Bau eine verbesserte Multi-Tuberkuloseinfektion Hyperdrive für groß angelegte neuronalen Aufnahme in Ratten Verhalten
Summary
Wir präsentieren den Bau einer 3D-druckbare Hyperdrive mit achtzehn unabhängig voneinander einstellbare Tetroden. Der Hyperdrive soll Hirnaktivität in frei Verhalten Ratten über einen Zeitraum von mehreren Wochen aufnehmen.
Abstract
Überwachung die Aktivitätsmuster einer großen Population von Neuronen über viele Tage wach Tiere ist eine wertvolle Technik auf dem Gebiet der Neurowissenschaften Systeme. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Technik besteht aus präzise Platzierung von mehreren Elektroden in gewünschten Gehirnregionen und die Wartung für ihre Stabilität. Hier beschreiben wir ein Protokoll für den Bau einer 3D-druckbare Hyperdrive, die achtzehn unabhängig voneinander einstellbare Tetroden umfasst, und ist speziell für in Vivo extrazelluläre neuronalen Aufnahme in Ratten frei verhält. Die Tetroden befestigt, der Microdrives können entweder einzeln in mehreren Hirnregionen entlang der Strecke vorgeschoben werden, oder können verwendet werden, um eine Reihe von Elektroden in einem kleineren Bereich zu platzieren. Mehrere Tetroden ermöglichen eine gleichzeitige Untersuchung von Action potentials aus Dutzenden von einzelnen Neuronen sowie lokales Feld Potenziale von Populationen von Neuronen im Gehirn während aktives Verhalten. Darüber hinaus bietet das Design für einfachere 3D Entwurf Software, die leicht für die unterschiedlichen experimentellen Bedürfnissen geändert werden kann.
Introduction
Auf dem Gebiet der Neurowissenschaften Systeme untersuchen die Wissenschaftler die neuronalen Korrelate kognitive Prozesse wie räumliche Navigation, Speicher und Entscheidungsfindung. Für diese Arten von Studien ist es wichtig, die Aktivität von vielen einzelnen Neuronen während Tierverhalten zu überwachen. In den letzten Jahrzehnten haben zwei wichtige Fortschritte erzielt worden, für die experimentelle Anforderungen für extrazelluläre neuronalen Aufnahme in Kleintiere1,2,3. Zuerst war die Entwicklung der tuberkuloseinfektion, ein Bündel von vier Microwires verwendet, um die neuronale Aktivität von Neuronen gleichzeitig aufnehmen1,2,4. Die Differenz-Signal Amplituden der Aktivität über die vier Kanäle von einer tuberkuloseinfektion ermöglicht die Isolation der einzelnen Neuronenaktivität von vielen gleichzeitig aufgezeichnete Zellen5. Darüber hinaus ermöglicht die flexible Art der Microwires größeren Stabilität der tuberkuloseinfektion die relative Verschiebung zwischen der Tetrode und der Ziel-Zell-Population zu minimieren. Tetroden sind jetzt anstatt einer einzigen Elektrode für viele Gehirn Studien in verschiedenen Arten, darunter Nagetiere1,2,6, Primaten7und Insekten8verbreitet. Zweitens die Entwicklung von einem Hyperdrive trug mehrere unabhängig voneinander bewegliche Tetroden, die ermöglicht die gleichzeitige Überwachung der neuronalen Aktivität von größeren Populationen von Neuronen aus mehreren Aufnahme Standorte3, 9,10,11,12.
Die Verfügbarkeit von eine zuverlässige und kostengünstige Multi-tuberkuloseinfektion Aufnahmegerät für Kleintiere ist begrenzt. Die klassische Hyperdrive, ursprünglich entwickelt von Bruce McNaughton13, erfolgreich eingesetzt für neuronale Aufnahmen in frei Verhalten Ratten in vielen Labors in den vergangenen zwei Jahrzehnten9,10,14, 15. jedoch aus technischen Gründen die ursprünglichen Komponenten benötigt, um das Laufwerk McNaughton bauen sind jetzt sehr schwer zu bekommen und sind nicht kompatibel mit vor kurzem verbesserten Datenschnittstellen Erwerb. Die anderen gut angenommene Gestaltung Hyperdrive erfordert Microdrives, einzeln von Hand gefertigt werden, die inkonsistenten Ergebnissen und verbrauchen viel Zeit12könnte. Um die neuronalen Aktivität von verschiedenen Hirnregionen im Verhalten Ratten zu erfassen, haben wir eine neue Hyperdrive köraform Technologie entwickelt. Wir versucht, die folgenden Anforderungen erfüllen: (1) die neue Hyperdrive muss ermöglichen präzise Verschiebung des Tetroden im Gehirn und stabile Aufnahme von mehreren Zielregionen; (2) der neue Hyperdrive muss mit dem magnetischen Quickclip-System vor kurzem entwickelt, um einfache Anbindung kompatibel sein; (3) die neue Hyperdrive mit leicht verfügbaren Materialien exakt reproduziert werden kann. Hier bieten wir eine Technik für den Aufbau der 3D-druckbare Hyperdrive mit achtzehn unabhängig voneinander beweglichen Tetroden, basierend auf dem McNaughton Design. Im Protokoll, beschreiben wir die Details der Herstellung des neuen Hyperdrive, die wir erfolgreich über Wochen in Rekord Single Neuron Aktionspotentiale und lokales Feld Potentiale von postrhinal und medialen entorhinalen Cortex benutzt, ein frei Ratte zu Verhalten, während natürliche Futtersuche Aufgaben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier beschreiben wir den Prozess des Aufbaus einer neu entwickelten Hyperdrive bestehend aus achtzehn unabhängig voneinander beweglichen Tetroden. Das Laufwerk kann von günstigen Teile gekauft viele verfügbare Baumarkt, kombiniert mit Komponenten erstellt von köraform Druck aufgebaut werden. Der Hyperdrive kann auf eine Ratte in den Schädel mit standard Operationsverfahren chronisch implantiert werden und ist in der Lage, die extrazellulären neuronalen Aktivität aufzeichnen, während das Tier verschiedene Verhalte…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken der Moser-Lab am Kavli Institute für Systeme Neurologie und Zentrum für Neural Computation, Norwegian University of Science and Technology, für die chronische neuronalen Aufnahme Verfahren bei Ratten. Diese Arbeit wurde von NIH Grant R21 NS098146 und Human Frontier Science Programm Long-Term Fellowship LT000211/2016-L, L. Lu unterstützt.
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 |
References
- O’Keefe, J., Recce, M. L. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus. 3 (3), 317-330 (1993).
- Wilson, M. A., McNaughton, B. L. Dynamics of the hippocampal ensemble code for space. Science. 261 (5124), 1055-1058 (1993).
- 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).
- 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).
- Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).
- Fyhn, M., Hafting, T., Witter, M. P., Moser, E. I., Moser, M. B. Grid cells in mice. Hippocampus. 18 (12), 1230-1238 (2008).
- Skaggs, W. E., et al. EEG sharp waves and sparse ensemble unit activity in the macaque hippocampus. J Neurophysiol. 98 (2), 898-910 (2007).
- 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).
- 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).
- Leutgeb, S., et al. Independent codes for spatial and episodic memory in hippocampal neuronal ensembles. Science. 309 (5734), 619-623 (2005).
- 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).
- Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: drive fabrication. J Vis Exp. (26), (2009).
- . Google Patents Available from: https://www.google.com/patents/US5928143 (1999)
- Redish, A. D., et al. Independence of firing correlates of anatomically proximate hippocampal pyramidal cells. J Neurosci. 21 (5), RC134 (2001).
- 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).
- Nguyen, D. P., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly. J Vis Exp. (26), (2009).
- 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).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. J Vis Exp. (61), e3568 (2012).
- 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).
- 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).
- . Google Patents Available from: https://www.google.com/patents/US4575330 (1986)
- 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).
