Summary

Konstruktion af en forbedret multi triode Hyperdrive for storstilet neurale optagelse i opfører sig rotter

Published: May 09, 2018
doi:

Summary

Vi præsenterer opbygningen af en 3D-printable hyperdrive med atten uafhængigt justerbare Tetroder. Hyperdrive er designet til at registrere hjerneaktivitet i frit opfører rotter over en periode på flere uger.

Abstract

Overvåge aktivitet mønstre af en stor population af neuroner over mange dage i vågen dyr er en værdifuld teknik inden for systemer neurovidenskab. Et nøgleelement i denne teknik består af den præcise placering af flere elektroder ind i ønskede hjerneregioner og vedligeholdelse af deres stabilitet. Her, beskriver vi en protokol til opførelse af en 3D-printable hyperdrive, som omfatter atten uafhængigt justerbare Tetroder, og er specielt designet til in vivo ekstracellulære neurale optagelse i frit opfører rotter. Tetroder knyttet til microdrives kan enten individuelt rykkede ind i flere områder af hjernen langs sporet, eller kan bruges til at placere en række elektroder ind i et mindre område. Flere Tetroder tillader samtidig behandling af action potentials fra snesevis af individuelle neuroner, samt lokale felt potentialer fra populationer af neuroner i hjernen under aktiv adfærd. Designet indeholder desuden for enklere 3D udarbejdelse software, der kan let ændres til forskellige eksperimentelle behov.

Introduction

Inden for systemer neurovidenskab studere forskerne de neurale korrelerer underliggende kognitive processer såsom rumlige navigation, hukommelse og beslutningstagning. For disse typer af undersøgelser er det kritisk at overvåge aktiviteten af mange individuelle neuroner i dyrs adfærd. I de seneste årtier, er der sket to vigtige fremskridt til at imødekomme de eksperimenterende i ekstracellulær neurale optagelse i små dyr1,2,3. Først var udviklingen af triode, et bundt af fire microwires bruges til at registrere neurale aktivitet af neuroner samtidig1,2,4. Differenssignalkorrektioner amplituder af aktivitet på tværs af de fire kanaler i en triode tillader til isolering af enkelte neuron aktivitet fra mange samtidig indspillede celler5. Desuden giver den fleksible karakter af microwires større stabilitet af triode minimere den relative forskydning mellem triode og celle målpopulationen. Tetroder er nu almindeligt anvendt i stedet for en enkelt elektrode for mange hjerne undersøgelser i forskellige arter, herunder gnavere1,2,6, primater7og insekter8. Andet var udviklingen af et hyperdrive transporterer flere uafhængigt bevægelig Tetroder, som giver mulighed for samtidig overvågning af neurale aktivitet fra større populationer af neuroner fra flere optagelse steder3, 9,10,11,12.

Tilgængeligheden af en pålidelig og overkommelig flere triode optageenhed til små dyr er begrænset. Den klassiske hyperdrive, oprindeligt udviklet af Bruce McNaughton13, held har været anvendt til neurale optagelser i frit opfører rotter i mange laboratorier i sidste to årtier9,10,14, 15. men af tekniske årsager, de originale komponenter skulle bygge McNaughton drev er nu meget vanskeligt at opnå og er ikke kompatible med for nylig forbedret data erhvervelse grænseflader. Andre godt accepteret udformningen af hyperdrive kræver microdrives at være individuelt håndlavede, som kunne give inkonsistente resultater og forbruge betydelig tid12. For at registrere neurale aktivitet fra forskellige områder af hjernen i opfører rotter, udviklede vi en ny hyperdrive ved hjælp af stereolithographic teknologi. Vi har søgt at opfylde følgende krav: (1) de nye hyperdrive skal give præcise forskydning af Tetroder i hjernen og give stabil optagelse fra flere destinationsområderne; (2) de nye hyperdrive skal være forenelig med den magnetiske quickclip system for nylig udviklet giver mulighed for nem tilslutning; og (3) den nye hyperdrive kan gengives præcist med let tilgængelige materialer. Her give vi en teknik til at opbygge 3D-printable hyperdrive indeholdende atten uafhængigt bevægelige Tetroder, baseret på McNaughton design. I protokollen, vi beskrive detaljerne i opdigte oparbejde af den nye hyperdrive, som vi har anvendt med succes til at optage single-neuron handling potentialer og lokale felt potentialer fra postrhinal og mediale entorhinal cortex over uger i et frit opfører sig rotte under naturlige fouragering opgaver.

Protocol

1. Stereolithography af 3D-modeller Bruge stereolithographic teknikker til at udskrive den hyperdrive dele og tilbehør. Hver hyperdrive består af atten pendulkørsler, atten shuttle bolte, og en af hver af alle andre plast stykker (figur 1).Bemærk: Tilbehør er ikke en del af hyperdrive men er nødvendige for hyperdrive konstruktion. 2. forberedelse af tilbehør (figur 2). Forberedelse af micr…

Representative Results

Vi brugte en nybygget hyperdrive retssag resultater. Drevet var udstyret med Tetroder konstrueret fra ø 17 µm (0.0007″), polyimid-belagte platinum-iridium (90% – 10%) wire. Spidsen af Tetroder var belagt i platin sort løsning til at reducere elektrode impedances til mellem 100 og 200 kΩ på 1 kHz. Hyperdrive blev implanteret 4,6 mm venstre for midterlinjen og 0,5 mm foran den tværgående sinus på kraniet af en 550 g, mandlige Long-Evans rotte. Yderligere jorden ledninger forbundet k…

Discussion

Her, beskriver vi processen med at konstruere en nyudviklet hyperdrive består af atten uafhængigt bevægelige Tetroder. Drevet kan være fremstillet af overkommelige dele købt på mange tilgængelige isenkræmmere, kombineret med komponenter lavet af stereolithographic udskrivning. Hyperdrive kan implanteres kronisk på en rotte kraniet ved hjælp af standard kirurgiske procedurer og er i stand til at optage ekstracellulære neurale aktivitet, mens dyret udfører forskellige adfærdsmæssige opgaver.

<p class="jov…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Moser Lab på Kavli Institute for systemer neurovidenskab og Center for Neural Computation, norsk University of Science and Technology, for den kroniske neurale optagelse procedurer i rotter. Dette arbejde blev støttet af NIH grant R21 NS098146, Human Frontier Science Program langsigtede Fellowship LT000211/2016-L L. sk.

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