Meerkanaals extracellulaire opname in vrij bewegende muizen
Summary
Het protocol beschrijft de methodologie van extracellulaire opname in de motorische cortex (MC) om extracellulaire elektrofysiologische eigenschappen te onthullen bij vrij bewegende bewuste muizen, evenals de gegevensanalyse van lokale veldpotentialen (LFP’s) en spikes, wat nuttig is voor het evalueren van de neurale activiteit van het netwerk die ten grondslag ligt aan interessant gedrag.
Abstract
Het protocol heeft tot doel de eigenschappen van neuronaal vuren en netwerk lokale veldpotentialen (LFP’s) bloot te leggen bij zich gedragende muizen die specifieke taken uitvoeren door de elektrofysiologische signalen te correleren met spontaan en/of specifiek gedrag. Deze techniek is een waardevol hulpmiddel bij het bestuderen van de neuronale netwerkactiviteit die ten grondslag ligt aan dit gedrag. Het artikel biedt een gedetailleerde en volledige procedure voor elektrode-implantatie en de daaruit voortvloeiende extracellulaire opname bij vrij bewegende bewuste muizen. De studie omvat een gedetailleerde methode voor het implanteren van de micro-elektrode-arrays, het vastleggen van de LFP- en neuronale spiking-signalen in de motorische cortex (MC) met behulp van een meerkanaalssysteem, en de daaropvolgende offline gegevensanalyse. Het voordeel van meerkanaalsregistratie bij bewuste dieren is dat een groter aantal spiking neuronen en neuronale subtypes kan worden verkregen en vergeleken, wat de evaluatie van de relatie tussen een specifiek gedrag en de bijbehorende elektrofysiologische signalen mogelijk maakt. Met name de meerkanaals extracellulaire opnametechniek en de data-analyseprocedure die in de huidige studie worden beschreven, kunnen worden toegepast op andere hersengebieden bij het uitvoeren van experimenten bij zich gedragende muizen.
Introduction
Het lokale veldpotentiaal (LFP), een belangrijk onderdeel van extracellulaire signalen, weerspiegelt de synaptische activiteit van grote populaties neuronen, die de neurale code vormen voor meerdere gedragingen. Pieken gegenereerd door neuronale activiteit worden geacht bij te dragen aan de LFP en zijn belangrijk voor neurale codering2. Het is bewezen dat veranderingen in spikes en LFP’s verschillende hersenziekten mediëren, zoals de ziekte van Alzheimer, evenals emoties zoals angst, enz.3,4. Het is vermeldenswaard dat veel onderzoeken hebben aangetoond dat de piekactiviteit aanzienlijk verschilt tussen wakkere en verdoofde toestanden bij dieren5. Hoewel opnames bij verdoofde dieren de mogelijkheid bieden om LFP’s te beoordelen met minimale artefacten in sterk gedefinieerde corticale synchronisatietoestanden, verschillen de resultaten tot op zekere hoogte van wat kan worden gevonden bij wakkere proefpersonen 6,7,8. Het is dus zinvoller om neurale activiteit over lange tijdschalen en grote ruimtelijke schalen te detecteren bij verschillende ziekten in een wakkere hersentoestand met behulp van elektroden die in de hersenen zijn geïmplanteerd. Dit manuscript biedt informatie voor beginners over het maken van het micro-drive-systeem en het instellen van de parameters met behulp van gemeenschappelijke software voor het berekenen van de spike- en LFP-signalen op een snelle en eenvoudige manier om de opname en analyse te starten.
Hoewel de niet-invasieve registratie van hersenfuncties, zoals door gebruik te maken van elektro-encefalogrammen (EEG’s) en gebeurtenisgerelateerde potentialen (ERP’s) die van de hoofdhuid zijn geregistreerd, op grote schaal is gebruikt in studies bij mensen en knaagdieren, hebben EEG- en ERP-gegevens lage ruimtelijke en temporele eigenschappen en kunnen ze dus niet de precieze signalen detecteren die worden geproduceerd door nabijgelegen dendritische synaptische activiteit in een specifiekhersengebied1. Momenteel kan, door gebruik te maken van meerkanaalsopname bij bewuste dieren, neurale activiteit in de diepere lagen van de hersenen chronisch en progressief worden geregistreerd door een micro-drive-systeem in de hersenen van primaten of knaagdieren te implanteren tijdens meerdere gedragstests 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . Kortom, onderzoekers kunnen een micro-aandrijfsysteem construeren dat kan worden gebruikt voor de onafhankelijke positionering van de elektroden of tetrodes om verschillende delen van de hersenen aan te pakken 10,11. Chang et al. beschreven bijvoorbeeld technieken om pieken en LFP’s in muizen vast te leggen door een lichte en compacte micro-drive te assembleren12. Bovendien zijn microbewerkte siliciumsondes met op maat gemaakte accessoirecomponenten in de handel verkrijgbaar voor het opnemen van meerdere afzonderlijke neuronen en LFP’s bij knaagdieren tijdens gedragstaken13. Hoewel er verschillende ontwerpen zijn gebruikt voor het assembleren van micro-aandrijfsystemen, hebben deze nog steeds beperkt succes in termen van de complexiteit en het gewicht van het hele micro-aandrijfsysteem. Lansink et al. toonden bijvoorbeeld een meerkanaals micro-aandrijfsysteem met een complexe structuur voor opname uit een enkel hersengebied14. Sato et al. rapporteerden een meerkanaals micro-aandrijfsysteem met een automatische hydraulische positioneringsfunctie15. De belangrijkste nadelen van deze micro-aandrijfsystemen zijn dat ze te zwaar zijn voor muizen om vrij te bewegen en moeilijk te monteren zijn voor beginners. Hoewel is aangetoond dat meerkanaals extracellulaire opname een geschikte en efficiënte technologie is voor het meten van neurale activiteit tijdens gedragstests, is het voor beginners niet eenvoudig om de signalen die door het complexe micro-aandrijfsysteem worden verkregen, vast te leggen en te analyseren. Gezien het feit dat het moeilijk is om het hele werkingsproces van de meerkanaals extracellulaire opname en data-analyse op gang te brengen in vrij bewegende muizen16,17, presenteert dit artikel vereenvoudigde richtlijnen om het gedetailleerde proces van het maken van het micro-aandrijfsysteem te introduceren met behulp van algemeen beschikbare componenten en instellingen; de parameters in de gemeenschappelijke software voor het berekenen van de spike- en LFP-signalen op een snelle en eenvoudige manier worden ook verstrekt. Bovendien kan de muis in dit protocol vrij bewegen door het gebruik van een heliumballon, wat bijdraagt aan het compenseren van het gewicht van de hoofdstage en het micro-aandrijfsysteem. Over het algemeen beschrijven we in de huidige studie hoe we eenvoudig een micro-aandrijfsysteem kunnen bouwen en de processen van registratie en data-analyse kunnen optimaliseren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Meerkanaals opname bij vrij bewegende muizen wordt beschouwd als een nuttige technologie in neurowetenschappelijke studies, maar het is nog steeds een hele uitdaging voor beginners om de signalen op te nemen en te analyseren. In de huidige studie bieden we vereenvoudigde richtlijnen voor het maken van micro-aandrijfsystemen en het uitvoeren van elektrode-implantatie, evenals vereenvoudigde procedures voor het vastleggen en analyseren van de elektrische signalen via spike-sorteersoftware en software voor neurofys…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door subsidies van de National Natural Science Foundation of China (31871170, 32170950 en 31970915), de Natural Science Foundation van de provincie Guangdong (2021A1515010804 en 2023A1515010899), de Guangdong Natural Science Foundation for Major Cultivation Project (2018B030336001) en de 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).
