., Potter, S. M. Improving impedance of implantable microwire multi-electrode arrays by ultrasonic electroplating of durable platinum black. Frontiers in Neuroengineering. 3, 5 (2010).
  12. Lewicki, M. S. A review of methods for spike sorting: the detection and classification of neural action potentials. Network: Computation in Neural Systems. 9 (4), R53-R78 (1998).
  13. Teixeira, F. B., Freitas, P., Pessoa, L. M., Campos, R. L., Ricardo, M. Evaluation of IEEE 802.11 underwater networks operating at 700 MHz, 2.4 GHz and 5 GHz. Proceedings of the 10th International Conference on Underwater Networks & Systems. , (2015).
  14. Sendra, S., Lloret, J., Rodrigues, J. J., Aguiar, J. M. Underwater wireless communications in freshwater at 2.4 GHz. IEEE Communications Letters. 17 (9), 1794-1797 (2013).
  15. Lloret, J., Sendra, S., Ardid, M., Rodrigues, J. J. Underwater wireless sensor communications in the 2.4 GHz ISM frequency band. Sensors. 12 (4), 4237-4264 (2012).
  16. Hoogerwerf, A. C., Wise, K. D. A three-dimensional microelectrode array for chronic neural recording. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 41 (12), 1136-1146 (1994).
  17. Harris, K. D., Quiroga, R. Q., Freeman, J., Smith, S. L. Improving data quality in neuronal population recordings. Nature Neuroscience. 19 (9), 1165 (2016).

Play Video

Cite This Article
Cohen, L., Vinepinsky, E., Segev, R. Wireless Electrophysiological Recording of Neurons by Movable Tetrodes in Freely Swimming Fish. J. Vis. Exp. (153), e60524, doi:10.3791/60524 (2019).

View Video