Understanding the neural substrates of behavior requires brain circuit ensemble recording. Because of its genetic tractability, the mouse offers a model for circuit dissection and disease mimicry. Here, a method of designing and fabricating miniaturized probes is described that is suitable for targeting deep brain structure in the mouse.
生理研究中的老鼠, 家鼠的数量,在经历了近期的飙升,平行的基因定位于微电路解剖和疾病建模方法的发展。光遗传学的引入,例如,允许对识别的基因的神经元的双向操作,以前所未有的时间分辨率。为了充分利用这些工具,深入了解大脑微电路之间的动态交互,很重要的是一个人从神经元的合奏深深的这个小啮齿动物的大脑内记录,在这两个头固定和自由活动的准备能力。从深层结构和不同的细胞层记录需要准备,允许对期望的大脑区域的电极精确的进步。来记录神经套装,有必要使各电极是独立地移动,从而允许实验者以解决单个细胞同时留下neighbO形圈电极不受干扰。在自由表现的鼠标做到既需要一个电极驱动的轻便,有弹性,并针对特定的大脑结构高度可定制的。
的技术设计和制造的微型,超轻的重量,是单独定制的,从市售零件组装容易Microdrive微型电极阵列呈现。这些设备易于扩展和可定制的结构作为目标;它已被成功地用于从丘脑和皮层区域的过程中自然的行为自由的动物行为记录。
小家鼠有,由于其遗传易处理,迅速 成为首选的动物模型有兴趣确定的基因神经元的微电路级的解剖和研究人类疾病的小鼠模型生理学家。例如,近期出台的致病性遗传工具,如光遗传学,化学遗传学驱动器允许实验者测试确定的神经回路的必要性和充分性的行为1-4。重组转基因小鼠驱动线(Cre的线),的广泛应用已扩增实验放心由神经元亚型有针对性,增加了鼠标的这些实验5的值。
同样地,遗传筛选和常见的神经障碍和精神障碍的基因组范围关联提供了便利的遗传风险因素的识别脑疾病6,7。这些技术进步,再加上生长工具箱的遗传操作和小鼠基因组工程,都取得了它选择的生物体为模拟人类疾病。疾病模型和致病性遗传工具的组合,为了解脑部疾病和识别电路级目标的干预了前所未有的机遇。
为了充分利用这些分子的工具,并深入了解健康与疾病微电路的功能,就必须对他们夫妇与大脑活动的生理读数。理想情况下,实验者将能够监视大量的神经元,同时保持单个细胞的分辨率。在自由活动的动物外,多电极记录提供了这样的机会;然而,在小鼠中使用这种技术受到了限制。从小型目标( 例如 ,在海马CA1区层)记录,使用可调式电极是必要的,下面surgic小变动记录电极人注入使它不可能保持记录稳定性8,9。传统上,已经使用的移动至大脑内的电极施加重量的限制,在小鼠中使用时的方法,使得它具有挑战性的大量神经元在这个生物体行为的几个记录。
在这里,方法进行了介绍用于制造小型,超轻型,微电极阵列是单独定制的大脑区域被瞄准,光遗传学兼容,并从市售品容易组装。内的多电极“超空间”每个“微驱动器”利用一个弹簧和螺旋机构以推进电极和一个塑料导轨,内置于超空间体,以从螺杆抵消扭矩。首先,设计的超空间机构和微型硬盘为3D打印的CAD程序的过程描述。通过设计定制超空间机构对于具体的结构,所以能够提高定位的精度,并进一步提高该制剂的产率。第二,在制造过程中进行了详细的方法,其中所述多电极阵列从零件是可商购的组装用手说明。这种技术已被使用,成功地从海马,丘脑和皮层中的自由活动动物神经元的天然觅食和操作性任务期间合奏记录。
这个协议概述构建一个超轻质微驱动器阵列,用于针对一个或多个脑区域中的鼠标的过程。后的最终步骤的建设,超空间是准备使用标准外科植入技术植入和固定在小鼠的颅骨与牙科用粘固剂。邮政植入,电极可以各自独立地推进用小螺丝刀,而鼠标的手约束。每个电极的进步是由螺杆的螺距确定的每匝之间的距离。使用此处所引用的螺钉进入每个电极每圈大约150毫米,虽然半和四分之一圈可以用于更大的分辨率。
在图1B中的草图的尺寸确定所述植入物的整体尺寸,因此,一个显而易见的方法进行双向缩放植入物是改变在该临界草图尺寸。此外,日螺钉Ë长度可以延伸到目标更深的大脑结构。我们建议您定制的钛螺丝,那些轻便,比钢更不易碎。注意,反扭矩导轨需要与螺杆长度线性比例,并且在这一点上,我们还没有确定的最大长度在这些结构可以被打印。到目标的多个脑区域中,底部件的形状可以被修改。在加入已知大小的垫圈(厚度200μm)时,可以提供针对单独的大脑结构(例如,海马和前额叶皮质)的聚酰亚胺之间所需间隔物。这些可以包括在底部件的组装步骤,并且以后切断环氧树脂硬化后。
这种设计的很大的局限性是其上的专用软件(在这种情况下Solidworks的)的依赖。提供用户友好的界面有利于以最小的工程backg设计这种设备的开放源码项目的未来发展一轮将是巨大的利益在神经科学界。
此方法提供了优于现有方法的几个优点。首先,设计是简单的,依赖于极少数的草图( 图1)。第二,它是超轻,不需要牙科用粘固剂或重材料进入其组件。总体而言,它重约1.7克 – 类似功能的市售植入物重量的近三分之一。第三,它不需要专门的设备,以使 – 植入物本体可以三维打印来自多个源(例如approto.com,但也有几个其他的);螺丝可定制(例如antrinonline.com);弹簧是可商购的(例如leesprings.com);其结果是,整个组装过程可以在一天内发生。最后,这些植入物已被用于从天然觅食过程中的多个脑区的记录,结构化行为的任务和睡眠( 图5)。
这种方法的未来应用包括实施其扩展性。它是可能的植入物可以双向通过简单地改变1缩放的)草图图1B和图案化的微驱动器容座( 图1D)的,2)的数量的大小。例如,它可以向下缩放以记录从自由活动小鼠早在发展,并且缩放向上从大鼠,兔,雪貂,也许非人灵长类动物来记录。
最后一个字是提醒读者,要成功实施概括的方法是至关重要的原型,他们落实.STL附加设计文件的任何修改。读者将注意到,例如,该附设计包含了“数字8”的反扭矩轨。这是最好的设计可能会带来3D打印的限制,因为它往往要求我们钻这些漏洞。有它是一个圆,将COMPromise稳定,但有它是一个正方形或有角度的形状会限制来解决3D打印缺陷钻井的能力。
The authors have nothing to disclose.
We thank members of the Wilson lab for their helpful advice on the fabrication method.
This work was supported by the Simons Foundation, a NIH pathway to independence career award from the NINDS and a NARSAD Young Investigator Award (to M.M.H.) as well as grants from the NIH (to M.A.W.).
Part Name | Manufacturer | Catalogue # (if applicable) | Part Description |
Microdrive screws | Antrin | Half Circle .6UNM Titanium Screws. 8mm thread. 9mm length from under head. | |
Tap-ease | AGS CO. | #TA2 | Tapping Grease |
Microdrives | See .STL file | ||
Drive Body | See .STL file | ||
Outer Polyimide Guide Tube | Minvasive Components | IWG Item # 72113300022-012 | Length:12’’, |
ID:.0071’’, | |||
OD:.0116’’, | |||
WALL:.00225’’ | |||
Inner Polyimide Guide Tube | Minvasive Components | IWG Item # 72113900001-012 | Length: 12’’, |
ID:.0035’’, | |||
OD:.0055’’, | |||
WALL:.001’’ | |||
Grounding Wire | A-M Systems, Inc. | Catalog # 791900 | .008'' Bare, .011'' Coated |
Tri-Flow | Teflon based lubricant – Aerosol | ||
Microdrive Springs | Lee Spring | Part # CB0050B 07 E | Outside Diameter: 1.016 mm |
Hole Diameter: 1.193 mm | |||
Wire Diameter: 0.127 mm | |||
Free Length 10.160 mm | |||
Solid Length 3.581 mm | |||
Z-poxy 5 Minute | Pacer Technology (Zap) | PT37 | |
Silver Paint | GC Electronics | Part #: 22-023 | Silver Print II |
Tri-Flow | 20009 | ||
26 Gauge Hypodermic Tube – Stainless Steel | Small Parts | HTXX-26T-12-10 | Length: 12’’ |
ID: .012’’ | |||
OD: .018’’ | |||
EIB screws | Component Supply Co. | MX-0090-03SP | #00-90 x 3/16’’ |
Fine Scissors – Toughcut | Fine Science Tools | 14058-09 | 22mm |
Transparency Paper | 3M | PP2500 | |
Aluminum Foil | Reynold's Wrap Heavy Duty | Extra Thick |