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.
마우스, 뮤스의 musculus의 생리 학적 연구의 수는, 마이크로 해부 및 질병 모델링 대상으로 유전 적 방법의 성장을 병렬, 최근 급증을 경험하고있다. optogenetics의 도입은, 예를 들어, 전례가없는 시간 해상도에서 유전자 식별 뉴런의 양방향 조작 할 수있었습니다. 이러한 도구 활용 및 뇌의 미세 회로 사이의 역동적 인 상호 작용에 대한 통찰력을 얻으려면, 그것은 하나가 모두 머리를 고정하고 자유롭게 행동 준비에 깊은이 작은 설치류의 뇌에서 뉴런의 앙상블에서 기록 할 수있는 능력을 가지고하는 것이 필수적이다. 깊은 구조와 별개의 세포 층에서 기록하려면 원하는 뇌 영역으로 전극의 정확한 발전을 할 수있는 준비가 필요합니다. 신경 앙상블을 기록하기 위해서는, 각각의 전극은 neighb을 남기고 각 셀을 해결하기 위해 실험을 가능하게 독립적으로 이동 가능하게 할 필요가있다or 연산 전극 방해받지. 자유롭게 행동 마우스에 두 가지를 모두 수행하려면, 가볍고 탄력, 특정 뇌 구조를 대상으로 고도로 사용자 정의 할 수 있습니다 전극 드라이브가 필요합니다.
개별적으로 정의하고 쉽게 시중에서 판매하는 부품으로 조립 아르 마이크로 드라이브 전극 배열을 설계하고 소형, 초경량 무게를 제조하는 기술이 제공된다. 이 장치는 쉽게 확장하고 구조가 표적이되고 사용자 정의 할 수 있습니다; 그것은 자연적인 행동을하는 동안 자유롭게 행동 동물에서 시상과 대뇌 피질의 영역에서 기록하기 위해 성공적으로 사용되어왔다.
뮤스의 musculus 신속 유전자 식별 뉴런의 마이크로 수준의 해부와 인간의 질병의 마우스 모델을 연구에 관심이 생리에 대한 선택의 동물 모델이 때문에 유전 취급 용이성에있다. 예를 들어, optogenetic 및 화학 유전 액츄에이터 등의 원인 유전자 도구, 최근 도입 experimentalists 행동 1-4에서 확인 된 신경 회로의 필요성과 충분 성을 테스트 할 수있다. 재조합 유전자 변형 마우스 드라이버 라인 (Cre 호텔 라인)의 넓은 가용성은이 실험 5 마우스의 값을 추가, 신경 세포 아형을 대상으로하는 실험 용이성을 증폭하고있다.
마찬가지로, 스크린 및 유전 일반적인 신경 및 정신 장애의 게놈 넓은 협회 뇌 질환 6,7 유전 위험 인자의 식별을 용이하게했다. 성장과 함께 이러한 발전,유전자 조작 생쥐에서 유전자 공학을위한 도구 상자, 그것은 인간의 질병을 모델링에 대한 선택의 유기체 만들었습니다. 질병 모델과 인과 유전 툴 조합 뇌 질병을 이해하고 중재 회로 레벨 타겟을 식별하기위한 전례없는 기회를 제공한다.
완전히 이러한 분자 도구를 활용하고 건강과 질병에서 마이크로 기능에 대한 통찰력을 얻으려면, 그것은 두뇌 활동의 생리 학적 판독 값과 함께 몇 가지를 필수적이다. 이상적으로, 실험은 단일 셀 해상도를 유지하면서, 뉴런의 큰 수를 모니터링 할 수있을 것이다. 자유롭게 행동 동물 세포, 다중 전극 녹음 같은 기회를 제공한다; 그러나, 마우스에서이 기술의 사용이 제한되어왔다. 작은 타겟 (예를 들면, 해마 CA1 층)에서 기록하려면, 가변 전극의 사용은 다음과 같은 기록 surgic 전극의 작은 움직임 등 필요알 주입 불가능한 기록 8,9 안정성을 유지할 수 있도록. 전통적으로, 마우스를 사용할 때 뇌 내의 전극 중량 제한을 부과 이동 채용 한 방법은,이 유기체의 동작과 뉴런의 다수의 쌍은 기록에 도전하기.
여기에서, 방법은 개별적으로 optogenetics 호환 표적이되고 뇌 영역에 사용자 정의 할 수 있습니다 소형, 초경량, 미세 전극 배열을 제조 도입하고, 쉽게 시중에서 판매하는 부품으로 조립. 다중 전극 "하이퍼 드라이브"의 각 "마이크로 드라이브는"나사에서 토크를 상쇄 할 수있는 하이퍼 드라이브를 본체에 내장 된 전극과 플라스틱 레일을 진행하는 스프링과 나사 메커니즘을 활용합니다. 우선, 3 차원 CAD 인쇄 프로그램에 하이퍼 드라이브기구와 마이크로 드라이브를 설계하는 과정에 대하여 설명한다. 사용자 정의 아르 하이퍼 드라이브의 몸을 디자인하여구체적인 구조에 대해, 그것의 타겟팅 정확성을 증가시키고, 상기 제조의 수율을 증가시킬 수있다. 둘째로, 제조 공정은 다중 전극 배열이 시판 부분에서 손으로 조립되는 것을 특징으로 세부 설명한다. 이 기술은 자연 먹이를 찾아 다니는 및 조작 적 작업 동안 자유롭게 행동 동물의 해마, 시상과 피질 뉴런의 앙상블 기록, 성공적으로 사용되어왔다.
이 프로토콜은 마우스에서 하나 또는 여러 개의 뇌 영역을 타겟팅 초경량 마이크로 드라이브 어레이를 구축하는 과정을 설명합니다. 건축물의 최종 단계 후에, 하이퍼 드라이브는 표준 외과 이식 기술을 사용하여 이식하고 치과 시멘트와 마우스의 두개골에 부착 될 준비가된다. 마우스를 손으로 구속되어있는 동안 포스트 주입, 전극은 각각 독립적으로 작은 드라이버를 사용하여 전진 할 수 있습니다. 각 전극의 진보는 나사의 피치에 의해 결정된다 턴에 거리입니다. 반 및 분기 턴이 높은 해상도를 사용할 수 수 있지만 여기에 언급 된 나사를 사용하면, 각 전극에게 차례 당 약 150mm를 진행한다.
도 1b에서의 스케치의 치수는 임플란트의 전체 크기를 결정하기 때문에, 양방향으로 임플란트를 확장하는 확실한 방법은 그 임계 스케치 사이즈를 변경하는 것이다. 또한, 일나사의 길이는 전자 깊은 뇌 구조를 대상으로 확장 될 수있다. 그 빛과 강철보다 덜 취성으로 우리는 사용자 정의, 티타늄 나사를 만든 것이 좋습니다. antitorque 레일 스크류 길이와 선형 적으로 확장 할 필요가 있고,이 시점에서, 우리는 이러한 구조가 인쇄 될 수있는 최대 길이를 측정하지 않았 음을주의한다. 다양한 뇌 영역을 대상으로, 바닥 부분의 형상이 변형 될 수있다. 알려진 크기의 와셔 (두께 200 μm의)의 추가 (예, 해마와 전두엽 피질에) 별도의 뇌 구조를 대상으로 폴리이 미드 사이에 필요한 스페이서를 제공 할 수있다. 이러한 하부 피스 조립 단계에 포함하고, 에폭시가 경화 후 나중에 절단 할 수있다.
이 디자인의 큰 제한은 독점 소프트웨어 (이 경우 솔리드 웍스)에 대한 의존도이다. 최소한의 엔지니어링 backg에와 같은 장비를 설계에 도움이되는 사용자 친화적 인 인터페이스를 제공하는 오픈 소스 프로그램의 개발을 통해 향후라운드는 신경 과학 지역 사회에 엄청난 도움이 될 것입니다.
이 방법은 기존의 방법에 비해 여러 가지 장점을 제공한다. 먼저, 설계는 거의 스케치 (도 1)에 의존하는 단순하다. 둘째, 그 조립체 내로 갈 치과 용 시멘트 또는 중량물이 필요없는 초경량이다. 유사한 기능의 상업적으로 이용 가능한 임플란트의 무게의 거의 세 번째 – 전체적으로 약 1.7 g 무게. , 임플란트 본체가 여러 소스에서 3D 프린트 할 수 있습니다 (예를 들어 approto.com에 대한,하지만 몇 가지 다른 사람이 있습니다) – 셋째, 수 있도록 더 전문 장비를 필요로하지 않는다 나사가 정의 (예 antrinonline.com 위해) 할 수있다; 스프링은 (예를 들어 leesprings.com 용) 시판되고; 결과적으로, 전체 조립 과정은 하루에 일어날 수있다. 마지막으로,이 임플란트는 자연 먹이를 찾아 다니는 동안 여러 뇌 영역에서 기록하는 데 사용 된, 구조화 된 행동 작업과 수면 (그림5).
이 방법의 미래 응용 프로그램의 확장 성을 구현하는 것을 포함한다. 이는 임플란트가 양방향)을 변경 한 것만으로도 1b의 스케치 패터닝 마이크로 드라이브 소켓 (도 1D)의, 2) 수의 크기를 확장 할 수있는 가능성이있다. 예를 들면, 초기 개발에서 자유롭게 행동 쥐에서 레코드로 하향 조정하고, 쥐, 토끼, 흰 족제비 아마도 인간이 아닌 영장류에서 기록 위쪽으로 확장 할 수 있습니다.
마지막 단어는 설명 방법의 성공적인 구현에 중요한 그들이 부착 된 설계 파일을 .STL하기 위해 구현 수정 프로토 타입을하는 독자를 생각 나게하는 것입니다. 독자는 첨부 된 디자인이 "그림 8"antitorque 레일이 포함되어 있는지, 예를 들어 알 수 있습니다. 이것은 종종 우리가이 구멍을 드릴 필요가있다으로, 3D 프린팅의 한계 주어진 최고의 디자인 수 있었다. 그것은 원형 일 수있는 것은 COMP는 것romise 안정성하지만 정사각형 갖거나 각진 모양이 시추에 의해 3D 인쇄 결함을 해결 할 수있는 능력을 제한 할 것이다.
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 |