Summary

Byggingen av en forbedret flere sperrende Hyperdrive for store nevrale opptak i oppfører seg rotter

Published: May 09, 2018
doi:

Summary

Vi presenterer byggingen av en 3D-printable hyperdrive atten uavhengig justerbare tetrodes. Hyperdrive er laget for å registrere hjerneaktiviteten i fritt oppfører seg rotter over en periode på flere uker.

Abstract

Overvåking aktivitet mønstre av en stor bestand av neurons over mange dager i våken dyr er en verdifull teknikk innen systemer nevrovitenskap. En viktig del av denne teknikken består av den nøyaktige plasseringen av flere elektroder til ønsket hjernen regioner og vedlikehold av deres stabilitet. Her beskriver vi en protokoll for bygging av en 3D-printable hyperdrive, som inkluderer atten uavhengig justerbare tetrodes, og er spesielt utformet for i vivo ekstracellulære nevrale opptak i fritt oppfører seg rotter. Tetrodes knyttet til Microdrive kan enten være individuelt Avansert i flere områder av hjernen langs sporet, eller kan brukes til å plassere en rekke elektrodene i et mindre område. Flere tetrodes tillate samtidig undersøkelse av action potentials fra dusinvis av individuelle neurons, samt lokale feltet potensialer fra populasjoner av nerveceller i hjernen under aktiv atferd. I tillegg inneholder utformingen for enklere 3D tegning programvare som kan enkelt endres for ulike eksperimentelle behov.

Introduction

I feltet av systemer nevrovitenskap studere forskere nevrale korrelerer underliggende kognitive prosesser som romlig navigasjon, minne og beslutningsprosessen. For disse typer studier er det avgjørende å overvåke aktiviteten til mange individuelle neurons under dyr oppførsel. De siste tiårene, er to viktige fremskritt gjort eksperimentelle tilfredsstiller for ekstracellulære nevrale opptak i små dyr1,2,3. Først var utviklingen av sperrende, en bunt av fire microwires brukes til å registrere nevrale aktivitet av neurons samtidig1,2,4. Differensial signal amplituder aktivitet over fire kanaler for et sperrende gir isolasjon av personlige Nevron aktivitet fra mange samtidig opptak celler5. I tillegg tillater fleksibel natur microwires større stabilitet av sperrende minimere relative forskyvning mellom sperrende og celle målgruppen. Tetrodes er nå mye brukt i stedet for en enkelt elektronen for mange hjernen studier i ulike arter, inkludert gnagere1,2,6, primater7og insekter8. Andre var utviklingen av en hyperdrive bærer flere uavhengig bevegelig tetrodes, som tillater samtidig overvåking av nevrale aktivitet fra større bestander av neurons fra flere opptak steder3, 9,10,11,12.

Tilgjengeligheten av en pålitelig og rimelig flere sperrende opptaksenhet for liten dyrene er begrenset. Den klassiske hyperdrive, opprinnelig utviklet av Bruce McNaughton13, har blitt brukt for neural opptak i fritt oppfører seg rotter i mange laboratorier i de siste to tiår9,10,14, 15. imidlertid tekniske årsaker, de opprinnelige komponentene som trengs for å bygge McNaughton stasjonen er nå svært vanskelig å gjøre og er ikke kompatible med nylig forbedret datagrensesnitt oppkjøpet. Andre godt akseptert utformingen av hyperdrive krever Microdrive å være individuelt håndlaget, som kunne gi inkonsekvente resultater og forbruker betydelig tid12. For å registrere nevrale aktivitet fra ulike områder av hjernen i oppfører rotter, utviklet vi en ny hyperdrive bruker stereolithographic teknologi. Vi søkte å tilfredsstille følgende krav: (1) nye hyperdrive må tillate nøyaktige forskyvning av tetrodes i hjernen og gi stabil opptak fra flere målrettingsregioner. (2) nye hyperdrive må være kompatibel med magnetiske quickclip systemet nylig utviklet for å tillate enkel tilkobling; og (3) nye hyperdrive kan gjengis nøyaktig med materialer som er lett tilgjengelig. Her gir vi en teknikk for å bygge 3D-printable hyperdrive inneholder atten uavhengig bevegelig tetrodes, basert på McNaughton design. I protokollen, beskriver vi detaljene av fabrikasjon prosessen med den nye hyperdrive, som vi har brukt med hell posten single-Nevron handling potensialer og lokale feltet potensialer fra postrhinal og mediale entorhinal halvdelene ukene i et fritt oppfører seg rotte under naturlige foraging oppgaver.

Protocol

1. stereolitografi for 3D-modeller Bruke stereolithographic til å skrive ut hyperdrive deler og tilbehør. Hver hyperdrive består av atten skyttelbussene, atten flybuss bolter, og én av hver med alle andre plast enheter (figur 1).Merk: Tilbehøret inngår ikke i hyperdrive men er nødvendig for hyperdrive konstruksjon. 2. forberedelse av tilbehør (figur 2). Utarbeidelse av microdrive stativet…

Representative Results

Vi brukte en nybygd hyperdrive hente forsøksresultater. Stasjonen ble utstyrt med tetrodes konstruert av ø 17 µm (0.0007″), polyimid (pi)-belagt platina-iridium (90% – 10%) wire. Tips av tetrodes var belagt i platinum svart løsning å redusere elektrode impedances til mellom 100 og 200 kΩ på 1 kHz. Hyperdrive ble implantert 4.6 mm igjen av midtlinjen og 0,5 mm anterior tverrgående sinus på skallen fra en 550 g, mannlig lang-Evans rotten. Ekstra bakken ledninger er koblet til skall…

Discussion

Her beskriver vi prosessen med å lage en nyutviklet hyperdrive består av atten uavhengig bevegelig tetrodes. Stasjonen kan konstrueres fra rimelig deler kjøpt på mange tilgjengelige jernvarehandlere, kombinert med komponenter laget av stereolithographic utskrift. Hyperdrive kan bli kronisk implantert på en rottes skull bruke standard kirurgiske prosedyrer og er dugelig av innspillingen ekstracellulære nevrale aktivitet mens dyret utfører ulike atferdsmessige oppgaver.

Hyperdrive beholde…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Moser laboratoriet ved Kavli Institute for systemer nevrovitenskap og senter for Neural Beregningsdato, universitetet for vitenskap og teknologi, den kroniske nevrale rapporteringsprosedyrene i rotter. Dette arbeidet ble støttet av NIH grant R21 NS098146 og menneskelige Frontier vitenskap Program langsiktig fellesskap LT000211/2016-L til L. Lu.

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

  1. O’Keefe, J., Recce, M. L. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus. 3 (3), 317-330 (1993).
  2. Wilson, M. A., McNaughton, B. L. Dynamics of the hippocampal ensemble code for space. Science. 261 (5124), 1055-1058 (1993).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).
  6. Fyhn, M., Hafting, T., Witter, M. P., Moser, E. I., Moser, M. B. Grid cells in mice. Hippocampus. 18 (12), 1230-1238 (2008).
  7. Skaggs, W. E., et al. EEG sharp waves and sparse ensemble unit activity in the macaque hippocampus. J Neurophysiol. 98 (2), 898-910 (2007).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Leutgeb, S., et al. Independent codes for spatial and episodic memory in hippocampal neuronal ensembles. Science. 309 (5734), 619-623 (2005).
  11. 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).
  12. Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: drive fabrication. J Vis Exp. (26), (2009).
  13. . Google Patents Available from: https://www.google.com/patents/US5928143 (1999)
  14. Redish, A. D., et al. Independence of firing correlates of anatomically proximate hippocampal pyramidal cells. J Neurosci. 21 (5), RC134 (2001).
  15. 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).
  16. Nguyen, D. P., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly. J Vis Exp. (26), (2009).
  17. 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).
  18. Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. J Vis Exp. (61), e3568 (2012).
  19. 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).
  20. 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).
  21. . Google Patents Available from: https://www.google.com/patents/US4575330 (1986)
  22. 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).
check_url/es/57388?article_type=t

Play Video

Citar este artículo
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).

View Video