Konstruktion af lokale feltpotentiale mikroelektroder til in vivo-optagelser fra flere hjernestrukturer samtidigt
Summary
Den nuværende protokol beskriver konstruktionen af specialfremstillede mikroelektrodearrays til registrering af lokale feltpotentialer in vivo fra flere hjernestrukturer samtidigt.
Abstract
Forskere har ofte brug for at registrere lokale feltpotentialer (LMP’er) samtidigt fra flere hjernestrukturer. Optagelse fra flere ønskede hjerneområder kræver forskellige mikroelektrodedesign, men kommercielt tilgængelige mikroelektrodearrays tilbyder ofte ikke en sådan fleksibilitet. Her skitserer den nuværende protokol det enkle design af specialfremstillede mikroelektrodearrays til at optage LMP’er fra flere hjernestrukturer samtidigt på forskellige dybder. Dette arbejde beskriver konstruktionen af de bilaterale kortikale, striatale, ventrolaterale thalamiske og nigrale mikroelektroder som et eksempel. Det skitserede designprincip giver fleksibilitet, og mikroelektroderne kan modificeres og tilpasses til at optage LMP’er fra enhver struktur ved at beregne stereotaxiske koordinater og hurtigt ændre konstruktionen i overensstemmelse hermed for at målrette mod forskellige hjerneområder i enten frit bevægelige eller anæstetiserede mus. Mikroelektrodeenheden kræver standardværktøj og forsyninger. Disse brugerdefinerede mikroelektrodearrays giver efterforskere mulighed for nemt at designe mikroelektrodearrays i enhver konfiguration for at spore neuronal aktivitet, hvilket giver LFP-optagelser med millisekundopløsning.
Introduction
Lokale feltpotentialer (LMP’er) er de elektriske potentialer, der registreres fra det ekstracellulære rum i hjernen. De genereres af ionkoncentrationsubalancer uden for neuroner og repræsenterer aktiviteten af en lille, lokaliseret population af neuroner, hvilket gør det muligt præcist at overvåge aktiviteten af en bestemt hjerneregion sammenlignet med makroskala EEG-optagelserne1. Som et skøn svarer LFP-mikroelektroderne adskilt af 1 mm til to helt forskellige populationer af neuroner. Mens EEG-signal filtreres af hjernevæv, cerebrospinalvæske, kranium, muskel og hud, er LFP-signal en pålidelig markør for lokal neuronal aktivitet1.
Forskere har ofte brug for samtidig at registrere LMP’er fra flere hjernestrukturer, men kommercielt tilgængelige mikroelektrodearrays tilbyder ofte ikke en sådan fleksibilitet. Her beskriver den nuværende protokol fuldt tilpasselige, let konstruerede mikroelektroder til samtidig at optage LMP’er fra enhver ønsket hjerneregion på forskellige dybder. Selvom LMP’er i vid udstrækning er blevet brugt til at registrere neuronal aktivitet i en bestemt hjerneregion 2,3,4,5,6,7,8,9, tillader det nuværende let tilpasselige design optagelse af LMP’er fra flere overfladiske eller dybe hjerneområder11,12 . Protokollen kan også ændres til at konstruere ethvert ønsket mikroelektrodearray ved at bestemme stereotaxiske koordinater for hjerneområderne og samle arrayet i overensstemmelse hermed. Disse mikroelektroder med en samplingshastighed på 10 kHz og en modstand på 60-70 kΩ (2 cm længde) giver os mulighed for at optage LMP’er med millisekundpræcision. Dataene kan derefter forstærkes af en 16-kanals forstærker, filtreres (lavt pas 1 Hz, højt pass 5 kHz) og digitaliseres.
Protocol
Representative Results
Discussion
Historisk set er mikroelektrodearrays blevet brugt i vid udstrækning til at registrere neuronal aktivitet fra en bestemt hjerneregion af interesse 2,3,4,5,6,7,8,9,13. Vores nemme mikroelektrodedesign tillader dog optagels…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af National Institute of Health (RO1 NS120945, R37NS119012 til JK) og UVA Brain Institute.
Materials
| Amplifier 16-Channel | A-M Systems | Model 3600 | Amplifier |
| Cranioplasty cement | Coltene | Perm Reeline/Repair Resin Type II Class I Shade – Clear | Cement to hold microelectrodes |
| Cryostat Microtome | Precisionary | CF-6100 | To slice brain |
| Diamel-coatednickel-chromium wire | Johnson Matthey Inc. | 50 µm | Microelectrode wire |
| Dremel | Dremel | 300 Series | To drill holes in mouse skull |
| Epoxy | CEC Corp | C-POXY 5 | Fast setting adhesive |
| Hemostat | Any | To hold the headset | |
| Forceps | Any | To hold microelectrodes | |
| Light microscope | Nikon | SMZ-10 | To see alignment |
| Ohmmeter | Any | To measurre resistance | |
| Pins (Headers and matching Sockets) | Mill-Max | Interconnects, 833 series, 2 mm grid gull wing surface mount headers and sockets | To attach microelectrodes to |
| Polymicro Tubing Kit | Neuralynx | ID 100 ± 04 µm, OD 164 ± 06 µm, coating thickness 12 µm | Glass tubes |
| Pulse Stimulator | A-M Systems | Model 2100 | To mark the microelectrode location at the end of the recordings |
| Scissors | Any | To cut microelectrodes | |
| Superglue | Gorilla | Adhesive | |
| Thick wire 0.008 in. – 0.011 in. | A-M Systems | 791900 | Tick wire to hold the microelectrode array |
| Thin wire 0.005 in. – 0.008 in. | A-M Systems | 791400 | Thin wire for reference and ground |
References
- Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents-EEG, ECoG, LFP and spikes. Nature Reviews Neuroscience. 13, 407-420 (2012).
- Hubel, D. H., Wiesel, T. N. Receptive fields of single neurones in the cat’s striate cortex. The Journal of Physiology. 148 (3), 574-591 (1959).
- O’Keefe, J. Place units in the hippocampus of the freely moving rat. Experimental Neurology. 51 (1), 78-109 (1976).
- Fyhn, M., Molden, S., Witter, M. P., Moser, E. I., Moser, M. B. Spatial representation in the entorhinal cortex. Science. 305 (5688), 1258-1264 (2004).
- Buzsáki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature Neuroscience. 7, 446-451 (2004).
- Buckmaster, P. S., Edward Dudek, F. In vivo intracellular analysis of granule cell axon reorganization in epileptic rats. Journal of Neurophysiology. 81 (2), 712-721 (1999).
- Driscoll, N., et al. Multimodal in vivo recording using transparent graphene microelectrodes illuminates spatiotemporal seizure dynamics at the microscale. Communications Biology. 4, 1-14 (2021).
- Roy, D. S., et al. Memory retrieval by activating engram cells in mouse models of early Alzheimer’s disease. Nature. 531, 508-512 (2016).
- Igarashi, K. M., Lu, L., Colgin, L. L., Moser, M. B., Moser, E. I. Coordination of entorhinal-hippocampal ensemble activity during associative learning. Nature. 510, 143-147 (2014).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. Journal of Visualized Experiments. (65), e3564 (2012).
- Brodovskaya, A., Shiono, S., Kapur, J. Activation of the basal ganglia and indirect pathway neurons during frontal lobe seizures. Brain. 144 (7), 2074-2091 (2021).
- Ren, X., Brodovskaya, A., Hudson, J. L., Kapur, J. Connectivity and neuronal synchrony during seizures. The Journal of Neuroscience. 41 (36), 7623-7635 (2021).
- Chang, E. H., Frattini, S. A., Robbiati, S., Huerta, P. T. Construction of microdrive arrays for chronic neural recordings in awake behaving mice. Journal of Visualized Experiments. (77), e50470 (2013).
