This protocol describes the design and surgical implantation of a head-restraining mechanism to monitor neuronal activity in sub-cortical brain structures in alert rats. It delineates procedures to isolate single neurons in the juxtacellular configuration and to efficiently identify their anatomical locations.
There are a variety of techniques to monitor extracellular activity of single neuronal units. However, monitoring this activity from deep brain structures in behaving animals remains a technical challenge, especially if the structures must be targeted stereotaxically. This protocol describes convenient surgical and electrophysiological techniques that maintain the animal’s head in the stereotaxic plane and unambiguously isolate the spiking activity of single neurons. The protocol combines head restraint of alert rodents, juxtacellular monitoring with micropipette electrodes, and iontophoretic dye injection to identify the neuron location in post-hoc histology. While each of these techniques is in itself well-established, the protocol focuses on the specifics of their combined use in a single experiment. These neurophysiological and neuroanatomical techniques are combined with behavioral monitoring. In the present example, the combined techniques are used to determine how self-generated vibrissa movements are encoded in the activity of neurons within the somatosensory thalamus. More generally, it is straightforward to adapt this protocol to monitor neuronal activity in conjunction with a variety of behavioral tasks in rats, mice, and other animals. Critically, the combination of these methods allows the experimenter to directly relate anatomically-identified neurophysiological signals to behavior.
Monitorando a atividade neuronal em um animal alerta ativamente engajados em uma tarefa comportamental é fundamental para a compreensão da função e organização do sistema nervoso. Gravação extracelular da atividade elétrica das unidades neuronais individuais tem sido um instrumento básico da neurociência sistemas e ainda é amplamente em uso no momento. Uma variedade de tipos de eletrodos e configurações estão disponíveis, dependendo das exigências científicas e técnicas de uma experiência particular. Cronicamente implantado microdrives ou conjuntos de eléctrodos são frequentemente utilizados em animais que se deslocam livremente, incluindo aves, roedores e primatas não-humanos 1-4. Alternativamente, penetrações agudos com metal ou vidro microeletrodos através de um micromanipulator externa são frequentemente usados para gravar a partir de animais anestesiados ou restringido-cabeça. Eléctrodos de micropipeta de vidro tem a vantagem de que eles podem ser usados na juxtacellular ou "célula ligada" configuração de isolar de forma inequívoca oatividade de neurônios individuais sem as complicações de pico post-hoc de classificação 5. Estes eléctrodos permitem gravar mais a partir de células ou locais identificados-anatomicamente, como elas podem ser usadas para injectar pequenos depósitos de corantes ou marcadores neuroanatómicos, ou ainda para preencher o indivíduo gravado célula. Esta configuração tem sido aplicado com sucesso em ratos, murganhos e aves 6-10. A técnica descrita atualmente se concentra em monitoramento juxtacellular e depósitos do corante extracelulares em alerta, ratos conteve-cabeça. Note-se que ao contrário única célula juxtacellular enche, esses depósitos de corante não fornecem informações sobre a morfologia celular ou projeções axonais 11, mas permitir a localização anatômica exata para cerca de 50 mm e, criticamente, têm um rendimento significativamente maior nos animais de alerta. Informações sobre unicelular juxtacellular enche não deixa de ser fornecido como uma estratégia alternativa para a rotulagem anatômica.
Em breve, oprotocolo consiste em três grandes fases. Na primeira fase, o rato é aclimatados ao corpo de retenção de uma peúga pano (Figura 1) ao longo de um período de 6 dias. Na segunda fase, um aparelho de apoio de cabeça (Figura 2) e câmara de gravação são cirurgicamente implantado de modo a que o rato pode ser mantido no plano estereotáxica durante várias sessões de gravação subseqüentes (Figura 3); este procedimento permite que o experimentador para segmentar regiões sub-corticais específicas do cérebro para o estudo eletrofisiológico com base no padrão de referência de coordenadas 12. A terceira fase consiste em colocar o rato num gabarito adequado para a realização de experiências comportamentais e electrofisiológicos (Figura 4), a construção do eléctrodo a partir de um tubo capilar de quartzo (Figura 5), fazer gravações neuronais juxtacellular inequivocamente que isolam as unidades individuais de 6-9, e marcando os locati anatômicasno do local de gravação com Chicago Sky azul corante (figuras 6 e 7). As gravações são realizadas com acompanhamento comportamental simultânea; no entanto, os detalhes técnicos do comportamento dependerá dos objetivos científicos de cada experiência e são, portanto, fora do âmbito de um protocolo único. Após a conclusão do procedimento experimental, o que pode ser repetido em vários dias, o animal é sacrificado. O cérebro é extraído e processado de acordo com as técnicas neuroanatomical padrão usando qualquer campo claro ou microscopia de fluorescência.
A construção do gabarito experimental
A descrição dos componentes mecânicos utilizados para construir o dispositivo de montagem experimental (Figura 4) é omitida a partir do protocolo, uma vez que pode ser construído numa variedade de maneiras. Neste padrão demonstração opto-mecânico peças e braçadeiras de apoio são usados para montar o bar apoio de cabeça e do tubo de retenção corporal (ver secção de Materiais)…
The authors have nothing to disclose.
We are grateful to the Canadian Institutes of Health Research (grant MT-5877), the National Institutes of Health (grants NS058668 and NS066664), and the US-Israeli Binational Foundation (grant 2003222) for funding these studies.
Name of the Reagent | Company | Catalogue Number | Comments |
Ketaset (Ketamine HCl) | Fort Dodge | N/A | |
Anased (Xylazine solution) | Lloyd Laboratories | N/A | |
Betadyne (Povidone-Iodine) | CVS Pharmacy | 269281 | |
Loctite 495 | Grainger Industrial Supply | 4KL86 | 20-40 cp cyanoacrylate |
Vetbond | 3M | 1469SB | |
Grip cement powder | Dentsply Intl | 675571 | For the base of the recording chamber |
Grip cement liquid | Dentsply Intl | 675572 | For the base of the recording chamber |
Silicone Gel | Dow Corning | Mar-80 | |
Jet denture repair acrylic powder | Lang Dental Manufacturing Co. | N/A | For securing the head restraint apparatus to the cranium |
Ortho-Jet Fast curing orthodontic acrylic resin liquid | Lang Dental Manufacturing Co. | N/A | For securing the head restraint apparatus to the cranium |
Chicago sky blue | Sigma | C8679 | |
Paraformaldehyde | Sigma | 158127 | For perfusion and tissue fixation |
Phosphate-buffered saline | Sigma | P3813 | For perfusion and tissue fixation |
Cytochrome C | Sigma | C2506 | For cytochrome-oxidase staining (Figure 7) |
Diaminobenzidine | Sigma | D5905 | For cytochrome-oxidase staining (Figure 7) |
Material Name | Company | Catalogue Number | Comments |
Rat sock | Sew Elegant (San Diego, CA) | N/A | Custom made, Figures 1, 4 |
PVC tube 2 ½” | U.S. Plastic Co. | 34108 | Figure 4 |
Subminiature D pins & sockets | TE Connectivity | 205089-1 | Figure 3 |
Stainless steel music wire 0.010” diameter | Precision Brand Products, Inc. | 21010 | Figure 3 |
Stereotaxic holding frame | Kopf Instruments | Model 900 | Figure 3 |
Stereotaxic ear bars | Kopf Instruments | Model 957 | Figure 3 |
Stereotaxic manipulator | Kopf Instruments | Model 960 | Figure 3 |
½ mm drill burr | Henry Schein | 100-3995 | |
Quiet-Air dental drill | Midwest Dental | 393-1600 | |
Stainless steel 0-80 1/8” screw | Fastener superstore | 247438 | Figure 3 |
0.2mL centrifuge tube | Fisher Scientific | 05-407-8A | Figure 3 |
Custom head-holding bar | UCSD SIO Machine Shop | N/A | Custom made, Figures 2, 3, 4 |
Custom head-holding plate | UCSD SIO Machine Shop | N/A | Custom made, Figure 2, 3, 4 |
Right angle post-clamp | Newport | MCA-1 | Figure 3,4; standard opto-mechanical parts for the experimental jig (Figure 4) are also from Newport Corp. |
8-32 3/4” screw | Fastener Superstore | 240181 | For head-restraint, Figure 3 |
4-40 ¼” screw | Fastener Superstore | 239958 | For head restraint, Figures 3, 4 |
Quartz capillary tubing | Sutter Instruments | QF-100-60-10 | Figure 5 |
Carbon dioxide laser puller | Sutter instruments | P-2000 | |
Motorized micromanipulator | Sutter Instruments | MP-285 | |
Microelectrode amplifier | Molecular Devices | Multiclamp 700B | Alternate part: Molecular Devices Axoclamp 900A |
Microelectrode amplifier head stage | Molecular Devices | CV-7B | Alternate part: HS-9Ax10 with Molecular Devices Axoclamp 900A |
Isolated pulse stimulator | A-M Systems | Model 2100 | Alternate part: HS-9Ax10 with Molecular Devices Axoclamp 900A |
Audio monitor | Radio Shack | 32-2040 | |
Pipette holder | Warner Instruments | #MEW-F10T | Alternate parts: see Discussion |
Figure 6A | |||
Electrode lead wire | Cooner wire | NEF34-1646 | (optional), Figure 6D |
Relay for amplifier head-stage | COTO Technology | #2342-05-000 | (optional) Used with a custom-made printed circuit board (UCSD Physics Electronics Shop), Figure 6A-C |
Digital video camera | Basler | A602fm | (optional) For behavioral monitoring, Figure 7 |