Grabación extracelular multicanal en ratones que se mueven libremente
Summary
El protocolo describe la metodología de registro extracelular en la corteza motora (MC) para revelar propiedades electrofisiológicas extracelulares en ratones conscientes que se mueven libremente, así como el análisis de datos de potenciales de campo local (LFP) y picos, lo que es útil para evaluar la actividad neuronal de la red que subyace a los comportamientos de interés.
Abstract
El protocolo tiene como objetivo descubrir las propiedades de la activación neuronal y los potenciales de campo local (LFP) en ratones que se comportan y llevan a cabo tareas específicas mediante la correlación de las señales electrofisiológicas con el comportamiento espontáneo y/o específico. Esta técnica representa una herramienta valiosa para estudiar la actividad de la red neuronal que subyace a estos comportamientos. El artículo proporciona un procedimiento detallado y completo para la implantación de electrodos y el consiguiente registro extracelular en ratones conscientes que se mueven libremente. El estudio incluye un método detallado para implantar las matrices de microelectrodos, capturar las señales de LFP y pico neuronal en la corteza motora (MC) utilizando un sistema multicanal, y el posterior análisis de datos fuera de línea. La ventaja del registro multicanal en animales conscientes es que se puede obtener y comparar un mayor número de neuronas y subtipos neuronales spiking, lo que permite evaluar la relación entre un comportamiento específico y las señales electrofisiológicas asociadas. En particular, la técnica de registro extracelular multicanal y el procedimiento de análisis de datos descrito en el presente estudio se pueden aplicar a otras áreas del cerebro cuando se realizan experimentos en ratones que se comportan.
Introduction
El potencial de campo local (LFP), un componente importante de las señales extracelulares, refleja la actividad sináptica de grandes poblaciones de neuronas, que forman el código neuronal para múltiplescomportamientos. Se considera que los picos generados por la actividad neuronal contribuyen a la LFP y son importantes para la codificación neuronal2. Se ha demostrado que las alteraciones en los picos y los LFP median en varias enfermedades cerebrales, como la enfermedad de Alzheimer, así como en emociones como el miedo, etc.3,4. Vale la pena señalar que muchos estudios han destacado que la actividad de la espícula difiere significativamente entre los estados despiertos y anestesiados en animales5. A pesar de que los registros en animales anestesiados ofrecen la oportunidad de evaluar las LFP con artefactos mínimos en estados de sincronización cortical altamente definidos, los resultados difieren en cierta medida de lo que se puede encontrar en sujetos despiertos 6,7,8. Por lo tanto, es más significativo detectar la actividad neuronal en escalas de tiempo largas y grandes escalas espaciales en diversas enfermedades en un estado cerebral despierto utilizando electrodos implantados en el cerebro. Este manuscrito proporciona información para principiantes sobre cómo hacer el sistema de micro-accionamiento y configurar los parámetros utilizando un software común para calcular las señales de pico y LFP de una manera rápida y sencilla para comenzar el registro y el análisis.
Aunque el registro no invasivo de las funciones cerebrales, como el uso de electroencefalogramas (EEG) y potenciales relacionados con eventos (ERP) registrados en el cuero cabelludo, se ha utilizado ampliamente en estudios en humanos y roedores, los datos de EEG y ERP tienen propiedades espaciales y temporales bajas y, por lo tanto, no pueden detectar las señales precisas producidas por la actividad sináptica dendrítica cercana dentro de un área específica del cerebro1. En la actualidad, aprovechando la grabación multicanal en animales conscientes, la actividad neuronal en las capas más profundas del cerebro puede registrarse de forma crónica y progresiva mediante la implantación de un sistema de microaccionamiento en el cerebro de primates o roedores durante múltiples pruebas de comportamiento 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . En resumen, los investigadores pueden construir un sistema de microaccionamiento que se puede utilizar para el posicionamiento independiente de los electrodos o tetrodos para apuntar a diferentes partes del cerebro10,11. Por ejemplo, Chang et al. describieron técnicas para registrar picos y LFPs en ratones mediante el ensamblaje de un micro-drive ligero y compacto12. Además, las sondas de silicio micromecanizadas con componentes accesorios hechos a medida están disponibles comercialmente para registrar múltiples neuronas individuales y LFP en roedores durante tareas de comportamiento13. Aunque se han utilizado varios diseños para ensamblar sistemas de microaccionamiento, estos todavía tienen un éxito limitado en términos de complejidad y peso de todo el sistema de microaccionamiento. Por ejemplo, Lansink et al. mostraron un sistema de microaccionamiento multicanal con una estructura compleja para la grabación de una sola región cerebral14. Sato et al. informaron de un sistema de microaccionamiento multicanal que mostraba una función de posicionamiento hidráulico automático15. Las principales desventajas de estos sistemas de microaccionamiento son que son demasiado pesados para que los ratones se muevan libremente y son difíciles de montar para los principiantes. Aunque se ha demostrado que el registro extracelular multicanal es una tecnología adecuada y eficiente para medir la actividad neuronal durante las pruebas de comportamiento, no es fácil para los principiantes registrar y analizar las señales adquiridas por el complejo sistema de microaccionamiento. Dado que es difícil iniciar todo el proceso de operación del registro extracelular multicanal y el análisis de datos en ratones que se mueven libremente16,17, en el presente artículo se presentan pautas simplificadas para introducir el proceso detallado de fabricación del sistema de microaccionamiento utilizando componentes y configuraciones comúnmente disponibles; también se proporcionan los parámetros del software común para calcular las señales de pico y LFP de una manera rápida y sencilla. Además, en este protocolo, el ratón puede moverse libremente gracias al uso de un globo de helio, lo que contribuye a compensar el peso de la cabecera y el sistema de micropropulsión. En general, en el presente estudio, describimos cómo construir fácilmente un sistema de micro-accionamiento y optimizar los procesos de registro y análisis de datos.
Protocol
Representative Results
Discussion
La grabación multicanal en ratones que se mueven libremente se ha considerado una tecnología útil en los estudios de neurociencia, pero sigue siendo bastante difícil para los principiantes registrar y analizar las señales. En el presente estudio, proporcionamos pautas simplificadas para la fabricación de sistemas de microaccionamiento y la implantación de electrodos, así como procedimientos simplificados para capturar y analizar las señales eléctricas a través del software de clasificación de picos y…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo contó con el apoyo de subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (31871170, 32170950 y 31970915), la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Guangdong (2021A1515010804 y 2023A1515010899), la Fundación de Ciencias Naturales de Guangdong para el Proyecto de Cultivo Mayor (2018B030336001) y la Subvención de Guangdong: Tecnologías clave para el tratamiento de trastornos cerebrales (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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