Aqui, descrevemos um projeto de micro-unidade, procedimento de implante cirúrgico e estratégia de recuperação pós-cirurgia que permitem gravações crônicas de campo e unidade única de várias regiões cerebrais simultaneamente em camundongos jovens e adolescentes através de uma janela crítica de desenvolvimento do dia pós-natal 20 (p20) ao dia pós-natal 60 (p60) e além.
A eletrofisiologia in vivo fornece uma visão incomparável sobre a dinâmica de circuitos de sub-segundo nível do cérebro intacto e representa um método de particular importância para o estudo de modelos de camundongos de transtornos neuropsiquiátricos humanos. No entanto, tais métodos geralmente requerem grandes implantes cranianos, que não podem ser usados em camundongos nos primeiros momentos de desenvolvimento. Como tal, praticamente nenhum estudo de fisiologia in vivo foi realizado em camundongos infantis ou juvenis de comportamento livre, apesar do fato de que uma melhor compreensão do desenvolvimento neurológico nessa janela crítica provavelmente forneceria insights únicos sobre transtornos de desenvolvimento dependentes da idade, como autismo ou esquizofrenia. Aqui, um projeto de micro-unidade, procedimento de implante cirúrgico e estratégia de recuperação pós-cirurgia são descritos que permitem registros de campo crônico e de unidade única de várias regiões cerebrais simultaneamente em camundongos à medida que envelhecem do dia pós-natal 20 (p20) ao dia pós-natal 60 (p60) e além, uma janela de tempo aproximadamente correspondente às idades humanas de 2 anos de idade até a idade adulta. O número de eletrodos de gravação e locais de registro final podem ser facilmente modificados e expandidos, permitindo assim um controle experimental flexível do monitoramento in vivo de regiões cerebrais relevantes para o comportamento ou a doença ao longo do desenvolvimento.
O cérebro sofre mudanças em larga escala durante as janelas críticas de desenvolvimento da infância e adolescência 1,2,3. Muitas doenças neurológicas e psiquiátricas, incluindo autismo e esquizofrenia, manifestam-se comportamental e biologicamente pela primeira vez durante esse período de desenvolvimento cerebral juvenil e adolescente 4,5,6. Embora muito se saiba sobre as mudanças celulares, sinápticas e genéticas que ocorrem ao longo do desenvolvimento inicial, comparativamente pouco se sabe sobre como os processos em nível de circuito ou rede mudam ao longo dessa janela de tempo. É importante ressaltar que a função cerebral em nível de circuito, que em última análise está subjacente a comportamentos complexos, memória e cognição, é uma propriedade emergente e não previsível da função celular e sináptica 7,8,9,10. Assim, para entender completamente a função cerebral em nível de rede, é necessário estudar diretamente a atividade neural no nível de um circuito neural intacto. Além disso, para identificar como a atividade cerebral é alterada ao longo da progressão dos transtornos neuropsiquiátricos, é fundamental examinar a atividade da rede em um modelo de doença válido durante a janela temporal específica em que os fenótipos comportamentais da doença se manifestam e rastrear as mudanças observadas à medida que persistem na idade adulta.
Um dos organismos modelo científicos mais comuns e poderosos é o camundongo, com grande número de linhagens genéticas únicas que modelam distúrbios do neurodesenvolvimento com início dependente da idade dos fenótipos comportamentais e/ou mnemônicos 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21 . Embora seja desafiador correlacionar pontos precisos de tempo de desenvolvimento entre os cérebros de humanos e camundongos, comparações morfológicas e comportamentais indicam que os camundongos p20-p21 representam as idades humanas de 2-3 anos de idade, e os camundongos p25-p35 representam as idades humanas de 11-14 anos, com camundongos provavelmente atingindo o equivalente de desenvolvimento de um adulto humano de 20 anos por p603, 22º. Assim, para entender melhor como o cérebro juvenil se desenvolve e identificar como as redes neurais do cérebro se tornam disfuncionais em doenças como autismo ou esquizofrenia, o ideal seria monitorar diretamente a atividade cerebral in vivo em camundongos com idades entre 20 dias e 60 dias de idade.
No entanto, um desafio fundamental no monitoramento da atividade cerebral ao longo do desenvolvimento inicial em camundongos é o pequeno tamanho e a relativa fraqueza de camundongos juvenis. O implante crônico de eletrodos, necessário para estudos longitudinais do desenvolvimento cerebral, tipicamente requer carcaça grande e volumosa para proteger os fios finos dos eletrodos e as placas de interface23,24, e os implantes devem estar firmemente fixados ao crânio de camundongos, que é mais fino e menos rígido em camundongos jovens devido à reduzida ossificação. Assim, praticamente todos os estudos de fisiologia in vivo de roedores foram realizados em indivíduos adultos devido ao seu tamanho relativo, força e espessura do crânio. Até o momento, a maioria dos estudos explorando a fisiologia do cérebro de roedores juvenis in vivo foi realizada em ratos juvenis selvagens, o que necessariamente limita a capacidade de monitorar experimentalmente a função cerebral juvenil em um modelo de comportamento livre de um distúrbio humano 25,26,27,28,29,30.
Este manuscrito descreve a nova carcaça do implante, um procedimento cirúrgico de implantação e uma estratégia de recuperação pós-cirurgia para estudar cronicamente a função cerebral in vivo a longo prazo (até 4 ou mais semanas) de camundongos juvenis através de uma janela de tempo crítica para o desenvolvimento (p20 a p60 e além). O procedimento de implantação permite a fixação confiável e permanente dos eletrodos nos crânios de camundongos juvenis. Além disso, o design do micro-drive é leve, pois este micro-drive pesa ~4-6 g quando totalmente montado, e devido ao contrabalanceamento mínimo necessário para compensar o peso do implante, ele não afeta o desempenho comportamental de camundongos juvenis durante paradigmas comportamentais típicos.
Experimentos modernos explorando a função de circuitos neurais in vivo em roedores frequentemente utilizam eletrofisiologia extracelular via eletrodos permanentemente implantados para monitorar a atividade de neurônios individuais (ou seja, unidades únicas) ou populações locais (via potenciais de campo locais, LFP), mas tais métodos raramente são aplicados a camundongos juvenis devido a desafios técnicos. Este manuscrito descreve um método para obter registros eletrofisiológicos in vivo em camundongos através das janelas críticas de desenvolvimento de p20 a p60 e além. Essa metodologia envolve um processo de fabricação para a impressão e construção de um implante de micro-drive, um procedimento de implante cirúrgico e uma estratégia de recuperação pós-cirurgia, todos adaptados especificamente para uso em camundongos juvenis. Várias considerações foram influentes no desenvolvimento deste protocolo, incluindo o pequeno tamanho e a fraqueza relativa de camundongos juvenis em comparação com seus homólogos adultos, bem como a ossificação reduzida do crânio de camundongos juvenis no qual a micro-unidade precisava ser anexada.
Dois métodos primários comumente usados para realizar eletrofisiologia in vivo são arranjos de eletrodos (por exemplo, tetrodos) e sondas de silício. Sondas de silicone são leves, podem fornecer um grande número de locais de registro por unidade de peso e foram previamente utilizadas em ratos juvenis25. No entanto, as sondas de silício são relativamente caras por unidade. Em contraste, o micro-drive descrito neste manuscrito pode ser construído usando menos de US$ 50 em matérias-primas, tornando-se uma opção econômica para gravação in vivo . Além disso, as sondas de silicone muitas vezes devem ser implantadas em linhas fixas, o que proíbe o registro de regiões cerebrais espacialmente diversas. Em contraste, o projeto de micro-drive descrito neste manuscrito utiliza tetrodos ajustáveis independentemente para acomodar gravações simultâneas em até 16 locais diferentes, praticamente sem restrição na relação espacial entre esses locais. Este projeto de micro-acionamento pode ser facilmente modificado para permitir o direcionamento de locais diferentes daqueles descritos aqui, movendo as extrusões do orifício da cânula para qualquer localização anterior/posterior e medial/distal desejada. Ao visar áreas cerebrais alternativas, é importante notar que, embora os tetrodos muitas vezes viajem retos, é possível que esses fios finos se desviem ligeiramente à medida que saem da cânula de micro-unidade. Assim, quanto menor ou mais ventral for uma região cerebral, mais desafiador será atingir com sucesso a área com tetrodos.
O implante de micro-drive descrito neste manuscrito é fundamentalmente semelhante a vários projetos anteriores de micro-drive baseados em tetrodo 23,32,33,34,35 em que os tetrodos individuais são afixados em parafusos, que permitem o controle fino da profundidade de registro de cada tetrodo. Embora várias características do projeto atual do micro-drive sejam únicas, incluindo a facilidade de segmentar áreas cerebrais espacialmente distribuídas, a principal novidade do presente manuscrito é a descrição do implante cirúrgico e das estratégias de recuperação pós-cirurgia, que permitem estudos crônicos da atividade da rede em camundongos juvenis ainda em desenvolvimento. De fato, as metodologias de cirurgia e recuperação aqui descritas poderiam ser adaptadas para suportar outros implantes em camundongos jovens.
Para manter um registro consistente ao longo de vários dias, os fios ou sondas devem ser fixados rigidamente no crânio. Enquanto a estrutura geral do crânio de camundongos sofre apenas pequenas alterações após p20, o crânio engrossa consideravelmente entre as idades p20 e p4536. De fato, o crânio em p20 é insuficientemente rígido para suportar um implante anexado sem ser danificado. Para superar essa limitação biológica, este protocolo engrossa artificialmente o crânio via cianoacrilato durante a cirurgia de implante. A implantação em camundongos com menos de p20 é provavelmente possível usando essa estratégia, mas o crânio de camundongos sofre mudanças consideráveis de tamanho e forma até aproximadamente p2036. Assim, o implante por longos períodos em camundongos com menos de p20 não é recomendado, pois o cianoacrilato e os parafusos ósseos fixos no crânio ainda em desenvolvimento podem afetar significativamente o crescimento natural do crânio e o desenvolvimento do tecido cerebral subjacente. É importante ressaltar que, neste estudo, não foi observado impacto nas medidas macroscópicas do crânio ou do tamanho do cérebro após o implante crônico a partir de p20 (Figura 5C).
Uma etapa crítica no método descrito neste manuscrito é a estratégia de recuperação pós-operatória; De acordo com essa estratégia, o peso do implante deve ser continuamente contrabalançado à medida que o camundongo amadurece e sofre desenvolvimento muscular e do sistema musculoesquelético. No início após o implante, os camundongos são incapazes de suportar com sucesso o peso do implante sem o contrapeso, levando à desnutrição e desidratação, já que o camundongo não consegue alcançar adequadamente as fontes de alimento e água em sua gaiola. O sistema de contrapeso é fácil e barato de construir, trivial de implementar, e permite que ratos de qualquer idade implantável explorem livremente toda a sua gaiola doméstica, garantindo assim nutrição e hidratação adequadas. À medida que os ratos envelhecem, a quantidade de contrapeso pode ser diminuída até que possa ser totalmente removida em camundongos adultos; no entanto, recomenda-se o uso contínuo do sistema de contrapeso durante a duração do experimento, com pelo menos um contrapeso nominal ligado em todos os momentos. Enquanto um camundongo adulto pode ser capaz de suportar o tamanho e o peso da microunidade ao longo do tempo, o movimento natural contínuo durante o comportamento livre sem contrapeso de melhora produz torque e força de cisalhamento nos parafusos ósseos que ancoram a microunidade no crânio, tornando-a cada vez mais propensa a se desprender, especialmente durante experimentos crônicos mais longos.
Duas limitações importantes são dignas de nota para o presente estudo. Primeiro, para avaliar o impacto do implante em p20 no desenvolvimento do crânio e do cérebro, várias coortes de camundongos foram sacrificadas após implante prolongado (Figura 5C). Embora essas análises não tenham revelado impacto significativo do implante no tamanho da cavidade craniana ou na massa cerebral (Figura 5C), o presente estudo não examinou o tamanho do crânio ou a massa cerebral em vários momentos ao longo do período inicial de desenvolvimento de p20-p60. Embora trabalhos anteriores demonstrem que o desenvolvimento da cavidade cerebral se completa até p2036, é possível que a implantação nessa janela inicial possa produzir mudanças inesperadas que são corrigidas ou compensadas pelas idades adultas aqui avaliadas. Em segundo lugar, os experimentos que produziram os dados eletrofisiológicos mostrados na Figura 3 e na Figura 4 não foram projetados para maximizar o rendimento celular. Assim, embora os dados aqui apresentados demonstrem registros estáveis, crônicos e unidades isoladas bem isoladas, eles não devem ser tomados como representativos do rendimento potencial máximo para esse dispositivo.
Muitos transtornos neurológicos e psiquiátricos humanos se manifestam durante períodos de desenvolvimento precoce ou ao longo da adolescência, incluindo autismo e esquizofrenia. No entanto, pouco se sabe sobre a disfunção em nível de circuito que pode estar subjacente a essas doenças, apesar da infinidade de modelos de camundongos disponíveis. A identificação dessas mudanças iniciais na rede é fundamental para a criação de estratégias de detecção precoce e paradigmas de tratamento. No entanto, devido a desafios técnicos, ainda não está claro como a função da rede é interrompida em todo o desenvolvimento em modelos de camundongos de doenças neuropsiquiátricas. A estratégia de micro-drive e recuperação descrita aqui é projetada para apoiar investigações sobre o desenvolvimento de redes cerebrais multirregionais no cérebro de camundongos e, assim, permitir que os pesquisadores meçam o desenvolvimento cerebral saudável, bem como identifiquem alterações nesse desenvolvimento em modelos de doença em camundongos.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi apoiado pelo National Institutes of Health R01 NS104829 (B.E.P.), R01 MH117149 (L.J.V.) e F99NS12053 (L.D.Q.) e pelo UT Southwestern GSO Endowment Award (R.J.P. e L.D.Q.). Os autores agradecem a Jenny Scaria (Texas Tech University Health Sciences Center School of Pharmacy) pela assistência técnica e ao Dr. Brendon Watson (University of Michigan) pelas sugestões metodológicas.
10 V video tracking LEDs | Neuralynx | HS-LED-Red/Green-omni-10V | For use with headstage pre-amplifiers that contain LED sockets for movement tracking purposes |
16TT EIB Board | Neuralynx | EIB-36-16TT | Electronic interface board- omnetics connector |
16TT headstage pre-amplifier | Neuralynx | HS-36-LED | Omnetics 44 socket signal amplifier between EIB board and tether cable for recording applications; includes connectors for headstage LEDs for movement tracking purposes |
Baby-Mixter hemostat | FST | 13013-14 | Fine curved hemostat |
Bone anchor screw | Stoelting | 51457 | Used to attach EIB board to main drive body |
Burpenorphine | ZooPharm | Lot #BERLAB0.5-221207 | Burpenorphine (0.5 mg/mL) 5mL quantity |
Cable tether | Neuralynx | HS-36 Litz Tether | Lightweight shielded wire tether for omnetics headstages; length options of 1 m/2 m/3 m/5 m |
Carprofen/Rimadyl | Bio-Serve | MD150-2 | Post-operative anti-inflammatory agent |
Clear resin v4 | Formlabs | FLGPGR04 | Liquid resin that is photopolymerized by 3D printer during the 3D printing process |
Custom (shuttle) screw | Advanced Machining and Tooling, Inc. | Custom | Machined and threaded custom screws |
Dental acrylic liquid component | Teets denture material | Lot# 329801 | liquid component of denture material (see above) |
Dental acrylic powder component | Teets denture material | Lot# 583987 | "cold cure" denture material, methyl methacrylate; mixed with liquid component for application to secure recording device in place |
DietGel Boost | ClearH2O | 72-04-5022 | High calorie dietary supplement for young/recovering mice |
Digital Lynx 16SX | Neuralynx | DigitalLynx 16SX Base | Main recording apparatus with 16 combo board slots for up to 512 recording channels |
Dissector scissors- heavy blades | FST | 14082-09 | Various |
Dumont #5 ceramic coated forceps | FST | 11252-50 | Tetrode handling/threading/pinning |
Dumont #5SF forceps | FST | 11252-00 | Multipurpose assembly use |
Dumont #5SF forceps | FST | 11252-00 | Multipurpose surgical use |
Dumont #7 fine forceps (curved) | FST | 11274-20 | Various |
Dumont #7 fine forceps (curved) | FST | 11274-20 | Multipurpose surgical use |
EIB-36 plating adapter | Neuralynx | EIB-36 plating adapter | Plating/assembly use |
EIB-36 plating adapter | Neuralynx | EIB-36 plating adapter | Stereotactic accessory for lowering drive onto skull during surgery |
Euthasol | Virbac | 710101 | Pentobarbital sodium for euthanasia |
Extra fine Bonn scissors | FST | 14083-38 | Various |
Extra fine graefe forceps | FST | 11150-10 | Small straight serrated forceps |
Extra fine graefe forceps | FST | 11150-10 | Small straight serrated forceps |
Fine hemostats | FST | 13006-12 | Fine hemostats |
Fine scissors- CeramaCut | FST | 14958-09 | Tetrode cutting |
Fine scissors- ToughCut | FST | 14058-09 | Various |
Form 3+ | Formlabs | PKG-F3-P-WS-SVC-BASIC | 3D printer for fabrication of all printed parts/materials; low-force stereolithography 3D printer (LFS) |
Gel super glue | Loctite | 1363589 | Various steps |
Graefe forceps | FST | 11049-10 | Small angled serrated forceps |
Ground wire | A-M Systems | Lot# 582335 | Stainless steel bare wire, .005" diameter, annealed, 100 feet |
Hair removal gel | Generic | Commercially available | For pre-op removal of hair from top of mouse head |
Heat gun | Dewalt | D26960K | Tetrode fusion following spinning |
High temperature cautery kit | FST | 18010-00 | For use with bone wax if applicable |
Hot bead sterilizer | FST | 18000-45 | Electrical sterilization apparatus for ad hoc instrument sterilization during surgical procedures |
Isoflurane | Covetrus | 11695067771 | Standard isoflurane liquid anesthsia for use in isoflurane vaporizer to max 5% |
Isopropyl alcohol 91% | Generic | Commercially available | For standard pre-operative sterilization procedure |
Jewelry screw (bone screws for juvenile mice) | Component supply co. | MX-000120-02SFL | S/S machine screw #000-120 x 1/8'' filister head, slotted drive |
LaGrange scissors | FST | 14173-12 | Various |
Large polyimide tubing | Nordson medical | Lot # 13564 | Polyimide tubing- inner diameter 0.0071"; outer diameter 0.0115"; length 36" |
Liquid super glue | Loctite | 1365882 | Various steps |
Micro drill | Foredom | K.1070 | K.1070 high speed rotary micromotor kit; with control box, 3/32" collet, variable speed foot control, handpiece cradle; stereotactically fittable; 100–115 V use |
Micro drill burr (0.5 mm+) | FST | 19007-05/07/09 | Craniotomy |
Mineral oil | Sigma | Pcode 1002076577; M5904-500mL | Various steps |
Mineral oil | Sigma | Pcode 1002076577; M5904-500mL | For use keeping craniotomy holes open |
Miniature flathead screwdriver | FST | 30051-10 | Insertion/tightening of bone screws |
Neosporin Triple Antibiotic Ointment | Johnson & Johnson | 512373700 | Antibiotic ointment |
Omnetics 44 socket nano connector | Neuralynx | Neuralynx part #A70427-801 | NONSTANDARD ITEM- omnetics 44 socket (female) dual row straight leg nano connector with 2 guide pins (male) for use with custom-made counterbalance apparatus |
Platinum 10% iridium wire | California fine wire | MO# M374710 | Fine recording wire spun into tetrodes for use during recording by use of the terode assembly station and spinner 2.0 (see below); HML NATRL VG BOND COAT; SIZE .0007 X 200FT |
Platinum black plating solution | Neuralynx | Platinum black plating solution | Plating |
Polycarbonate cage bottom | Thomas Scientific/Maryland plastics | 1113M35; mfr. No. E0270 | Standard cage bottom; can be fitted with wire mesh apparatus over top that contains chow+water bottle for unimplanted mice |
Polycarbonate cage top with N10 micro filter | Ancare | N/A | Standard cage top to be modified with PVC pipe for counterbalance apparatus |
Povidone iodine 10% | Generic | Commercially available | For standard pre-operative sterilization procedure |
PVC pipe | Charlotte pipe | N/A | 1/2" x 600 PSI schedule 40 white PVC pipe; for use/assembly into counterbalance apparatus during mouse recovery |
Scalpel blades- #4 | FST | 10060-00 | Incision use |
Scalpel handle- #4 gross anatomy | FST | 10060-13 | Incision use |
Self-holding pin and bone screw forceps | FST | 26100-00 | Holder for bone and ground screws while inserting into skull |
Small EIB pins | Neuralynx | Small EIB pins | Attachment of tetrode wires to EIB board |
Small polyimide tubing | Nordson medical | Lot # 19102423 | Polyimide tubing- inner diameter 0.004''; outer diameter 0.0044''; length 36" |
SolidWorks | Dassault Systemes | SolidWorks | 3D CAD program for micro-drive design |
Spatula and probe | FST | 1090-13 | Applicator for petroleum jelly/mineral oil + optional use for ad hoc tetrode straightening |
Spring scissors- 8 mm | FST | 15024-10 | Scissors for cranial tissue incisions |
Spring scissors- 8 mm | FST | 15024-10 | Initial incisions |
Standard pattern forceps | FST | 11000-12 | Large serrated forceps |
Surgical scissors- sharp-blunt | FST | 14001-12 | Various |
Surgical scissors- ToughCut | FST | 14054-13 | Various |
Tetrode assembly station | Neuralynx | Tetrode assembly station | Tetrode Assembly |
Tetrode spinner 2.0 | Neuralynx | Tetrode spinner 2.0 | Tetrode Assembly |
Two-part epoxy | Gorilla brand | 4200102 | Various steps |