בניית מיקרו-אלקטרוניקה פוטנציאלית לשדה מקומי עבור הקלטות in vivo ממבני מוח מרובים בו זמנית
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר את בנייתם של מערכי מיקרו-אלקטרוניקה מותאמים אישית לתיעוד פוטנציאל שדה מקומי in vivo ממבנים מוחיים מרובים בו-זמנית.
Abstract
חוקרים צריכים לעתים קרובות לתעד פוטנציאל שדה מקומי (LFPs) בו-זמנית מכמה מבני מוח. הקלטה מאזורי מוח רצויים מרובים דורשת עיצובים שונים של מיקרו-אלקטרוניקה, אך מערכי מיקרו-אלקטרוניקה הזמינים מסחרית לעתים קרובות אינם מציעים גמישות כזו. כאן, הפרוטוקול הנוכחי מתאר את התכנון הפשוט של מערכי מיקרו-אלקטרוניקה מותאמים אישית כדי לתעד LFPs ממבנים מוחיים מרובים בו-זמנית בעומקים שונים. עבודה זו מתארת את הבנייה של המיקרו-אלקטרוניקה הדו-צדדית בקליפת המוח, הסטריאטלית, הגחונית והמיקרו-אלקטרוניקה הניגרלית כדוגמה. עקרון התכנון המתואר מציע גמישות, וניתן לשנות ולהתאים אישית את המיקרו-אלקטרוניקה כדי להקליט LFPs מכל מבנה על ידי חישוב קואורדינטות סטריאוטקסיות ושינוי מהיר של הבנייה בהתאם כדי להתמקד באזורי מוח שונים בעכברים הנעים בחופשיות או מרדימים. מכלול המיקרו-אלקטרוניקה דורש כלים ואספקה סטנדרטיים. מערכי מיקרו-אלקטרוניקה מותאמים אישית אלה מאפשרים לחוקרים לתכנן בקלות מערכי מיקרו-אלקטרודה בכל תצורה כדי לעקוב אחר הפעילות העצבית, ולספק הקלטות LFP ברזולוציה של אלפית השנייה.
Introduction
פוטנציאל שדה מקומי (LFPs) הוא הפוטנציאלים החשמליים שנרשמו מהחלל החוץ-תאי במוח. הם נוצרים על ידי חוסר איזון בריכוזי יונים מחוץ לנוירונים ומייצגים את הפעילות של אוכלוסייה קטנה ומקומית של נוירונים, מה שמאפשר לנטר במדויק את הפעילות של אזור מוח מסוים בהשוואה לרישומי EEG בקנה מידה מאקרו1. כאומדן, המיקרו-אלקטרוניקה של LFP המופרדים על ידי 1 מ”מ תואמים לשתי אוכלוסיות שונות לחלוטין של נוירונים. בעוד שאות EEG מסונן על ידי רקמת מוח, נוזל מוחי, גולגולת, שריר ועור, אות LFP הוא סמן אמין לפעילות עצבית מקומית1.
לעתים קרובות חוקרים צריכים להקליט בו-זמנית LFPs מכמה מבנים מוחיים, אך מערכי מיקרו-אלקטרוניקה הזמינים באופן מסחרי לעתים קרובות אינם מציעים גמישות כזו. כאן, הפרוטוקול הנוכחי מתאר מיקרו-אלקטרוניקה הניתנת להתאמה אישית מלאה, הניתנת להתאמה אישית בקלות, כדי להקליט בו-זמנית LFPs מכל אזור מוח רצוי בעומקים שונים. למרות שנעשה שימוש נרחב ב-LFPs כדי לתעד את הפעילות העצבית של אזור מוח מסוים 2,3,4,5,5,6,7,8,9, העיצוב הנוכחי הניתן להתאמה אישית מאפשר הקלטת LFPs מכל אזורי מוח שטחיים או עמוקים מרובים 11,12 . ניתן גם לשנות את הפרוטוקול כדי לבנות כל מערך מיקרו-אלקטרוד רצוי על ידי קביעת קואורדינטות סטריאוטקסיות של אזורי המוח והרכבת המערך בהתאם. מיקרו-אלקטרוניקה אלה עם קצב דגימה של 10 קילוהרץ ועמידות של 60-70 kΩ (אורך 2 ס”מ) מאפשרים לנו להקליט LFPs בדיוק של אלפית השנייה. לאחר מכן ניתן להגביר את הנתונים על ידי מגבר בן 16 ערוצים, מסוננים (מעבר נמוך 1 הרץ, מעבר גבוה 5 קילוהרץ) ודיגיטציה.
Protocol
Representative Results
Discussion
מבחינה היסטורית, מערכי מיקרו-אלקטרוניקה שימשו באופן נרחב לתיעוד פעילות עצבית מאזור מסוים במוח שמעניין 2,3,4,5,6,6,7,8,9,13. עם זאת,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המכון הלאומי לבריאות (RO1 NS120945, R37NS119012 עד JK) ומכון המוח UVA.
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).
