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.
Fare, mus musculus fizyolojik araştırmalar sayısı, mikrodevreli diseksiyon ve hastalık modelleme hedefleyen genetik yöntemlerinde büyüme sürecine paralel, son dalgalanma yaşadı. Optogenetik tanıtımı, örneğin, benzeri görülmemiş bir zamansal çözünürlükte, genetik tanımlanan nöronların yönlü manipülasyonu için izin verdi. Bu araçları yararlanmak ve beyin microcircuits arasındaki dinamik etkileşimleri içgörü kazanmak için, o tek hem baş-sabit ve serbestçe davranmak hazırlıklarında, derin bu küçük kemirgen beyin içindeki nöron topluluklarının kayıt yeteneğine sahip olması önemlidir. Derin yapılar ve farklı hücre tabakalarından kaydetmek için istenen beyin bölgelerine doğru elektrotlar hassas ilerlemesini sağlayan bir hazırlık gerektirir. Nöral topluluklar kaydetmek için, her bir elektrot mahallede bırakarak tek tek hücrelerin çözmek için deneyci sağlayan, bağımsız bir şekilde hareket edebilir olması gereklidiroring elektrotlar rahatsız. Serbestçe davranıyor fare hem yapmak, hafif esnek ve spesifik beyin yapıları hedefleyen için son derece özelleştirilebilir bir elektrot sürücü gerektirir.
Ayrı ayrı özelleştirilebilir ve kolay piyasada bulunan parçaları monte edilir microdrive elektrod dizileri tasarımı ve minyatür, ultralight ağırlığı, imal edilmesi için bir tekniği sunulmuştur. Bu cihazlar kolaylıkla ölçeklenebilir ve yapısı hedef alınıyor için özelleştirilmiş olabilir; doğal davranış sırasında serbestçe davranıyor hayvan talamik ve kortikal bölgelerden kaydetmek için başarıyla kullanılmaktadır.
Mus musculus hızlı bir şekilde genetik olarak tanımlanan nöronların mikrodevreli düzeyinde diseksiyon ve insan hastalığı fare modelleri araştıran ilgilenen fizyolog için tercih edilen hayvan modeli haline dolayı genetik tractability için vardır. Örneğin, Optogenetic ve kimyasal genetik aktüatörler gibi nedensel genetik araçları, son giriş experimentalists davranış 1-4 tanımlanan nöral devrelerin gerekliliğini ve yeterliliğini test için izin verdi. Rekombinant transgenik fare sürücü hatları (Cre-hat), geniş kullanılabilirliği bu deneylerde 5 için fare değeri ekleyerek, nöron alt tipler hedeflenen tarafından hangi deneysel kolaylığı güçlendirilmiş bulunmaktadır.
Aynı şekilde, genetik ekranlar ve yaygın nörolojik ve psikiyatrik bozuklukların genom dernekler beyin hastalığı 6,7 genetik risk faktörlerinin belirlenmesini kolaylaştırmıştır. Büyüyen ile birlikte bu gelişmeler,genetik manipülasyon ve farelerde genom mühendislik araç, insan hastalığı modelleme için tercih organizma yaptık. Hastalık modelleri ve nedensel genetik araçları kombinasyonu beyin hastalığı anlamak ve müdahaleler için devre düzeyinde hedefler belirlenmesi için görülmemiş bir fırsat sağlar.
Tam olarak bu moleküler araçlar yararlanmak ve sağlık ve hastalık mikrodevreli fonksiyonu içgörü kazanmak için, o beyin aktivitesinin fizyolojik okumalarla çift onları esastır. İdeal olarak, deneyci tek hücre çözünürlüğü korurken nöronların çok sayıda izlemek mümkün olacaktır. Özgürce davranıyor hayvanlarda hücre dışı, çoklu elektrot kayıtları böyle bir fırsat sağlamak; Ancak fare Bu teknolojinin kullanımı, sınırlı olmuştur. Küçük hedeflere (örneğin, hipokampus CA1 tabaka) kayıt yapmak için, ayarlanabilir elektrotların kullanımı, aşağıdaki Surgic kayıt elektrotları küçük hareketler olarak gerekli olduğuark implantasyon imkansız kayıt istikrarı 8,9 bakımını yapabilir. Geleneksel olarak, fare kullanıldığında, beyin içindeki elektrotlar ağırlık önlemler gerektiren, hareket ettirmek için kullanılabilmektedir olan yöntemler, bu organizmada davranışı olan nöronların çok sayıda çift kaydı ile bu zor bir hale getirmektedir.
Burada, yöntemler tek tek optogenetik uyumlu, hedef alındığını beyin bölgesinde özelleştirilebilir minyatür, ultra-hafif, mikroelektrod dizileri imalatı için tanıtıldı ve kolayca piyasada bulunan parçaları toplandı. Çoklu elektrot "hiper" olan her bir "microdrive" vidasından momenti ortadan kaldırmak için hiper gövdesinin içine yerleştirilmiş elektrot ve bir plastik rayı ilerletmek için bir yay ve vidalı mekanizması kullanır. İlk olarak, 3D baskı için bir CAD programında hiper organları ve Microdrives tasarımı süreci tarif edilmektedir. Özelleştirilmiş hipersürücü organları tasarlayarakBelirli yapılarda, bu hedefleme hassasiyetini arttırmak için ve daha fazla preparatın verimini artırmak mümkündür. İkinci olarak, fabrikasyon işlemi çoklu elektrot dizisi ticari olarak temin edilebilir parçalar elle monte edilir, burada detaylı olarak tarif edilmektedir. Bu teknik, doğal toplayıcılık ve edimsel görevleri sırasında özgürce davranıyor hayvanda hipokampus, talamus ve korteks nöron topluluklarının kayıt için, başarıyla kullanılmıştır.
Bu protokol fare tek bir veya birden fazla beyin bölgeleri hedefleyen için ultra-hafif microdrive dizi inşa sürecini özetliyor. Inşaatın son adımlardan sonra, hiper standart cerrahi teknikler kullanılarak implant emplantasyon ve diş çimentosu ile fare kafatasından yapıştırılmıştır hazırdır. Fare el ile kısıtlanır ise implantasyon sonrası, elektrotların her biri, bağımsız bir şekilde, küçük bir tornavida ile gelişmiş olabilir. Her bir elektrot gelişmeler, vidanın tonu ile belirlenen tur başına mesafe. Yarım ve çeyrek dönüşler daha fazla çözünürlük için kullanılabilir olsa burada başvurulan vidaları kullanarak, her elektroda dönüşü başına yaklaşık 150 mm ilerler.
Şekil 1B eskiz boyutları implantın toplam boyutunu belirlemek, bu nedenle, çift yönlü implantlar ölçek için açık bir yol kritik kroki üzerinde boyutlarını değiştirmektir. Buna ek olarak, THVidaların uzunluğun derin beyin yapılarını hedef uzatılabilir. Bu hafif ve çelikten daha az kırılgan olarak biz özel, titanyum vidalar yapılan öneririz. Antitorque raylar vida uzunluğu ile doğrusal arttırmamız gerekiyor ve bu noktada biz bu yapıların basılabilir hangi maksimum uzunluğu tespit değil unutmayın. Çoklu beyin bölgeleri hedeflemek için, taban parçasının şekli değiştirilebilir. Bilinen boyutlu pullar (kalınlığı 200 mikron), eklenmesi (örneğin, hipokampus ve prefrontal korteks için) ayrı beyin yapıları hedefleyen poliimidlerin arasında gerekli aralayıcıları sağlayabilir. Bu alt parça montaj basamakları dahil ve epoksi sertleştikten sonra, daha sonra kesilmiş olabilir.
Bu tasarımın büyük bir sınırlama sahipli yazılımlara (bu durumda Solidworks) üzerindeki bağımlılık olduğunu. Minimal mühendislik arka pln ile bu tür ekipman tasarımı için elverişli kullanıcı dostu arayüz sağlar, açık kaynak kodlu programların gelecekteki gelişimiyuvarlak nörobilim topluma büyük yarar olacaktır.
Bu yöntem, mevcut yöntemlere göre bazı avantajları temin etmektedir. İlk olarak, tasarım, çok az çizimler (Şekil 1) bağlıdır basittir. İkincisi, kendi montaj gitmek için hiçbir diş çimento veya ağır malzeme gerektiren ultra-hafif, olduğunu. Benzer işlevsellik ticari olarak temin edilebilir implantlar ağırlığının yaklaşık üçte – Genel olarak, yaklaşık 1.7 gr ağırlığındadır. , Implant vücut çoklu kaynaklardan yazılı 3B edilebilir (örneğin, approto.com için, ama orada birkaç diğerleri) – Üçüncü, bunu yapmak için hiçbir özel ekipman gerektirir Özel bir vida (örneğin antrinonline.com için) yapılabilir; yaylar (örneğin leesprings.com için) ticari olarak temin edilebilir; ve bunun bir sonucu olarak tüm montaj işlemi bir gün içinde olabilir. Son olarak, bu implantlar, doğal toplayıcılık sırasında birden beyin bölgelerinde kaydetmek için kullanılır olmuştur, yapılandırılmış davranışsal görevleri ve uyku (Şekil5).
Bu yöntemin Gelecek uygulamalar onun ölçeklenebilirlik uygulama içerir. Bu implant, iki-yönlü) 1 değiştirerek basitçe Şekil 1B Çizim ve desenli microdrive kaplar (Şekil 1D), 2) sayısına boyutunu ölçeklendirilebilir muhtemeldir. Örneğin, erken gelişim özgürce davranmak farelerin rekor aşağı ölçekli ve sıçan, tavşan, dağ gelinciği ve belki de insan olmayan primatlarda kayıt yukarı ölçekli olabilir.
Son bir söz özetlenen yöntemin başarılı bir şekilde uygulanması için kritik tutundukları tasarımı dosyaları stl uygulamak herhangi bir değişiklik prototip olduğunu anımsatmak olduğunu. Okuyucu ekli tasarım "şekil 8" antitorque demiryolu içerdiğini, örneğin, göreceksiniz. Bu genellikle bu delmenizi olması gereklidir gibi, 3D baskı sınırlama verilen en iyi tasarım mümkün oldu. Bir daire olması olması, ist olurduromise kararlılık, ama bir kare olan veya açılı bir şekil sondaj ile 3D baskı kusurları düzeltmek için yeteneğini sınırlayabilir olacaktır.
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 |