تسجيل متعدد القنوات خارج الخلية في الفئران المتحركة بحرية
Summary
يصف البروتوكول منهجية التسجيل خارج الخلية في القشرة الحركية (MC) للكشف عن الخصائص الكهربية خارج الخلية في الفئران الواعية التي تتحرك بحرية ، بالإضافة إلى تحليل بيانات إمكانات المجال المحلي (LFPs) والمسامير ، وهو أمر مفيد لتقييم النشاط العصبي للشبكة الكامنة وراء السلوكيات ذات الأهمية.
Abstract
يهدف البروتوكول إلى الكشف عن خصائص إطلاق الخلايا العصبية وشبكة إمكانات المجال المحلي (LFPs) في الفئران التي تتصرف في تنفيذ مهام محددة من خلال ربط الإشارات الكهربية بالسلوك التلقائي و / أو المحدد. تمثل هذه التقنية أداة قيمة في دراسة نشاط الشبكة العصبية الكامنة وراء هذه السلوكيات. توفر المقالة إجراء مفصلا وكاملا لزرع القطب الكهربائي وما يترتب على ذلك من تسجيل خارج الخلية في الفئران الواعية التي تتحرك بحرية. تتضمن الدراسة طريقة مفصلة لزرع صفائف الأقطاب الكهربائية الدقيقة ، والتقاط LFP وإشارات ارتفاع الخلايا العصبية في القشرة الحركية (MC) باستخدام نظام متعدد القنوات ، وتحليل البيانات اللاحق في وضع عدم الاتصال. تتمثل ميزة التسجيل متعدد القنوات في الواعية في أنه يمكن الحصول على عدد أكبر من الخلايا العصبية المتصاعدة والأنواع الفرعية العصبية ومقارنتها ، مما يسمح بتقييم العلاقة بين سلوك معين والإشارات الكهربية المرتبطة به. والجدير بالذكر أن تقنية التسجيل خارج الخلية متعددة القنوات وإجراء تحليل البيانات الموصوف في هذه الدراسة يمكن تطبيقها على مناطق أخرى من الدماغ عند إجراء تجارب على الفئران التي تتصرف.
Introduction
تعكس إمكانات المجال المحلي (LFP) ، وهي عنصر مهم في الإشارات خارج الخلية ، النشاط المشبكي لمجموعات كبيرة من الخلايا العصبية ، والتي تشكل الشفرة العصبية لسلوكيات متعددة1. تعتبر المسامير الناتجة عن النشاط العصبي مساهمة في LFP وهي مهمة للترميز العصبي2. ثبت أن التغيرات في المسامير و LFPs تتوسط في العديد من أمراض الدماغ ، مثل مرض الزهايمر ، وكذلك العواطف مثل الخوف ، وما إلى ذلك.3,4. تجدر الإشارة إلى أن العديد من الدراسات قد أبرزت أن نشاط الارتفاع يختلف اختلافا كبيرا بين حالات اليقظة والتخدير في5. على الرغم من أن التسجيلات في المخدرة توفر فرصة لتقييم LFPs مع الحد الأدنى من القطع الأثرية في حالات التزامن القشري المحددة للغاية ، إلا أن النتائج تختلف إلى حد ما عما يمكن العثور عليه في الأشخاص المستيقظين6،7،8. وبالتالي ، فمن المفيد أكثر اكتشاف النشاط العصبي على مدى نطاقات زمنية طويلة ومقاييس مكانية كبيرة في أمراض مختلفة في حالة دماغية مستيقظة باستخدام أقطاب كهربائية مزروعة في الدماغ. توفر هذه المخطوطة معلومات للمبتدئين حول كيفية إنشاء نظام محرك الأقراص الصغير وتعيين المعلمات باستخدام برنامج شائع لحساب إشارات السنبلة و LFP بطريقة سريعة ومباشرة من أجل بدء التسجيل والتحليل.
على الرغم من أن التسجيل غير الجراحي لوظائف الدماغ ، مثل استخدام تخطيط كهربية الدماغ (EEGs) والإمكانات المرتبطة بالحدث (ERPs) المسجلة من فروة الرأس ، قد تم استخدامه على نطاق واسع في الدراسات البشرية والقوارض ، فإن بيانات EEG و ERP لها خصائص مكانية وزمانية منخفضة ، وبالتالي ، لا يمكنها اكتشاف الإشارات الدقيقة الناتجة عن النشاط المشبكي الشجيري القريب داخل منطقة معينة من الدماغ1. حاليا ، من خلال الاستفادة من التسجيل متعدد القنوات في الواعية ، يمكن تسجيل النشاط العصبي في الطبقات العميقة من الدماغ بشكل مزمن وتدريجي عن طريق زرع نظام محرك صغير في أدمغة الرئيسيات أو القوارض أثناء الاختبارات السلوكية المتعددة1،2،3،4،5،6،7،8،9. باختصار ، يمكن للباحثين بناء نظام محرك صغير يمكن استخدامه لتحديد المواقع المستقلة للأقطاب الكهربائية أو tetrodes لاستهداف أجزاء مختلفة من الدماغ10,11. على سبيل المثال ، وصف Chang et al. تقنيات لتسجيل المسامير و LFPs في الفئران عن طريق تجميع محرك أقراص صغير خفيف ومضغوط12. بالإضافة إلى ذلك ، تتوفر مجسات السيليكون الدقيقة الآلية مع مكونات ملحقة مخصصة تجاريا لتسجيل العديد من الخلايا العصبية المفردة و LFPs في القوارض أثناء المهام السلوكية13. على الرغم من استخدام تصميمات مختلفة لتجميع أنظمة محركات الأقراص الصغيرة ، إلا أنها لا تزال تحقق نجاحا محدودا من حيث تعقيد ووزن نظام محرك الأقراص الصغير بأكمله. على سبيل المثال ، أظهر Lansink et al. نظام محرك أقراص صغير متعدد القنوات بهيكل معقد للتسجيل من منطقة دماغية واحدة14. أبلغ Sato et al. عن نظام محرك صغير متعدد القنوات يعرض وظيفة تحديد المواقع الهيدروليكيةالتلقائية 15. تتمثل العيوب الرئيسية لأنظمة الأقراص الصغيرة هذه في أنها ثقيلة جدا بحيث لا تستطيع الفئران التحرك بحرية ويصعب تجميعها للمبتدئين. على الرغم من أن التسجيل خارج الخلية متعدد القنوات قد ثبت أنه تقنية مناسبة وفعالة لقياس النشاط العصبي أثناء الاختبارات السلوكية ، إلا أنه ليس من السهل على المبتدئين تسجيل وتحليل الإشارات التي يكتسبها نظام محرك الأقراص الصغير المعقد. نظرا لأنه من الصعب بدء عملية التشغيل الكاملة للتسجيل خارج الخلية متعدد القنوات وتحليل البيانات في الفئران التي تتحرك بحرية16،17 ، تقدم هذه المقالة الحالية إرشادات مبسطة لتقديم العملية التفصيلية لصنع نظام محرك الأقراص الصغير باستخدام المكونات والإعدادات المتاحة بشكل شائع ؛ يتم أيضا توفير المعلمات في البرنامج المشترك لحساب إشارات Spike و LFP بطريقة سريعة ومباشرة. بالإضافة إلى ذلك ، في هذا البروتوكول ، يمكن للماوس التحرك بحرية بسبب استخدام بالون الهيليوم ، مما يساهم في تعويض وزن الرأس ونظام القيادة الصغيرة. بشكل عام ، في هذه الدراسة ، نصف كيفية بناء نظام محرك أقراص صغير بسهولة وتحسين عمليات التسجيل وتحليل البيانات.
Protocol
Representative Results
Discussion
يعتبر التسجيل متعدد القنوات في الفئران حرة الحركة تقنية مفيدة في دراسات علم الأعصاب ، ولكن لا يزال من الصعب جدا على المبتدئين تسجيل الإشارات وتحليلها. في هذه الدراسة ، نقدم إرشادات مبسطة لصنع أنظمة القيادة الدقيقة وإجراء زرع الأقطاب الكهربائية ، بالإضافة إلى إجراءات مبسطة لالتقاط وتحليل…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل بمنح من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (31871170 و 32170950 و 31970915) ، ومؤسسة العلوم الطبيعية بمقاطعة قوانغدونغ (2021A1515010804 و 2023A1515010899) ، ومؤسسة قوانغدونغ للعلوم الطبيعية لمشروع الزراعة الرئيسية (2018B030336001) ، ومنحة قوانغدونغ: التقنيات الرئيسية لعلاج اضطرابات الدماغ (2018B030332001).
Materials
| 2.54 mm pin header | YOUXIN Electronic Co., Ltd. | 1 x 5 | Applying for the movable micro-drive which can slide on its stulls. |
| Adobe Illustrator CC 2017 | Adobe | N/A | To optimize images from GraphPad. |
| BlackRock Microsystems | Blackrock Neurotech | Cerebus | This systems includes headsatge, DA convert, amplifier and computer. |
| Brass nut | Dongguan Gaosi Technology Co., Ltd. | M0.8 brass nut | The nut fixes the position of screw. |
| Brass screw | Dongguan Gaosi Technology Co., Ltd. | M0.8 x 11 mm brass screw | A screw that hold the movable micro-drive. |
| C57BL/6J | Guangdong Zhiyuan Biomedical Technology Co., LTD. | N/A | 12 weeks of age. |
| Centrifuge tube | Biosharp | 15 mL; BS-150-M | To store mice brain with sucrose sulutions. |
| Conducting paint | Structure Probe, Inc. | 7440-22-4 | To improve the lead-connecting quality between connector pins and Ni-wires. |
| Conductive copper foil tape | 3M | 1181 | To reduce interferenc. |
| Connector | YOUXIN Electronic Co., Ltd. | 2 x 10P | To connect the headtage to micro-drive system. |
| DC Power supply | Maisheng | MS-305D | A power device for electrolytic lesion. |
| Dental cement | Shanghai New Century Dental Materials Co., Ltd. | N/A | To fix the electrode arrays on mouse's skull after finishing the implantation. |
| Digital analog converter | Blackrock | 128-Channel | A device that converts digital data into analog signals. |
| Epoxy resin | Alteco | N/A | To cover pins. |
| Excel | Microsoft | N/A | To summarize data after analysis. |
| Eye scissors | JiangXi YuYuan Medical Equipment Co.,Ltd. | N/A | For surgery or cutting the Ni-chrome wire. |
| Fine forceps | JiangXi YuYuan Medical Equipment Co.,Ltd. | N/A | For surgery. |
| Forceps | JiangXi YuYuan Medical Equipment Co.,Ltd. | N/A | For surgery or assembling the mirco-drive system. |
| Freezing microtome | Leica | CM3050 S | Cut the mouse’s brain into slices |
| Fused silica capillary tubing | Zhengzhou INNOSEP Scientific Co., Ltd. | TSP050125 | To serve as the guide tubes for Ni-chrome wires. |
| Glass microelectrode | Sutter Instrument Company | BF100-50-10 | To mark the desired locations for implantation using the filled ink. |
| GraphPad Prism 7 | GraphPad Software | N/A | To analyze and visualize the results. |
| Guide-tube | Polymicro technologies | 1068150020 | To load Ni-chrome wires. |
| Headstage | Blackrock | N/A | A tool of transmitting signals. |
| Helium balloon | Yili Festive products Co., Ltd. | 24 inch | To offset the weight of headstage and micro-drive system. |
| Ink | Sailor Pen Co.,LTD. | 13-2001 | To mark the desired locations for implantation. |
| Iodine tincture | Guangdong Hengjian Pharmaceutical Co., Ltd. | N/A | To disinfect mouse's scalp. |
| Lincomycin in Hydrochloride and Lidocaine hydrochloride gel | Hubei kangzheng pharmaceutical co., ltd. | 10g | A drug used to reduce inflammation. |
| Meloxicam | Vicki Biotechnology Co., Ltd. | 71125-38-7 | To reduce postoperative pain in mice. |
| Micromanipulators | Scientifica | Scientifica IVM Triple | For electrode arrays implantation. |
| Microscope | Nikon | ECLIPSE Ni-E | Capture the images of brain sections |
| nanoZ impedance tester | Plexon | nanoZ | To measure impedance or performing electrode impedance spectroscopy (EIS) for multichannel microelectrode arrays. |
| NeuroExplorer | Plexon | NeuroExplorer | A tool for analyzing the electrophysiological data. |
| NeuroExplorer | Plexon, USA | N/A | A software. |
| Ni-chrome wire | California Fine Wire Co. | M472490 | 35 μm Ni-chrome wire. |
| Offline Sorter | Plexon | Offline Sorter | A tool for sorting the recorded multi-units. |
| PCB board | Hangzhou Jiepei Information Technology Co., Ltd. | N/A | Computer designed board. |
| Pentobarbital | Sigma | P3761 | To anesthetize mice. |
| Pentobarbital sodium | Sigma | 57-33-0 | To anesthetize the mouse. |
| Peristaltic pump | Longer | BT100-1F | A device used for perfusion |
| Polyformaldehyde | Sangon Biotech | A500684-0500 | The main component of fixative solution for fixation of mouse brains |
| PtCl4 | Tianjin Jinbolan Fine Chemical Co., Ltd. | 13454-96-1 | Preparation for gold plating liquid. |
| Saline | Guangdong Hengjian Pharmaceutical Co., Ltd. | N/A | To clean the mouse's skull. |
| Silver wire | Suzhou Xinye Electronics Co., Ltd. | 2 mm diameter | Applying for ground and reference electrodes. |
| Skull drill | RWD Life Science | 78001 | To drill carefully two small holes on mouse's skull. |
| Stainless steel screws | YOUXIN Electronic Co., Ltd. | M0.8 x 2 | To protect the micro-drive system and link the ground and reference electrodes. |
| Stereotaxic apparatus | RWD Life Science | 68513 | To perform the stereotaxic coordinates of bilateral motor cortex. |
| Sucrose | Damao | 57-50-1 | To dehydrate the mouse brains after perfusion. |
| Super glue | Henkel AG & Co. | PSK5C | To fix the guide tube and Ni-chrome wire. |
| Temperature controller | Harvard Apparatus | TCAT-2 | To maintain mouse's rectal temperature at 37°C |
| Tetracycline eye ointment | Guangdong Hengjian Pharmaceutical Co., Ltd. | N/A | To protect the mouse's eyes during surgery. |
| Thread | Rapala | N/A | To link ballon and headstage. |
| Vaseline | Unilever plc | N/A | To cover the gap between electrode arrays and mouse's skull. |
References
- Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents–EEG, ECoG, LFP and spikes. Nature Reviews Neuroscience. 13 (6), 407-420 (2012).
- Singer, W. Synchronization of cortical activity and its putative role in information processing and learning. Annual Review of Physiology. 55, 349-374 (1993).
- Arroyo-García, L. E., et al. Impaired spike-gamma coupling of area CA3 fast-spiking interneurons as the earliest functional impairment in the App(NL-G-F) mouse model of Alzheimer’s disease. Molecular Psychiatry. 26 (10), 5557-5567 (2021).
- Ozawa, M., et al. Experience-dependent resonance in amygdalo-cortical circuits supports fear memory retrieval following extinction. Nature Communications. 11 (1), 4358 (2020).
- Vinck, M., Batista-Brito, R., Knoblich, U., Cardin, J. A. Arousal and locomotion make distinct contributions to cortical activity patterns and visual encoding. Neuron. 86 (3), 740-754 (2015).
- Beck, M. H., et al. long-term dopamine depletion causes enhanced beta oscillations in the cortico-basal ganglia loop of parkinsonian rats. Experimental Neurology. 286, 124-136 (2016).
- Magill, P. J., Bolam, J. P., Bevan, M. D. Relationship of activity in the subthalamic nucleus-globus pallidus network to cortical electroencephalogram. Journal of Neuroscience. 20 (2), 820-833 (2000).
- Magill, P. J., et al. Changes in functional connectivity within the rat striatopallidal axis during global brain activation in vivo. Journal of Neuroscience. 26 (23), 6318-6329 (2006).
- Rapeaux, A. B., Constandinou, T. G. Implantable brain machine interfaces: First-in-human studies, technology challenges and trends. Current Opinion in Biotechnology. 72, 102-111 (2021).
- Tort, A. B., et al. Dynamic cross-frequency couplings of local field potential oscillations in rat striatum and hippocampus during performance of a T-maze task. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (51), 20517-20522 (2008).
- Yamamoto, J., Wilson, M. A. Large-scale chronically implantable precision motorized microdrive array for freely behaving animals. Journal of Neurophysiology. 100 (4), 2430-2440 (2008).
- 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).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. Journal of Visualized Experiments. (61), e3568 (2012).
- Lansink, C. S., et al. A split microdrive for simultaneous multi-electrode recordings from two brain areas in awake small animals. Journal of Neuroscience Methods. 162 (1-2), 129-138 (2007).
- Sato, T., Suzuki, T., Mabuchi, K. A new multi-electrode array design for chronic neural recording, with independent and automatic hydraulic positioning. Journal of Neuroscience Methods. 160 (1), 45-51 (2007).
- van Daal, R. J. J., et al. Implantation of Neuropixels probes for chronic recording of neuronal activity in freely behaving mice and rats. Nature Protocols. 16 (7), 3322-3347 (2021).
- Unakafova, V. A., Gail, A. Comparing open-source toolboxes for processing and analysis of spike and local field potentials data. Frontiers in Neuroinformatics. 13, 57 (2019).
- Mao, L., Wang, H., Qiao, L., Wang, X. Disruption of Nrf2 enhances the upregulation of nuclear factor-kappaB activity, tumor necrosis factor-alpha, and matrix metalloproteinase-9 after spinal cord injury in mice. Mediators of Inflammation. 2010, 238321 (2010).
- Jin, Z., Zhang, Z., Ke, J., Wang, Y., Wu, H. Exercise-linked irisin prevents mortality and enhances cognition in a mice model of cerebral ischemia by regulating Klotho expression. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2021, 1697070 (2021).
- Ding, X., et al. Spreading of TDP-43 pathology via pyramidal tract induces ALS-like phenotypes in TDP-43 transgenic mice. Acta Neuropathologica Communications. 9 (1), 15 (2021).
- Cao, W., et al. Gamma oscillation dysfunction in mPFC leads to social deficits in neuroligin 3 R451C knockin mice. Neuron. 97 (6), 1253-1260 (2018).
