Bouw van een verbeterde multi Tetrode Hyperdrive voor grootschalige neurale opname in ratten gedragen
Summary
De bouw van een 3D-printbaar hyperdrive presenteren wij met achttien onafhankelijk regelbare schutterijofficieren. De hyperdrive is ontworpen om hersenactiviteit in vrij ratten gedragen over een periode van enkele weken.
Abstract
Toezicht op de patronen van de activiteit van een grote populatie van neuronen over vele dagen in wakker dieren is een waardevolle techniek op het gebied van systemen neurowetenschappen. Een belangrijk onderdeel van deze techniek bestaat uit de nauwkeurige plaatsing van meerdere elektroden in gewenste hersengebieden en het behoud van hun stabiliteit. Hier beschrijven we een protocol voor de bouw van een 3D-printbaar hyperdrive, dat bestaat uit achttien onafhankelijk regelbare schutterijofficieren, en is speciaal ontworpen voor in vivo extracellulaire neurale opname in ratten vrij te gedragen. De schutterijofficieren gekoppeld aan de microdrives ofwel individueel kunnen worden gevorderd in meerdere hersengebieden langs het spoor, of kunnen worden gebruikt om een matrix van elektroden plaats in een kleiner gebied. De meerdere schutterijofficieren toestaan voor gelijktijdige behandeling van de action potentials uit tientallen individuele neuronen, evenals lokale veld potentieel van populaties van neuronen in de hersenen tijdens actieve gedrag. Bovendien voorziet het ontwerp in eenvoudigere 3D software die gemakkelijk kan worden gewijzigd voor de behoeften van de experimentele opstelling.
Introduction
Op het gebied van systemen neurowetenschappen bestuderen wetenschappers de neurale correlaten onderliggende cognitieve processen zoals ruimtelijke navigatie, geheugen en besluitvorming. Voor deze soorten studies is het cruciaal voor de activiteiten van veel individuele neuronen controleren tijdens een dierlijk gedrag. In de afgelopen decennia, twee belangrijke vooruitgang geboekt aan de experimentele behoeften voor extracellulaire neurale opname in kleine dieren1,2,3. Eerst was de ontwikkeling van de tetrode, een bundel van vier microwires gebruikt tegelijk opnemen van neurale activiteit van neuronen1,2,4. De differentiële signaal amplitudes van activiteit over de vier kanalen van een tetrode zorgt voor de isolatie van individuele neuron activiteit van veel tegelijk opgenomen cellen5. Verder staat de flexibele aard van de microwires grotere stabiliteit van de tetrode minimaliseren van de relatieve verplaatsing tussen de tetrode en de doelgroep van de cel. Schutterijofficieren worden nu veel gebruikt in plaats van een één-elektrode voor vele studies van de hersenen in verschillende soorten, waaronder knaagdieren1,2,6, primaten7es8van de insecten. Ten tweede de ontwikkeling van een hyperdrive droeg meerdere onafhankelijk van elkaar beweegbare schutterijofficieren, die zorgt voor de gelijktijdige bewaking van neurale activiteit van grotere populaties van neuronen van meerdere opname locaties3, 9,10,11,12.
De beschikbaarheid van een betrouwbare en betaalbare multi tetrode-opnameapparaat voor kleine dieren is beperkt. De klassieke hyperdrive, oorspronkelijk is ontwikkeld door Bruce McNaughton13, is met succes gebruikt voor neurale opnamen in vrij gedragen ratten in veel laboratoria in de afgelopen twee decennia9,10,14, 15. om technische redenen de originele onderdelen die nodig zijn om te bouwen van het station McNaughton zijn echter nu zeer moeilijk te verkrijgen en zijn niet compatibel met de onlangs verbeterde data-acquisitie-interfaces. Het andere goed aanvaarde ontwerp van hyperdrive vereist de microdrives tot individueel worden handgemaakt, die kon inconsistente resultaten opleveren en flink wat tijd12consumeren. Om te registreren neurale activiteit van verschillende hersengebieden bij gedragend ratten, ontwikkelden we een nieuwe hyperdrive met behulp van stereolithographic technologie. Wij willen aan de volgende eisen voldoen: (1) de nieuwe hyperdrive moet nauwkeurige verplaatsing van schutterijofficieren in de hersenen verlenen en stabiele opnemen van meerdere doelregio’s; (2) de nieuwe hyperdrive moet verenigbaar zijn met de magnetische quickclip systeem onlangs ontwikkeld om gemakkelijk verbinding; en (3) de nieuwe hyperdrive kan nauwkeurig worden gereproduceerd met materialen die gemakkelijk beschikbaar zijn. Hier bieden we een techniek voor het bouwen van de 3D-printbaar hyperdrive met achttien onafhankelijk beweegbare schutterijofficieren, gebaseerd op het ontwerp McNaughton. In het protocol, beschrijven we de details van het fabricageproces van de nieuwe hyperdrive, waarmee we hebben met succes record single-neuron actie potentieel en lokale veld potentiëlen van de postrhinal en mediale Entorinale cortices weken in een vrij rat gedragen tijdens natuurlijke foerageren taken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier beschrijven we het proces van de bouw van een nieuw ontwikkelde hyperdrive bestaat uit achttien onafhankelijk beweegbare schutterijofficieren. Het station kan worden geconstrueerd uit betaalbare delen gekocht bij vele beschikbare hardware winkels, gecombineerd met onderdelen gemaakt door stereolithographic afdrukken. De hyperdrive chronisch kan worden geïmplanteerd op een rat’s schedel met behulp van standaard chirurgische ingrepen en is geschikt voor het opnemen van extracellulaire neurale activiteit terwijl het d…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken de Moser-Lab aan het Kavli Institute voor systemen neurowetenschappen en centrum voor neurale Computation, Noorse Universiteit voor wetenschap en technologie, voor de chronische neurale opname procedures bij ratten. Dit werk werd gesteund door de NIH grant R21 NS098146 en menselijke Frontier Science programma Long-Term Fellowship LT000211/2016-L aan L. GVE.
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 |
Referencias
- 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).
