一种改进的多电子四极超光速引擎在行为大鼠大尺度神经记录中的构建
Summary
我们提出了一个3维可打印的超空间引擎的建设与十八独立调整 tetrodes。超光速引擎的目的是记录在数周内自由行为的老鼠的大脑活动。
Abstract
在清醒的动物中监测大量神经元的活动模式, 是系统神经科学领域的一项宝贵技术。该技术的一个关键组成部分是将多个电极精确放置到所需的脑区, 并维持其稳定性。在这里, 我们描述了一个构建3维可打印超空间引擎的协议, 其中包括十八个独立调整的 tetrodes, 专门针对在自由行为的大鼠体内的活体细胞外神经记录。附着在 microdrives 上的 tetrodes 可以单独推进到轨道上的多个脑区, 也可以用来将电极阵列放置到较小的区域。多重 tetrodes 允许同时检查许多单个神经元的动作电位, 以及在活动行为期间大脑神经元的局部磁场电位。此外, 该设计提供了更简单的3D 绘图软件, 可以很容易地修改不同的实验需要。
Introduction
在系统神经科学领域, 科学家研究了神经相关的认知过程, 如空间导航, 记忆和决策。对于这些类型的研究, 在动物行为过程中监测许多单个神经元的活动是至关重要的。在过去的几十年中, 已经取得了两个重要进展, 以满足小动物细胞外神经记录的实验需要1,2,3。首先是开发的电子四极, 一捆四微丝用于记录神经元的神经活动同时1,2,4。电子四极四通道的活动的差分信号振幅允许从许多同时记录的单元格5 中分离单个神经元活动。此外, 微丝的柔韧性使得电子四极的稳定性能够最大限度地减少电子四极与目标细胞种群之间的相对位移。Tetrodes 现在被广泛使用, 而不是一个单一的电极为许多脑研究在不同的物种, 包括啮齿目动物1,2,6, 灵长类7, 昆虫8。其次是开发一个超空间引擎运载多个独立移动的 tetrodes, 它允许同时监测神经活动从大群神经元从多个记录位置3, 9,10,11,12。
为小动物提供可靠和负担得起的多电子四极记录装置是有限的。经典的超空间引擎最初由布鲁斯诺顿13开发, 已成功用于在过去两年中在许多实验室中自由行为的老鼠的神经记录9,10,14, 15. 但是, 由于技术原因, 构建诺顿驱动器所需的原始组件现在很难获得, 并且与最近改进的数据获取接口不兼容。另一个很好接受的超空间引擎设计要求 microdrives 单独手工制作, 这可能产生不一致的结果并消耗大量的时间12。为了记录大鼠不同脑区的神经活动, 我们利用 stereolithographic 技术开发了一种新的超光速引擎。我们寻求满足以下要求: (1) 新的超空间引擎必须允许精确的 tetrodes 在大脑中的位移, 并提供来自多个目标区域的稳定记录;(2) 新的超空间引擎必须与最近开发的磁 quickclip 系统兼容, 以便于方便连接;(3) 新的超光速引擎可以用容易获得的材料准确地再现。在这里, 我们提供了一个技术, 建立3维可打印的超空间引擎, 包含十八独立移动 tetrodes, 基于诺顿设计。在该协议中, 我们描述了新的超空间引擎的制造过程的细节, 我们已经成功地记录了 postrhinal 和内侧嗅皮层的单神经元动作电位和局部场电位, 在一周内自由地在自然觅食任务中的行为鼠。
Protocol
1. 3D 机型的光固化成形 使用 stereolithographic 技术打印超空间引擎部件和配件。每个超空间引擎由十八梭、十八个梭螺栓和其他所有塑料件 (图 1) 组成。注: 附件不是超空间引擎的一部分, 但对于超空间引擎的建设是必要的。 2. 附件的准备工作 (图 2)。 microdrive 机架的准备工作(图 2C<…
Representative Results
我们用一个新的超光速引擎来获得试验结果。该驱动器配备了 tetrodes 从ø17µm (0.0007), 聚酰亚胺涂层铂铱 (90%-10%) 线。tetrodes 的尖端被镀在铂黑溶液中, 以减少电极阻抗到100和 200 kΩ在1赫之间。超空间超空间被植入4.6 毫米左侧的中线和0.5 毫米前的横窦的头骨上的550克, 雄性长埃文斯鼠。另外的地线连接在小脑上的颅骨螺钉上。所有程序都是由贝勒医学院的机构动物护理和使?…
Discussion
在这里, 我们描述了建设一个新开发的超空间引擎由十八独立移动 tetrodes 组成的过程。该驱动器可以通过在许多可用的硬件商店购买的负担得起的部件构建, 并与 stereolithographic 打印创建的组件结合使用。超空间超光速可以用标准的手术方法长期植入大鼠的头骨, 并且能够记录细胞外神经活动, 而动物则执行各种行为任务。
超空间引擎保留了原始诺顿超空间引擎的许多可取特性…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我们感谢挪威科技大学 Kavli 神经系统科学研究所和神经计算中心莫石实验室为大鼠的慢性神经记录程序。这项工作得到了 NIH 赠款 R21 NS098146 和人类前沿科学计划的长期研究金 LT000211/2016-L 到 l 路。
Materials
| Welding rod | Blue Demon | ER308L-035-01T | Stainless steel, 0.035" in diameter |
| Screw | McMaster | 91771A060 | Stainless steel, flat head, 0-80 thread, 5/8" in length |
| Screw | McMaster | 91772A051 | Stainless steel, pan head, 0-80 thread, 5/32" in length |
| Screw | McMaster | 92196A056 | Stainless steel, socket head, 0-80 thread, 5/16" in length |
| Screw | McMaster | 92196A055 | Stainless steel, socket head, 0-80 thread, 1/4" in length |
| Screw | McMaster | 95868A131 | Nylon, socket head, 2-56 thread, 3/16" in length, black |
| Screw nut | McMaster | 90730A001 | Stainless steel, narrow hex, 0-80 thread |
| Shoulder screw | McMaster | 90298A213 | Stainless steel, 8-32 thread, 3/16" in diameter, 1/4" in length |
| Cup screw | McMaster | 92313A105 | Stainless steel, 4-40 thread, 3/16" in length |
| Thumb screw | McMaster | 94323A592 | Nylon, 8-32 thread, 3/8" in length, black |
| Magnet | Apex | M3X1MMDI | Neodymium, 3 mm X 1 mm disc |
| Metal tubing | Small Parts | B00137QHNS | Stainless steel, 23 gauge, 0.0253" OD, 0.013" ID, 0.006" wall |
| Metal tubing | New England Small Tube | Custom-made | Stainless steel, 30 gauge, 0.012/0.0125" OD, 0.007/0.008" ID, full hard |
| Heat-shrink tubing | McMaster | 7856K72 | 0.09" ID before shrinking, blue |
| Silicone tubing | A-M Systems | 807300 | 0.040" ID, 0.085" OD |
| Polyimide tubing | A-M Systems | 823400 | 0.0045" ID, 0.0005" wall |
| Ground wire | A-M Systems | 791500 | 0.005" bare, 0.008" coated, half hard |
| Tetrode wire | California Fine Wire | Custom-made | 0.0007" in diameter, platinum-iridium (90%-10%), HML and VG coating |
| EIB | Neuralynx | EIB-72-QC-Large | |
| Gold pins | Neuralynx | large EIB pins | |
| Tap | Balax | 01302-000 | M1.2 thread size |
| Tap | McMaster | 2522A811 | 0-80 thread size, bottoming |
| Tap | McMaster | 2522A771 | 0-80 thread size, plug |
| Tap | McMaster | 26955A94 | 3/8"-24 thread size, bottoming |
| Tap | McMaster | 2522A713 | 2-56 thread size |
| Tap | McMaster | 2522A715 | 4-40 thread size |
| Tap | McMaster | 2522A718 | 8-32 thread size |
| Die | McMaster | 2576A457 | 3/8"-24 thread size, 1" OD |
| Drill bit | McMaster | 30585A82 | Wire gauge 65, 0.035" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A83 | Wire gauge 66, 0.033" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A87 | Wire gauge 70, 0.028" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A88 | Wire gauge 71, 0.026" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 30585A91 | Wire gauge 73, 0.024" in diameter |
| Drill bit | McMaster | 8870A23 | 3/16" in diameter |
| Dremel disc | Wagner | 31M | Diamond coated, 22 mm in diameter, 0.17 mm in thickness |
| Steel wire | Precision Brand | 21212 | 0.012" in diameter, full hard |
| Steel wire | Precision Brand | 21007 | 0.007" in diameter, full hard |
| Steel wire | A-M Systems | 792700 | 0.003" in diameter, half hard |
| Super glue | Loctite | LT-40640 | # 406 |
| Super glue | Loctite | LT-41550 | # 415 |
| Dental acrylic powder | Teets | 223-3773 | Coral |
| Dental acrylic liquid | Teets | 223-4003 |
References
- O’Keefe, J., Recce, M. L. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus. 3 (3), 317-330 (1993).
- Wilson, M. A., McNaughton, B. L. Dynamics of the hippocampal ensemble code for space. Science. 261 (5124), 1055-1058 (1993).
- Gothard, K. M., Skaggs, W. E., Moore, K. M., McNaughton, B. L. Binding of hippocampal CA1 neural activity to multiple reference frames in a landmark-based navigation task. J Neurosci. 16 (2), 823-835 (1996).
- Gray, C. M., Maldonado, P. E., Wilson, M., McNaughton, B. Tetrodes markedly improve the reliability and yield of multiple single-unit isolation from multi-unit recordings in cat striate cortex. J Neurosci Methods. 63 (1-2), 43-54 (1995).
- Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).
- Fyhn, M., Hafting, T., Witter, M. P., Moser, E. I., Moser, M. B. Grid cells in mice. Hippocampus. 18 (12), 1230-1238 (2008).
- Skaggs, W. E., et al. EEG sharp waves and sparse ensemble unit activity in the macaque hippocampus. J Neurophysiol. 98 (2), 898-910 (2007).
- Guo, P., Pollack, A. J., Varga, A. G., Martin, J. P., Ritzmann, R. E. Extracellular wire tetrode recording in brain of freely walking insects. J Vis Exp. (86), (2014).
- Knierim, J. J., McNaughton, B. L., Poe, G. R. Three-dimensional spatial selectivity of hippocampal neurons during space flight. Nat Neurosci. 3 (3), 209-210 (2000).
- Leutgeb, S., et al. Independent codes for spatial and episodic memory in hippocampal neuronal ensembles. Science. 309 (5734), 619-623 (2005).
- Lansink, C. S., et al. A split microdrive for simultaneous multi-electrode recordings from two brain areas in awake small animals. J Neurosci Methods. 162 (1-2), 129-138 (2007).
- Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: drive fabrication. J Vis Exp. (26), (2009).
- . Google Patents Available from: https://www.google.com/patents/US5928143 (1999)
- Redish, A. D., et al. Independence of firing correlates of anatomically proximate hippocampal pyramidal cells. J Neurosci. 21 (5), RC134 (2001).
- Schmitzer-Torbert, N., Redish, A. D. Neuronal activity in the rodent dorsal striatum in sequential navigation: separation of spatial and reward responses on the multiple T task. J Neurophysiol. 91 (5), 2259-2272 (2004).
- Nguyen, D. P., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly. J Vis Exp. (26), (2009).
- Chang, E. H., Frattini, S. A., Robbiati, S., Huerta, P. T. Construction of microdrive arrays for chronic neural recordings in awake behaving mice. J Vis Exp. (77), e50470 (2013).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. J Vis Exp. (61), e3568 (2012).
- Siegle, J. H., et al. Chronically implanted hyperdrive for cortical recording and optogenetic control in behaving mice. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2011, 7529-7532 (2011).
- Brunetti, P. M., et al. Design and fabrication of ultralight weight, adjustable multi-electrode probes for electrophysiological recordings in mice. J Vis Exp. (91), e51675 (2014).
- . Google Patents Available from: https://www.google.com/patents/US4575330 (1986)
- Ludvig, N., Potter, P. E., Fox, S. E. Simultaneous single-cell recording and microdialysis within the same brain site in freely behaving rats: a novel neurobiological method. J Neurosci Methods. 55 (1), 31-40 (1994).
Cite This Article
Lu, L., Popeney, B., Dickman, J. D., Angelaki, D. E. Construction of an Improved Multi-Tetrode Hyperdrive for Large-Scale Neural Recording in Behaving Rats. J. Vis. Exp. (135), e57388, doi:10.3791/57388 (2018).