在麻醉大鼠的硅探头录制的大型神经元合唱

Neuroscience
 

Summary

神经元的活动外的录音使用的麻醉大鼠硅探针进行说明。这种技术允许跨多个脑区的信息,来自100多个神经元同时获得。它提供了有关单细胞神经合奏在多个本地电路动态决议的信息。

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Schjetnan, A. G., Luczak, A. Recording Large-scale Neuronal Ensembles with Silicon Probes in the Anesthetized Rat. J. Vis. Exp. (56), e3282, doi:10.3791/3282 (2011).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

从神经合奏的大型电生理记录提供了机会,以研究大脑如何协调各种各样的扣球从它的神经元活动的行为。同时监察扣球从大量的神经元在多个地方的神经回路活动的一个最有效的方法是通过使用硅电极阵列1-3。

动作电位产生大量的跨膜电压的变化,在细胞somata附近。这些输出信号可以测量导体放置在一个神经元的接近。如果有许多活动(扣球)在针尖附近的神经元,电极记录其中,单个神经元的贡献是“电气距离”加权相结合的信号。硅探头是理想的记录电极监测,由于大量的记录点(64)和体积小的多个神经元。 Furthermo再次,多个站点可以被安排在一毫米的距离,从而使神经元的活动,同时在不同的皮质层或多个皮层柱的录音(图1)。更重要的是,记录点的几何精确分布,还可以隔离单个神经的4的空间关系的决心。在这里,我们描述的一种急性,大规模的左,右前肢同时在硅探针(图2)麻醉大鼠体感皮层神经元记录。

Protocol

1。手术前准备

  1. 适当的类型和剂量的麻醉药麻醉大鼠。在这里,我们用乌拉坦(1.5克/公斤,Sigma - Aldrich公司有限公司,圣路易斯,密苏里州) - 准备为20%溶液稀释的聚氨酯20克在100毫升磷酸缓冲液(PBS),即动物将收到7.5 intraperitonealy聚氨酯解决方案(IP)的毫升/公斤。由于其剂量反应曲线,聚氨酯的总剂量分为四个应用程序,每个相隔约30分钟。之前的前两个聚氨酯的应用,动物麻醉与异氟醚在3-4%的浓度(每分钟2升氧气)管理,并维持在2%(高达每分钟2升氧气),以防止动物从越来越强调通过注射。在手术过程中,isofluorane(2%浓度的2分钟)的额外的管理,如果需要的话,可以使用。
  2. 剃须沿切口部位(头背侧)皮草,以确保皮草不会污染伤口和足够的面积,可消毒切口周围站点。
  3. 防腐用有机碘或洗必泰肥皂和消毒剂(乙醇),准备手术部位。
  4. 准备硅探针(NeuroNexus技术,安阿伯,MI)。探头可以使用70%的乙醇,用蒸馏水冲洗消毒。如果需要的话,探头可涂防腐准备(如染料我,Invitrogen公司有限公司)用荧光标记,稍后揭示探头的位置,在组织学分析。要做到这一点,我们用一个小的和非常柔软的油漆刷和微妙的接触与染料的硅探头的背面。此过程应该始终做了一个显微镜,以确保探头不被损坏或弯曲。经常检查,确保染料不会阻止任何渠道。探头上留下任何残余染料可以用酒精后取出,用清水冲洗。
  5. 硅electrodES护理:由于其体积小,硅探针是微妙的,非常容易打破,即使使用具有相当的保健。因此,我们建议监测潜在的危险,在所有的时间,如:(一)保持在一个适当指定的框的探针;(二)防止崩溃或删除处理时的探头;(三)确保固定,立体造以防止任何意外;(四)录制时,周围组织和/或血液可以连接到探头。因此,重要的是录制后取出探头时要小心。强烈建议使用PBS或生理盐水溶液的流量恒定(V)始终清洁录制后探头。要清洁探头,强烈建议他们淹没在液体酶清洗剂(波士顿,博士伦)几分钟。始终用蒸馏水冲洗探针,并返回他们自己的专用盒。根据我们的经验,足够的照顾,确保硅探针10多个实验的良好品质的录音。如果通道“获取嘈杂”,在使用过程中,应排除后续分析。我们发现,通道之间的串扰是最小的;因此,嘈杂的通道通常有其他渠道的信号影响很小。

2。外科

  1. 任何手术操作前,涂抹于眼睛表面的眼软膏。
  2. 管理地塞米松5毫克/毫升皮下注射,以减少脑部发炎。
  3. 修复的动物,在整个手术的立体框架。
  4. 管理2%盐酸利多卡因肾上腺素(2-4毫克/千克稀释至0.5%溶液)在切口部位皮下切口前,以减少伤口出血和局部麻醉的潜在风险。
  5. 通过头皮中线2厘米的切口,横向和取代皮肤暴露颅骨表面。
  6. 清除头皮背筋膜,钝性分离和控制microcautery或用骨蜡止血。
  7. 两个钻孔,重视动物接地和参考的头骨枕骨的小螺丝钉。参考螺丝必须与硬脑膜接触。为了减少在录音电气噪声,这是建议保留在任何时候都湿了螺丝。要做到这一点,一个小的丙烯酸障碍,周围的螺丝可以建造或螺丝可以用琼脂覆盖。
  8. 在坐标相应的皮质和/或皮质下面积(S)的利息5 1-2毫米直径的开颅手术。开颅手术(钻孔)期间需要使用压缩空气来消除骨粉。防止头骨温暖从钻井应用的PBS滴。第二次开颅手术,如果需要插入第二个探测器。在这段视频中,我们提出从两个皮质区同时录音,因此两个craniotomies。
  9. 建立一个小的丙烯酸树脂屏障(如:郎牙科制造,有限责任公司,Wheeting,IL)的周边两个craniotomies为了保持PBS暴露硬脑膜上,防止它干燥。整个实验过程中不断应用PBS。
  10. 打开硬脑膜问题都craniotomies。两面针(30半计)弯曲的提示(形成了钩),可用于该操作。
  11. 将连接器的硅探针的立体manipulatiors。连接器连接到一个极点,才能有探头完全平行的立体操盘柄。这是至关重要的,以保持稳定的录音,并避免损坏探头。
  12. 连接到硅探头的参考引脚的参考螺丝。为了减少电噪声,接地螺钉连接到:我)探头插头的接地;二)从录音设备的机箱接地;三)立体框架。
  13. 将只是在软接触的硅探针的尖端。
  14. 慢慢地引进日发送硅探头,并确保无阻力或弯曲,可以插入到大脑的硅探针的柄(图1及2)。
  15. 仔细降低,直至达到所需的记录区域的探头。如果需要,加craniotomies顶部的PBS滴,以避免组织干燥。
  16. 由于乌拉坦麻醉,只应使用终端程序,动物安乐死至少钠经口200mg/kg腹腔注射戊巴比妥稀释至不超过60毫克/毫升的浓度。其次是动物断头。

3。代表性的成果:

局部场电位和扣球活动的代表录音如图3A所示。硅探头记录后执行穗排序(歧视尖峰来自不同的神经元;图3B,C; 6,7,8)提供调查涉及的神经元群活动的能力,我王等,以下过程:记忆和决策9 10,可塑性强,刺激的,自发的活动编码11 1213个不同的药物的影响。

图1
图1。答 :一个使用一个单一的柄的硅探头的例子是叠加在重建神经元(S. 田14提供蒙太奇B.探头在每个8柄的四极配置一个例子。C.原理图大鼠颅骨。绿色框表示在左,右的体感皮层的开颅手术的程度。

图2
图2:与实验前额叶皮层和海马硅探针插入的一个例子。掉落的PBS覆盖了开颅手术,以保护暴露的BR泉干涸。以上位于小脑的两个螺丝将连接到地面和参考,分别。

图3
图3。 A.图像显示500ms的有代表性的局部场电位(LFP)的电生理记录,从一个四极管(注:负电压绘制统筹)。插入显示-波形的尖峰B.二维单位从1四极管的功能空间集群的意见。每个集群从一个单一的单元(神经元)的尖峰。C.平均尖峰波形代表单位(颜色编码),在每一个单一的四极管的四个记录 。D.波形能量(振幅),随着时间的推移峰值。注意:每个单元的相对恒定的能量值,这表明显示期的持续时间较稳定的记录。

Discussion

本文演示了如何使用硅电极阵列记录从人口众多,同时在多个皮层区的神经元(> 100)。为了在成功的手术和记录,应考虑以下问题:

  1. 到所需区域的探头介绍:当插入脑组织中的探测器,它有可能造成相当大的损害。这可能会导致低质量的记录单位。为了避免这个问题,我们提出以下建议:(一)在一定程度的角度介绍了探头(推荐使用10度角)。通过这样做,可以减少所记录的神经元的树突状损害;(二)探针插入脑组织后,他们最初以更快的速度,每10-30秒(约50至100微米)降低,直到他们得到接近所需的记录。当探测目标区域约200微米,位置调整更慢(约imately 10微米,每2或3分钟)。
  2. 稳定的录音:当探头在指定的区域是相当大的活​​动检测(在大多数的渠道鲜明尖峰)的,建议开始录制之前,等待约30分钟。这将使脑组织机械稳定的探针插入后,并确保一个更稳定的录音。
  3. 脑脉动:偶尔可以看到大脑的脉动,可以显著降低录音的质量。在录音方面,一个小的开颅手术(只是足够的空间,以适应探头)可以减少大脑的脉动。如果有必要,枕大池可以被刺破。这样可以减少脑脊液压力和减少肿胀和脉动。
  4. 硅探头配置:硅探头可以有多种形状和录制现场配置。例如,他们可以在不同的柄,柄的长度和厚度,并在记录点(;:www.neuronexustech.com看到如四极管与线性配置)的安排。一个特定的配置使用的探头选择取决于科学要回答的问题。例如,如果目标是记录在多个地点在一个特定的层(如在这些录音中提出)的神经元的人群,最好的选择是使用八柄和四极配置的探头。这允许多个单单位在每一个四极管和跨1.4毫米跨度8个地点的采样录音。另一个例子是,如果有人想研究在皮质层的活动传播,最好的选择是使用一个探头,一个柄定期分发的记录点,沿着这条柄,允许同时录制多个皮质层14。

Disclosures

没有利益冲突的声明。

Acknowledgments

这项工作是由NSERC AHFMR支持。作者感谢玛丽亚姆Alaverdashvili和阿曼达Mauthe Kaddoura手稿和Hiroe山崎的意见,准备手术的帮助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Urethane Sigma-Aldrich
Phosphate Buffer Saline (PBS)
Isoflurane Benson Medical Instruments 02241315
Silicon probes NeuroNexus Technologies A 4 X 2 - Tet - 5mm - 150 - 200 – 312
Dye I (DiIC18(3)) Invitrogen 617830
Dexamethasone 5 Vétoquinol 0A0640B
Eye ointment Vétoquinol 005165414
Lidocaine HCl 2% with Epinephrine Bimeda-MTC 00141984
Stereotaxic Frame Kopf Instruments 1430-B
Electrode manipulator and holder Kopf Instruments 960
Rat ear-bars Kopf Instruments 1955
Rat adaptor Kopf Instruments 920
Anaesthesia mask Kopf Instruments 906
Scalpel Roboz Surgical Instruments Co. RS-9843
Scalpel blades Paragon 0086
Micro dissecting scissors Roboz Surgical Instruments Co. RS-5910
Screws Gould Pasteners Limited 14084701
Hemostatic forceps Roboz Surgical Instruments Co. RS-7130 RS-7211
30½ gauge needles BD Biosciences 305115
Micromotor control Foredom HP4-917
Dissecting forceps Roboz Surgical Instruments Co. RS-5237
Bone wax Lukens M263500
Compressed air bottle Falcon BD 50-10521C
Enzymatic cleaner Bausch and Lomb BAUSCH497628
Distilled water
Dental acrylic powder Lang Dental 1220
Dental acrylic liquid Lang Dental 1404
Digital Lynx SX System Neuralynx Inc. 4SX-Z400
Cheeta Softwere Neuralynx Inc.
Alligator cables

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat. Neurosci. 7, 446-451 (2004).
  2. Kipke, D. R. Advanced neurotechnologies for chronic neural interfaces: new horizons and clinical opportunities. J. Neurosci. 28, 11830-11838 (2008).
  3. Csicsvari, J. Massively parallel recording of unit and local field potentials with silicon-based electrodes. J. Neurophysiol. 90, 1314-1323 (2003).
  4. Bartho, P. Characterization of neocortical principal cells and interneurons by network interactions and extracellular features. J. Neurophysiol. 92, 600-608 (2004).
  5. Paxinos, G., Watson, C. The rat brain: in stereotaxic coordinates. 4th Edition, Academic Press. San Diego. (1998).
  6. Lewicki, M. S. A review of methods for spike sorting: the detection and classification of neural action potentials. Network. 9, R53-R78 (1998).
  7. Harris, K. D., Henze, D. A., Csicsvari, J., Hirase, H., Buzsaki, G. Accuracy of tetrode spike separation as determined by simultaneous intracellular and extracellular measurements. J. Neurophysiol. 84, 401-414 (2000).
  8. Luczak, A., Narayanan, N. S. Spectral representation--analyzing single-unit activity in extracellularly recorded neuronal data without spike sorting. J. Neurosci. Methods. 144, 53-61 (2005).
  9. Pastalkova, E., Itskov, V., Amarasingham, A., Buzsaki, G. Internally generated cell assembly sequences in the rat hippocampus. Science. 321, 1322-1327 (2008).
  10. Fujisawa, S., Amarasingham, A., Harrison, M. T., Buzsaki, G. Behavior-dependent short-term assembly dynamics in the medial prefrontal cortex. Nat Neurosci. 11, 823-833 (2008).
  11. Harris, K. D. How do neurons work together? Lessons from auditory cortex. Hear. Res. 271, 37-53 (2011).
  12. Luczak, A., Bartho, P., Marguet, S. L., Buzsaki, G., Harris, K. D. Sequential structure of neocortical spontaneous activity in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 347-352 (2007).
  13. Robbe, D. Cannabinoids reveal importance of spike timing coordination in hippocampal function. Nat. Neurosci. 9, 1526-1533 (2006).
  14. Sakata, S., Harris, K. D. Laminar structure of spontaneous and sensory-evoked population activity in auditory cortex. Neuron. 64, 404-418 (2009).

Comments

4 Comments

  1. Nice movie!
    How do you use the fluorescent dye? Isn't it peeled off during insertion? Which dye anyways?
    And another one: Don't you observe dimpling upon insertion?
    How many units do you get on average per site?


    Reply
    Posted by: Anonymous
    May 8, 2012 - 4:12 AM
  2. How do you use the fluorescent dye? Isn't it peeled off during insertion? Which dye anyways?
    After painting a probe, the dye quickly dries and sticks to the probe. We never observed any peeling during insertion. In fact, after several hours of the recordings, the probes have to be washed with alcohol and distilled water to take the remaining dye off the probe. The dye we use is called DiI (DiIC18(3), Invitrogen Co., Carlsbad, CA, Catalog Number: 617830). Note that in the article we made a spelling mistake; the name of the dye should be "DiI" instead of "Dye I". After the experiment, tissue is processed as for standard Nissl or DAPI staining, and slides are viewed using a fluorescent microscope.

    Don't you observe dimpling upon insertion?
    In order to avoid dimpling, the probes have to be inserted very slowly. If we see any signs of dimpling, we reduce the insertion rate (about 10 or ²0 &#²39;²9;­um every 5 minutes) and apply more PBS to the surface.

    How many units do you get on average per site?
    This depends on the configuration of the probe. Usually the tetrode configuration allows us to obtain more distinguishable units than electrodes with a linear configuration. With the tetrode configuration, usually we are able to obtain about 5-1² well isolated units per tetrode (L5 in sensorimotor cortex). However, for unknown reasons, we sometimes may not have any clusterable units on a tetrode. When recording in other cortical layers or in subcortical structures, the number of recorded units can be lower.

    Reply
    Posted by: Artur L.
    May 24, 2012 - 6:14 PM
  3. I would like to refer to the anesthetic method, thank you!
    By the way, Epinephrine (2-4 mg/kg diluted to 0.5 % solution)...What does it mean?
    Does it mean "make original solution as 2mg of Epinephrine powder per 1kg of PBS
    and further dilute it to 1/200 of original solution"?

    Reply
    Posted by: Mai I.
    March 4, 2016 - 9:10 AM
  4. For example, if you have 0.5 kg rat and use 2mg/kg dosage, and you have a bottle with HCl 2%, then "diluted to 0.5 % solution" would mean that you take 1mg (=1mL) from that bottle and add 3mL of saline (PBS) to dilute 2% to 0.5%. We later (after the paper) used only around 0.3 mL of PBS to reduce injected volume. You can find more details in technical sheet:
    http://www.bimedamtc.com/media/docs/1LID009P_Data_Sheet.pdf

    Reply
    Posted by: Artur L.
    March 6, 2016 - 5:44 PM

Post a Question / Comment / Request

You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

Usage Statistics