Enregistrement électrophysiologique sans fil des neurones par les tetrodes mobiles dans les poissons nageant librement
Summary
Une nouvelle technique sans fil pour enregistrer les signaux neuronaux extracellulaires du cerveau des poissons rouges nageant librement est présentée. Le dispositif d’enregistrement est composé de deux tétrodes, un microdrive, un enregistreur de données neuronales et un boîtier étanche. Toutes les pièces sont faites sur mesure, sauf pour l’enregistreur de données et son connecteur.
Abstract
Les mécanismes neuronaux régissant le comportement des poissons restent pour la plupart inconnus, bien que les poissons constituent la majorité de tous les vertébrés. La capacité d’enregistrer l’activité cérébrale des poissons en mouvement libre ferait avancer la recherche sur la base neuronale du comportement des poissons considérablement. En outre, le contrôle précis de l’emplacement d’enregistrement dans le cerveau est essentiel à l’étude de l’activité neuronale coordonnée à travers les régions dans le cerveau des poissons. Ici, nous présentons une technique qui enregistre sans fil à partir du cerveau des poissons nageant librement tout en contrôlant la profondeur de l’emplacement d’enregistrement. Le système est basé sur un enregistreur neuronal associé à un nouvel implant compatible avec l’eau qui peut ajuster l’emplacement de l’enregistrement par des tétrodes contrôlées par micropropulsion. Les capacités du système sont illustrées par des enregistrements du ténencéphale du poisson rouge.
Introduction
Les poissons sont le groupe de vertébrés le plus grand et le plus diversifié, et comme les autres vertébrés, ils présentent des capacités cognitives complexes telles que la navigation, la socialisation, le sommeil, la chasse, etc. Néanmoins, les mécanismes neuronaux régissant le comportement des poissons restent pour la plupart inconnus.
Au cours des dernières décennies, les enregistrements extracellulaires de poissons immobilisés ont principalement été mis en œuvre pour étudier différents aspects de la base neuronale du comportement1,2. Bien que cette technique soit appropriée pour certains systèmes sensoriels, l’étude du spectre complet de la base neuronale du comportement est difficile, voire impossible chez les animaux immobilisés. Les premières avancées ont consisté à enregistrer à partir des cellules Mauthner des poissons nageurs attachés3,4. Cependant, les cellules Mauthner sont disproportionnellement grandes et les amplitudes potentielles d’action enregistrées, qui peuvent aller aussi haut que quelques mV, facilitent l’enregistrement. Plus tard, Canfield et coll. ont décrit une preuve de concept lors de l’utilisation d’un animal attaché pour enregistrer à partir du téencéphale du poisson5. Une autre technique récente pour enregistrer l’activité neuronale des poissons est l’imagerie calcique (voir les commentaires de Orger et de Polavieja6, et Vanwalleghem et al.,7). Cette technique a été développée pour une utilisation avec des larves de poissons zèbres parce que la peau et le crâne sont transparents pendant le stade larvaire. Cependant, cette technique ne peut pas être utilisée pour étudier des comportements complexes dans les stades ultérieurs du développement.
Ici, nous présentons une nouvelle technique pour enregistrer l’activité neuronale extracellulaire du cerveau des poissons nageant librement. Il s’agit d’une version modifiée du protocole décrit dans Vinepinsky et al.8. La principale innovation est l’ajout d’un microdrive qui permet de contrôler la position des électrodes après la chirurgie. La technique est conçue pour l’enregistrement à partir du ténencéphale de poissons rouges à l’aide d’un ensemble de tétrodes qui sont connectés à un enregistreur de données neuronales via un microdrive. L’ensemble de la configuration est sans fil et ancré au crâne du poisson. Le poids spécifique du système est égalisé au poids spécifique à l’eau en ajoutant un petit flotteur qui permet aux poissons de nager librement.
La technique est basée sur l’utilisation d’un enregistreur de données neuronales qui amplifie, numérise et stocke le signal dans un dispositif de mémoire embarqué. Le système de télémétrie des enregistreurs est utilisé pour démarrer et arrêter les enregistrements, et pour la synchronisation avec la caméra vidéo. Dans ce protocole, un enregistreur neuronal de 16 canaux est utilisé, intégré dans une boîte imperméable à l’eau avec le microdrive.
L’assemblage de micropropulsion est fabriqué à partir de deux composants principaux : le microdrive lui-même et le boîtier de micropropulsion (Figure 1A,B). Le boîtier contient le microdrive et les tétrodes, et agit également comme l’ancre entre le crâne et la boîte de bûcherons (Figure 1C). La boîte d’enregistreur en PVC est fabriquée à l’aide d’un procédé machine et est scellée à l’aide d’un anneau O(figure 1E-G, voir aussi La figure supplémentaire 1, la figure 2 supplémentaireet la figure 3 supplémentaire pour un diagramme tridimensionnel [3D]). À une extrémité, un morceau de mousse de polystyrène est fixé à la boîte d’enregistreur pour compenser le poids de l’implant et fournir au poisson un implant neutre en flottabilité. La construction du microdrive décrit dans le protocole suit la procédure présentée par Vandecasteele et al.9 avec une modification pour attacher le microdrive au boîtier (Figure 1A). Toutes les étapes majeures sont présentées.
La procédure décrite dans le protocole pour préparer le crâne de poisson est semblable à celle présentée dans Vinepinsky et autres8 et est décrite brièvement dans le protocole. Un jour après la chirurgie, les poissons sont normalement complètement récupérés des effets de l’anesthésie et sont prêts pour les expériences comportementales. Notez que l’emplacement du tétrode peut être ajusté en tournant la vis microdrive. La vis a un espacement de 300 m par rotation complète et un avancement de 75 m est recommandé jusqu’à ce que l’emplacement du cerveau cible soit atteint. Un atlas cérébral approprié devrait être consulté pour cibler la région spécifique du cerveau d’intérêt. Il est conseillé de tester l’entrave à l’électrode chaque fois que le poisson est anesthésié pour le remplacement de la batterie ou de la carte mémoire.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole détaille les étapes impliquées dans l’implantation d’un tableau de tétrodes dans le téencéphale du poisson rouge nageant librement. Cette technique met en œuvre un enregistreur neuronal qui amplifie et enregistre les signaux acquis à partir de jusqu’à 16 canaux avec un microdrive qui peut ajuster la position du tétrode dans le cerveau. Le micropropulsion permet d’ajuster la position dans le cerveau pour optimiser l’enregistrement.
Ce protocole peut facilement être modif…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous sommes reconnaissants à Nachum Ulanovsky et aux membres du laboratoire Oulanovsky pour toute leur aide. De plus, nous sommes reconnaissants à Tal Novoplansky-Tzur pour son assistance technique utile. Nous remercions le soutien financier de THE ISRAEL SCIENCE FOUNDATION – FIRST Program (grant no 281/15), et du Helmsley Charitable Trust par l’intermédiaire de l’Initiative de robotique agricole, biologique et cognitive de l’Université Ben-Gourion du Néguev.
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
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