Serbestçe hareket eden farelerde çok kanallı hücre dışı kayıt
Summary
Protokol, serbestçe hareket eden bilinçli farelerde hücre dışı elektrofizyolojik özellikleri ortaya çıkarmak için motor kortekste (MC) hücre dışı kayıt metodolojisini ve ayrıca yerel alan potansiyellerinin (LFP’ler) ve sivri uçların veri analizini açıklar.
Abstract
Protokol, elektrofizyolojik sinyalleri spontan ve/veya spesifik davranışla ilişkilendirerek belirli görevleri yerine getiren farelerde nöronal ateşleme ve ağ yerel alan potansiyellerinin (LFP’ler) özelliklerini ortaya çıkarmayı amaçlamaktadır. Bu teknik, bu davranışların altında yatan nöronal ağ aktivitesini incelemede değerli bir araçtır. Makale, serbest hareket eden bilinçli farelerde elektrot implantasyonu ve bunun sonucunda hücre dışı kayıt için ayrıntılı ve eksiksiz bir prosedür sunmaktadır. Çalışma, mikroelektrot dizilerinin implante edilmesi, çok kanallı bir sistem kullanılarak motor kortekste (MC) LFP ve nöronal spiking sinyallerinin yakalanması ve ardından çevrimdışı veri analizi için ayrıntılı bir yöntem içermektedir. Bilinçli hayvanlarda çok kanallı kaydın avantajı, daha fazla sayıda sivri nöron ve nöronal alt tipin elde edilebilmesi ve karşılaştırılabilmesidir, bu da belirli bir davranış ile ilişkili elektrofizyolojik sinyaller arasındaki ilişkinin değerlendirilmesine olanak tanır. Özellikle, çok kanallı hücre dışı kayıt tekniği ve bu çalışmada açıklanan veri analizi prosedürü, farelerde deneyler yapılırken diğer beyin bölgelerine uygulanabilir.
Introduction
Hücre dışı sinyallerin önemli bir bileşeni olan yerel alan potansiyeli (LFP), çoklu davranışlar için nöral kodu oluşturan büyük nöron popülasyonlarının sinaptik aktivitesini yansıtır1. Nöronal aktivite tarafından üretilen sivri uçların LFP’ye katkıda bulunduğu düşünülmektedir ve nöral kodlama2 için önemlidir. Ani artışlar ve LFP’lerdeki değişikliklerin Alzheimer hastalığı gibi çeşitli beyin hastalıklarının yanı sıra korku gibi duygulara aracılık ettiği kanıtlanmıştır.3,4. Birçok çalışmanın, hayvanlarda uyanık ve anestezi altındaki durumlar arasında spike aktivitesinin önemli ölçüde farklılık gösterdiğini vurguladığını belirtmekte fayda var5. Anestezi uygulanmış hayvanlardaki kayıtlar, yüksek oranda tanımlanmış kortikal senkronizasyon durumlarında minimal artefaktlarla LFP’leri değerlendirmek için bir fırsat sunsa da, sonuçlar uyanık deneklerdebulunabilenlerden bir dereceye kadar farklıdır 6,7,8. Bu nedenle, beyne implante edilen elektrotlar kullanılarak uyanık bir beyin durumunda çeşitli hastalıklarda uzun zaman ölçeklerinde ve büyük uzamsal ölçeklerde nöral aktiviteyi tespit etmek daha anlamlıdır. Bu el yazması, yeni başlayanlar için mikro sürücü sisteminin nasıl yapılacağı ve kayıt ve analizin başlatılması için ani ve LFP sinyallerini hızlı ve basit bir şekilde hesaplamak için ortak yazılım kullanarak parametrelerin nasıl ayarlanacağı hakkında bilgi sağlar.
Elektroensefalogramlar (EEG’ler) ve kafa derisinden kaydedilen olayla ilgili potansiyeller (ERP’ler) gibi beyin fonksiyonlarının invaziv olmayan kaydı, insan ve kemirgen çalışmalarında yaygın olarak kullanılmasına rağmen, EEG ve ERP verileri düşük uzamsal ve zamansal özelliklere sahiptir ve bu nedenle, belirli bir beyin alanı içinde yakındaki dendritik sinaptik aktivite tarafından üretilen kesin sinyalleri tespit edemez1. Şu anda, bilinçli hayvanlarda çok kanallı kayıttan yararlanarak, beynin daha derin katmanlarındaki sinirsel aktivite, çoklu davranış testleri sırasında primatların veya kemirgenlerin beyinlerine bir mikro sürücü sistemi implante edilerek kronik ve aşamalı olarak kaydedilebilir 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . Kısaca, araştırmacılar, beynin farklı kısımlarını hedeflemek için elektrotların veya tetrodların bağımsız olarak konumlandırılması için kullanılabilecek bir mikro sürücü sistemi inşa edebilirler10,11. Örneğin, Chang ve ark. hafif ve kompakt bir mikro sürücü12 monte ederek farelerde ani yükselmeleri ve LFP’leri kaydetme tekniklerini açıkladı. Ek olarak, davranışsal görevler sırasında kemirgenlerde birden fazla tek nöron ve LFP’yi kaydetmek için özel yapım aksesuar bileşenlerine sahip mikro işlenmiş silikon problar ticari olarak temin edilebilir13. Mikro sürücü sistemlerini monte etmek için çeşitli tasarımlar kullanılmış olsa da, bunlar tüm mikro sürücü sisteminin karmaşıklığı ve ağırlığı açısından hala sınırlı bir başarıya sahiptir. Örneğin, Lansink ve ark. tek bir beyin bölgesinden kayıt için karmaşık bir yapıya sahip çok kanallı bir mikro sürücü sistemi gösterdi14. Sato ve ark. otomatik hidrolik konumlandırma işlevi15 gösteren çok kanallı bir mikro sürücü sistemi bildirdi. Bu mikro sürücü sistemlerinin ana dezavantajları, farelerin serbestçe hareket edemeyeceği kadar ağır olmaları ve yeni başlayanlar için montajının zor olmasıdır. Çok kanallı hücre dışı kaydın davranışsal testler sırasında nöral aktiviteyi ölçmek için uygun ve verimli bir teknoloji olduğu gösterilmiş olsa da, yeni başlayanlar için karmaşık mikro sürücü sistemi tarafından elde edilen sinyalleri kaydetmek ve analiz etmek kolay değildir. Serbest hareket eden farelerde16,17 başlatılan çok kanallı hücre dışı kayıt ve veri analizinin tüm çalışma sürecini elde etmenin zor olduğu göz önüne alındığında, bu makale, yaygın olarak bulunan bileşenleri ve ayarları kullanarak mikro sürücü sistemini yapmanın ayrıntılı sürecini tanıtmak için basitleştirilmiş yönergeler sunmaktadır; Spike ve LFP sinyallerini hızlı ve basit bir şekilde hesaplamak için ortak yazılımdaki parametreler de sağlanır. Ek olarak, bu protokolde, kafa ve mikro sürücü sisteminin ağırlığının dengelenmesine katkıda bulunan bir helyum balonu kullanımı nedeniyle fare serbestçe hareket edebilir. Genel olarak, bu çalışmada, bir mikro sürücü sisteminin nasıl kolayca kurulacağını ve kayıt ve veri analizi süreçlerinin nasıl optimize edileceğini açıklıyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Serbest hareket eden farelerde çok kanallı kayıt, sinirbilim çalışmalarında yararlı bir teknoloji olarak kabul edilmiştir, ancak yeni başlayanlar için sinyalleri kaydetmek ve analiz etmek hala oldukça zordur. Bu çalışmada, mikro-sürücü sistemleri yapmak ve elektrot implantasyonu gerçekleştirmek için basitleştirilmiş kılavuzların yanı sıra, nörofizyolojik veri analizi için spike sıralama yazılımı ve yazılımı aracılığıyla elektrik sinyallerini yakalamak ve analiz etmek için…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (31871170, 32170950 ve 31970915), Guangdong Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı (2021A1515010804 ve 2023A1515010899), Guangdong Doğa Bilimleri Vakfı Büyük Yetiştirme Projesi (2018B030336001) ve Guangdong Hibesi: Beyin Bozukluklarının Tedavisi için Temel Teknolojiler (2018B030332001).
Materials
| 2.54 mm pin header | YOUXIN Electronic Co., Ltd. | 1 x 5 | Applying for the movable micro-drive which can slide on its stulls. |
| Adobe Illustrator CC 2017 | Adobe | N/A | To optimize images from GraphPad. |
| BlackRock Microsystems | Blackrock Neurotech | Cerebus | This systems includes headsatge, DA convert, amplifier and computer. |
| Brass nut | Dongguan Gaosi Technology Co., Ltd. | M0.8 brass nut | The nut fixes the position of screw. |
| Brass screw | Dongguan Gaosi Technology Co., Ltd. | M0.8 x 11 mm brass screw | A screw that hold the movable micro-drive. |
| C57BL/6J | Guangdong Zhiyuan Biomedical Technology Co., LTD. | N/A | 12 weeks of age. |
| Centrifuge tube | Biosharp | 15 mL; BS-150-M | To store mice brain with sucrose sulutions. |
| Conducting paint | Structure Probe, Inc. | 7440-22-4 | To improve the lead-connecting quality between connector pins and Ni-wires. |
| Conductive copper foil tape | 3M | 1181 | To reduce interferenc. |
| Connector | YOUXIN Electronic Co., Ltd. | 2 x 10P | To connect the headtage to micro-drive system. |
| DC Power supply | Maisheng | MS-305D | A power device for electrolytic lesion. |
| Dental cement | Shanghai New Century Dental Materials Co., Ltd. | N/A | To fix the electrode arrays on mouse's skull after finishing the implantation. |
| Digital analog converter | Blackrock | 128-Channel | A device that converts digital data into analog signals. |
| Epoxy resin | Alteco | N/A | To cover pins. |
| Excel | Microsoft | N/A | To summarize data after analysis. |
| Eye scissors | JiangXi YuYuan Medical Equipment Co.,Ltd. | N/A | For surgery or cutting the Ni-chrome wire. |
| Fine forceps | JiangXi YuYuan Medical Equipment Co.,Ltd. | N/A | For surgery. |
| Forceps | JiangXi YuYuan Medical Equipment Co.,Ltd. | N/A | For surgery or assembling the mirco-drive system. |
| Freezing microtome | Leica | CM3050 S | Cut the mouse’s brain into slices |
| Fused silica capillary tubing | Zhengzhou INNOSEP Scientific Co., Ltd. | TSP050125 | To serve as the guide tubes for Ni-chrome wires. |
| Glass microelectrode | Sutter Instrument Company | BF100-50-10 | To mark the desired locations for implantation using the filled ink. |
| GraphPad Prism 7 | GraphPad Software | N/A | To analyze and visualize the results. |
| Guide-tube | Polymicro technologies | 1068150020 | To load Ni-chrome wires. |
| Headstage | Blackrock | N/A | A tool of transmitting signals. |
| Helium balloon | Yili Festive products Co., Ltd. | 24 inch | To offset the weight of headstage and micro-drive system. |
| Ink | Sailor Pen Co.,LTD. | 13-2001 | To mark the desired locations for implantation. |
| Iodine tincture | Guangdong Hengjian Pharmaceutical Co., Ltd. | N/A | To disinfect mouse's scalp. |
| Lincomycin in Hydrochloride and Lidocaine hydrochloride gel | Hubei kangzheng pharmaceutical co., ltd. | 10g | A drug used to reduce inflammation. |
| Meloxicam | Vicki Biotechnology Co., Ltd. | 71125-38-7 | To reduce postoperative pain in mice. |
| Micromanipulators | Scientifica | Scientifica IVM Triple | For electrode arrays implantation. |
| Microscope | Nikon | ECLIPSE Ni-E | Capture the images of brain sections |
| nanoZ impedance tester | Plexon | nanoZ | To measure impedance or performing electrode impedance spectroscopy (EIS) for multichannel microelectrode arrays. |
| NeuroExplorer | Plexon | NeuroExplorer | A tool for analyzing the electrophysiological data. |
| NeuroExplorer | Plexon, USA | N/A | A software. |
| Ni-chrome wire | California Fine Wire Co. | M472490 | 35 μm Ni-chrome wire. |
| Offline Sorter | Plexon | Offline Sorter | A tool for sorting the recorded multi-units. |
| PCB board | Hangzhou Jiepei Information Technology Co., Ltd. | N/A | Computer designed board. |
| Pentobarbital | Sigma | P3761 | To anesthetize mice. |
| Pentobarbital sodium | Sigma | 57-33-0 | To anesthetize the mouse. |
| Peristaltic pump | Longer | BT100-1F | A device used for perfusion |
| Polyformaldehyde | Sangon Biotech | A500684-0500 | The main component of fixative solution for fixation of mouse brains |
| PtCl4 | Tianjin Jinbolan Fine Chemical Co., Ltd. | 13454-96-1 | Preparation for gold plating liquid. |
| Saline | Guangdong Hengjian Pharmaceutical Co., Ltd. | N/A | To clean the mouse's skull. |
| Silver wire | Suzhou Xinye Electronics Co., Ltd. | 2 mm diameter | Applying for ground and reference electrodes. |
| Skull drill | RWD Life Science | 78001 | To drill carefully two small holes on mouse's skull. |
| Stainless steel screws | YOUXIN Electronic Co., Ltd. | M0.8 x 2 | To protect the micro-drive system and link the ground and reference electrodes. |
| Stereotaxic apparatus | RWD Life Science | 68513 | To perform the stereotaxic coordinates of bilateral motor cortex. |
| Sucrose | Damao | 57-50-1 | To dehydrate the mouse brains after perfusion. |
| Super glue | Henkel AG & Co. | PSK5C | To fix the guide tube and Ni-chrome wire. |
| Temperature controller | Harvard Apparatus | TCAT-2 | To maintain mouse's rectal temperature at 37°C |
| Tetracycline eye ointment | Guangdong Hengjian Pharmaceutical Co., Ltd. | N/A | To protect the mouse's eyes during surgery. |
| Thread | Rapala | N/A | To link ballon and headstage. |
| Vaseline | Unilever plc | N/A | To cover the gap between electrode arrays and mouse's skull. |
References
- Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents–EEG, ECoG, LFP and spikes. Nature Reviews Neuroscience. 13 (6), 407-420 (2012).
- Singer, W. Synchronization of cortical activity and its putative role in information processing and learning. Annual Review of Physiology. 55, 349-374 (1993).
- Arroyo-García, L. E., et al. Impaired spike-gamma coupling of area CA3 fast-spiking interneurons as the earliest functional impairment in the App(NL-G-F) mouse model of Alzheimer’s disease. Molecular Psychiatry. 26 (10), 5557-5567 (2021).
- Ozawa, M., et al. Experience-dependent resonance in amygdalo-cortical circuits supports fear memory retrieval following extinction. Nature Communications. 11 (1), 4358 (2020).
- Vinck, M., Batista-Brito, R., Knoblich, U., Cardin, J. A. Arousal and locomotion make distinct contributions to cortical activity patterns and visual encoding. Neuron. 86 (3), 740-754 (2015).
- Beck, M. H., et al. long-term dopamine depletion causes enhanced beta oscillations in the cortico-basal ganglia loop of parkinsonian rats. Experimental Neurology. 286, 124-136 (2016).
- Magill, P. J., Bolam, J. P., Bevan, M. D. Relationship of activity in the subthalamic nucleus-globus pallidus network to cortical electroencephalogram. Journal of Neuroscience. 20 (2), 820-833 (2000).
- Magill, P. J., et al. Changes in functional connectivity within the rat striatopallidal axis during global brain activation in vivo. Journal of Neuroscience. 26 (23), 6318-6329 (2006).
- Rapeaux, A. B., Constandinou, T. G. Implantable brain machine interfaces: First-in-human studies, technology challenges and trends. Current Opinion in Biotechnology. 72, 102-111 (2021).
- Tort, A. B., et al. Dynamic cross-frequency couplings of local field potential oscillations in rat striatum and hippocampus during performance of a T-maze task. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (51), 20517-20522 (2008).
- Yamamoto, J., Wilson, M. A. Large-scale chronically implantable precision motorized microdrive array for freely behaving animals. Journal of Neurophysiology. 100 (4), 2430-2440 (2008).
- Chang, E. H., Frattini, S. A., Robbiati, S., Huerta, P. T. Construction of microdrive arrays for chronic neural recordings in awake behaving mice. Journal of Visualized Experiments. (77), e50470 (2013).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. Journal of Visualized Experiments. (61), e3568 (2012).
- Lansink, C. S., et al. A split microdrive for simultaneous multi-electrode recordings from two brain areas in awake small animals. Journal of Neuroscience Methods. 162 (1-2), 129-138 (2007).
- Sato, T., Suzuki, T., Mabuchi, K. A new multi-electrode array design for chronic neural recording, with independent and automatic hydraulic positioning. Journal of Neuroscience Methods. 160 (1), 45-51 (2007).
- van Daal, R. J. J., et al. Implantation of Neuropixels probes for chronic recording of neuronal activity in freely behaving mice and rats. Nature Protocols. 16 (7), 3322-3347 (2021).
- Unakafova, V. A., Gail, A. Comparing open-source toolboxes for processing and analysis of spike and local field potentials data. Frontiers in Neuroinformatics. 13, 57 (2019).
- Mao, L., Wang, H., Qiao, L., Wang, X. Disruption of Nrf2 enhances the upregulation of nuclear factor-kappaB activity, tumor necrosis factor-alpha, and matrix metalloproteinase-9 after spinal cord injury in mice. Mediators of Inflammation. 2010, 238321 (2010).
- Jin, Z., Zhang, Z., Ke, J., Wang, Y., Wu, H. Exercise-linked irisin prevents mortality and enhances cognition in a mice model of cerebral ischemia by regulating Klotho expression. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2021, 1697070 (2021).
- Ding, X., et al. Spreading of TDP-43 pathology via pyramidal tract induces ALS-like phenotypes in TDP-43 transgenic mice. Acta Neuropathologica Communications. 9 (1), 15 (2021).
- Cao, W., et al. Gamma oscillation dysfunction in mPFC leads to social deficits in neuroligin 3 R451C knockin mice. Neuron. 97 (6), 1253-1260 (2018).
