Multikanals ekstracellulær optagelse i frit bevægelige mus
Summary
Protokollen beskriver metoden til ekstracellulær optagelse i motorcortex (MC) for at afsløre ekstracellulære elektrofysiologiske egenskaber hos frit bevægelige bevidste mus samt dataanalyse af lokale feltpotentialer (LFP’er) og pigge, hvilket er nyttigt til evaluering af netværkets neurale aktivitet, der ligger til grund for adfærd af interesse.
Abstract
Protokollen har til formål at afdække egenskaberne ved neuronal fyring og netværkslokale feltpotentialer (LFP’er) i at opføre mus, der udfører specifikke opgaver ved at korrelere de elektrofysiologiske signaler med spontan og / eller specifik adfærd. Denne teknik repræsenterer et værdifuldt redskab til at studere den neuronale netværksaktivitet, der ligger til grund for denne adfærd. Artiklen giver en detaljeret og komplet procedure for elektrodeimplantation og deraf følgende ekstracellulær optagelse i frie bevægelige bevidste mus. Undersøgelsen inkluderer en detaljeret metode til implantering af mikroelektrodearrayerne, optagelse af LFP og neuronale spiking-signaler i motorcortex (MC) ved hjælp af et multikanalsystem og den efterfølgende offline dataanalyse. Fordelen ved multikanaloptagelse hos bevidste dyr er, at et større antal spiking neuroner og neuronale undertyper kan opnås og sammenlignes, hvilket muliggør evaluering af forholdet mellem en specifik adfærd og de tilhørende elektrofysiologiske signaler. Især kan multikanals ekstracellulær optagelsesteknik og dataanalyseproceduren beskrevet i denne undersøgelse anvendes på andre hjerneområder, når der udføres eksperimenter med mus, der opfører sig.
Introduction
Det lokale feltpotentiale (LFP), en vigtig komponent i ekstracellulære signaler, afspejler den synaptiske aktivitet af store populationer af neuroner, som danner den neurale kode for flere adfærd1. Spikes genereret af neuronal aktivitet anses for at bidrage til LFP og er vigtige for neural kodning2. Ændringer i pigge og LFP’er har vist sig at formidle flere hjernesygdomme, såsom Alzheimers sygdom, såvel som følelser som frygt osv.3,4. Det er værd at bemærke, at mange undersøgelser har fremhævet, at spikeaktivitet adskiller sig væsentligt mellem vågen og bedøvet tilstand hos dyr5. Selvom optagelser i bedøvede dyr giver mulighed for at vurdere LFP’er med minimale artefakter i højt definerede kortikale synkroniseringstilstande, adskiller resultaterne sig til en vis grad fra, hvad der kan findes hos vågne forsøgspersoner 6,7,8. Således er det mere meningsfuldt at detektere neural aktivitet over lange tidsskalaer og store rumlige skalaer i forskellige sygdomme i en vågen hjernetilstand ved hjælp af elektroder implanteret i hjernen. Dette manuskript giver information til begyndere om, hvordan man laver mikrodrevsystemet og indstiller parametrene ved hjælp af almindelig software til beregning af spike- og LFP-signalerne på en hurtig og ligetil måde for at få optagelsen og analysen startet.
Selvom den ikke-invasive registrering af hjernefunktioner, såsom ved hjælp af elektroencefalogram (EEG’er) og begivenhedsrelaterede potentialer (ERP’er) registreret fra hovedbunden, er blevet brugt i vid udstrækning i humane og gnaverundersøgelser, har EEG- og ERP-data lave rumlige og tidsmæssige egenskaber og kan derfor ikke detektere de præcise signaler, der produceres af nærliggende dendritisk synaptisk aktivitet inden for et specifikt hjerneområde1. Ved at udnytte multikanaloptagelse i bevidste dyr kan neural aktivitet i de dybere lag af hjernen i øjeblikket registreres kronisk og progressivt ved at implantere et mikrodrevsystem i hjernen hos primater eller gnavere under flere adfærdstest 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . Kort fortalt kan forskere konstruere et mikrodrevsystem, der kan bruges til uafhængig positionering af elektroderne eller tetroderne til at målrette forskellige dele af hjernen10,11. For eksempel beskrev Chang et al. teknikker til at registrere pigge og LFP’er i mus ved at samle et let og kompakt mikrodrev12. Derudover er mikrobearbejdede siliciumsonder med specialfremstillede tilbehørskomponenter kommercielt tilgængelige til optagelse af flere enkeltneuroner og LFP’er hos gnavere under adfærdsmæssige opgaver13. Selvom forskellige designs er blevet brugt til samling af mikrodrevsystemer, har disse stadig begrænset succes med hensyn til kompleksiteten og vægten af hele mikrodrevsystemet. For eksempel viste Lansink et al. et multikanals mikrodrevsystem med en kompleks struktur til optagelse fra et enkelt hjerneområde14. Sato et al. rapporterede om et multikanals mikrodrevsystem, der viste en automatisk hydraulisk positioneringsfunktion15. De største ulemper ved disse mikrodrevsystemer er, at de er for tunge til, at mus kan bevæge sig frit og er vanskelige at samle for begyndere. Selvom multikanals ekstracellulær optagelse har vist sig at være en passende og effektiv teknologi til måling af neural aktivitet under adfærdstests, er det ikke let for begyndere at optage og analysere de signaler, der er erhvervet af det komplekse mikrodrevsystem. I betragtning af at det er vanskeligt at få hele driftsprocessen for multikanals ekstracellulær optagelse og dataanalyse startet i frit bevægelige mus16,17, præsenterer denne artikel forenklede retningslinjer for at introducere den detaljerede proces med at fremstille mikrodrevsystemet ved hjælp af almindeligt tilgængelige komponenter og indstillinger; parametrene i den fælles software til beregning af spike- og LFP-signalerne på en hurtig og ligetil måde leveres også. Derudover kan musen i denne protokol bevæge sig frit på grund af brugen af en heliumballon, hvilket bidrager til at udligne vægten af headstage og mikrodrevsystem. Generelt beskriver vi i denne undersøgelse, hvordan man nemt kan opbygge et mikrodrevsystem og optimere processerne til registrering og dataanalyse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Multikanaloptagelse i mus i fri bevægelse er blevet anset for at være en nyttig teknologi i neurovidenskabelige studier, men det er stadig ret udfordrende for begyndere at optage og analysere signalerne. I denne undersøgelse giver vi forenklede retningslinjer for fremstilling af mikrodrevsystemer og udførelse af elektrodeimplantation samt forenklede procedurer for optagelse og analyse af de elektriske signaler via spike-sorteringssoftware og software til neurofysiologisk dataanalyse.
<p class="jove_conte…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af tilskud fra National Natural Science Foundation of China (31871170, 32170950 og 31970915), Natural Science Foundation of Guangdong-provinsen (2021A1515010804 og 2023A1515010899), Guangdong Natural Science Foundation for Major Cultivation Project (2018B030336001) og Guangdong Grant: Key Technologies for Treatment of Brain Disorders (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).
