Enregistrement extracellulaire multicanal chez des souris se déplaçant librement
Summary
Le protocole décrit la méthodologie de l’enregistrement extracellulaire dans le cortex moteur (MC) pour révéler les propriétés électrophysiologiques extracellulaires chez les souris conscientes se déplaçant librement, ainsi que l’analyse des données des potentiels de champ locaux (LFP) et des pointes, ce qui est utile pour évaluer l’activité neuronale du réseau sous-jacente aux comportements d’intérêt.
Abstract
Le protocole vise à découvrir les propriétés de l’activation neuronale et des potentiels de champ local en réseau (LFP) chez des souris se comportant effectuant des tâches spécifiques en corrélant les signaux électrophysiologiques avec un comportement spontané et/ou spécifique. Cette technique représente un outil précieux dans l’étude de l’activité des réseaux neuronaux sous-jacents à ces comportements. L’article fournit une procédure détaillée et complète pour l’implantation d’électrodes et l’enregistrement extracellulaire qui en résulte chez des souris conscientes qui se déplacent librement. L’étude comprend une méthode détaillée pour implanter les réseaux de microélectrodes, capturer les signaux de LFP et de pic neuronal dans le cortex moteur (MC) à l’aide d’un système multicanal, et l’analyse ultérieure des données hors ligne. L’avantage de l’enregistrement multicanal chez les animaux conscients est qu’un plus grand nombre de neurones et de sous-types neuronaux peuvent être obtenus et comparés, ce qui permet d’évaluer la relation entre un comportement spécifique et les signaux électrophysiologiques associés. Notamment, la technique d’enregistrement extracellulaire multicanal et la procédure d’analyse des données décrites dans la présente étude peuvent être appliquées à d’autres zones du cerveau lors de la réalisation d’expériences sur des souris qui se comportent.
Introduction
Le potentiel de champ local (LFP), une composante importante des signaux extracellulaires, reflète l’activité synaptique de grandes populations de neurones, qui forment le code neuronal de multiples comportements1. Les pics générés par l’activité neuronale sont considérés comme contribuant à la LFP et sont importants pour le codage neuronal2. Il a été prouvé que les altérations des pics et des LFP sont à l’origine de plusieurs maladies du cerveau, telles que la maladie d’Alzheimer, ainsi que d’émotions telles que la peur, etc.3,4. Il convient de noter que de nombreuses études ont mis en évidence que l’activité des pics diffère considérablement entre les états d’éveil et d’anesthésie chez les animaux5. Bien que les enregistrements chez les animaux anesthésiés offrent la possibilité d’évaluer les LFP avec un minimum d’artefacts dans des états de synchronisation corticale hautement définis, les résultats diffèrent dans une certaine mesure de ce que l’on peut trouver chez les sujets éveillés 6,7,8. Ainsi, il est plus significatif de détecter l’activité neuronale sur de longues échelles de temps et de grandes échelles spatiales dans diverses maladies à l’état de cerveau éveillé à l’aide d’électrodes implantées dans le cerveau. Ce manuscrit fournit des informations pour les débutants sur la façon de créer le système de micro-entraînement et de régler les paramètres à l’aide d’un logiciel commun pour calculer les signaux de pointe et LFP de manière rapide et simple afin de démarrer l’enregistrement et l’analyse.
Bien que l’enregistrement non invasif des fonctions cérébrales, par exemple à l’aide d’électroencéphalogrammes (EEG) et de potentiels liés aux événements (ERP) enregistrés à partir du cuir chevelu, ait été largement utilisé dans les études sur les humains et les rongeurs, les données EEG et ERP ont de faibles propriétés spatiales et temporelles et, par conséquent, ne peuvent pas détecter les signaux précis produits par l’activité synaptique dendritique voisine dans une zone spécifique du cerveau1. Actuellement, en tirant parti de l’enregistrement multicanal chez les animaux conscients, l’activité neuronale dans les couches profondes du cerveau peut être enregistrée de manière chronique et progressive en implantant un système de micro-entraînement dans le cerveau des primates ou des rongeurs lors de multiples tests comportementaux 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . En bref, les chercheurs peuvent construire un système de micro-entraînement qui peut être utilisé pour le positionnement indépendant des électrodes ou des tétrodes afin de cibler différentes parties du cerveau10,11. Par exemple, Chang et al. ont décrit des techniques permettant d’enregistrer les pics et les LFP chez la souris en assemblant un micro-lecteur léger et compact12. De plus, des sondes en silicium micro-usinées avec des composants accessoires sur mesure sont disponibles dans le commerce pour enregistrer plusieurs neurones et LFP chez les rongeurs lors de tâches comportementales13. Bien que différents modèles aient été utilisés pour l’assemblage de systèmes de micro-entraînement, ceux-ci ont encore un succès limité en termes de complexité et de poids de l’ensemble du système de micro-entraînement. Par exemple, Lansink et al. ont montré un système de micro-entraînement multicanal avec une structure complexe pour l’enregistrement à partir d’une seule région du cerveau14. Sato et al. ont fait état d’un système de micro-entraînement multicanal affichant une fonction de positionnement hydraulique automatique15. Les principaux inconvénients de ces systèmes de micro-entraînement sont qu’ils sont trop lourds pour que les souris puissent se déplacer librement et qu’ils sont difficiles à assembler pour les débutants. Bien que l’enregistrement extracellulaire multicanal se soit avéré être une technologie appropriée et efficace pour mesurer l’activité neuronale lors de tests comportementaux, il n’est pas facile pour les débutants d’enregistrer et d’analyser les signaux acquis par le système complexe de micro-entraînement. Étant donné qu’il est difficile de démarrer l’ensemble du processus de fonctionnement de l’enregistrement extracellulaire multicanal et de l’analyse des données chez les souris en mouvement libre16,17, le présent article présente des directives simplifiées pour introduire le processus détaillé de fabrication du système de micro-entraînement à l’aide de composants et de paramètres couramment disponibles ; les paramètres du logiciel commun pour calculer les signaux de pointe et LFP de manière rapide et simple sont également fournis. De plus, dans ce protocole, la souris peut se déplacer librement grâce à l’utilisation d’un ballon d’hélium, ce qui contribue à compenser le poids de la tête et du système de micro-entraînement. De manière générale, dans la présente étude, nous décrivons comment construire facilement un système de micro-entraînement et optimiser les processus d’enregistrement et d’analyse des données.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’enregistrement multicanal chez les souris en mouvement libre a été considéré comme une technologie utile dans les études en neurosciences, mais il est encore assez difficile pour les débutants d’enregistrer et d’analyser les signaux. Dans la présente étude, nous fournissons des directives simplifiées pour la fabrication de systèmes de micro-entraînement et l’implantation d’électrodes, ainsi que des procédures simplifiées pour la capture et l’analyse des signaux électriques via un log…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été soutenus par des subventions de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (31871170, 32170950 et 31970915), de la Fondation des sciences naturelles de la province du Guangdong (2021A1515010804 et 2023A1515010899), de la Fondation des sciences naturelles du Guangdong pour le projet de culture majeure (2018B030336001) et de la subvention Guangdong : Technologies clés pour le traitement des troubles cérébraux (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
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