Summary

בניית הנעת Tetrode רב משופרת עבור הקלטת עצבית בקנה מידה גדול ב מתנהג חולדות

Published: May 09, 2018
doi:

Summary

אנו מציגים הבנייה של דחף ניתנים להדפסה תלת-ממד עם שמונה עשר tetrodes מתכווננות באופן עצמאי. הנעת מיועד להקליט את פעילות המוח באופן חופשי להתנהג חולדות על פני תקופה של מספר שבועות.

Abstract

לנטר את דפוסי הפעילות של אוכלוסייה גדולה של נוירונים ימים רבים בבעלי חיים ערה היא טכניקה ערך בתחום מדעי המוח מערכות. מרכיב מפתח אחד של טכניקה זו מורכבת את המיקום המדויק של אלקטרודות מרובות אזורים במוח הרצוי שמירה על היציבות שלהם. כאן, אנו מתארים את פרוטוקול לבנייה של דחף ניתנים להדפסה תלת-ממד, אשר כוללת 18 tetrodes מתכווננות באופן עצמאי, היא תוכננה במיוחד עבור ויוו חוץ-תאית עצבית הקלטה ב להתנהג בחופשיות חולדות. Tetrodes מצורף של microdrives ניתן גם בנפרד מתקדמים לתוך אזורים במוח מרובים לאורך המסלול, או יכול לשמש כדי למקם את מערך אלקטרודות לתוך אזור קטן יותר. Tetrodes מרובים מאפשרים בחינה סימולטני של action potentials מעשרות נוירונים בודדים, כמו גם פוטנציאל שדה מקומי של אוכלוסיות של נוירונים במוח במהלך התנהגות פעיל. בנוסף, העיצוב מספק עבור תלת-ממד פשוט ניסוח תוכנה שניתן לשנותו בקלות לצרכים ניסיוני שונות.

Introduction

בתחום מדעי המוח מערכות, מדענים חוקרים את ה”מפה עצבית שבבסיס תהליכים קוגניטיביים כגון ניווט מרחבי, זיכרון, קבלת החלטות. עבור אלה סוגים של מחקרים, חיוני כדי לפקח על הפעילות של נוירונים בודדים רבים במהלך התנהגות בעלי חיים. במהלך העשורים האחרונים, נעשו שתי מקדמות חשובים כדי לענות על הצרכים ניסיוני עבור הקלטת עצבית חוץ-תאית חיות קטנות1,2,3. בהתחלה היה הפיתוח של tetrode, חבילה של ארבעה microwires שישמשו להקלטת פעילות עצבית של נוירונים בו זמנית2,1,4. Amplitudes אות הפרש של פעילות על פני ארבעת הערוצים של tetrode מאפשר הבידוד של נוירון הפרט פעילות תאים בו זמנית מוקלטות רבים5. בנוסף, אופי גמיש microwires מאפשר יציבות גדול של tetrode מזעור העקירה היחסי בין tetrode של האוכלוסייה תא היעד. Tetrodes נמצאים כעת בשימוש נרחב במקום אלקטרודה אחת לחקר המוח רבים במינים שונים, לרבות מכרסמים1,2,6, פרימטים7חרקים8. שנית התפתחות דחף נשא מרובים tetrodes מטלטלין באופן עצמאי, אשר מאפשר ניטור בו זמנית של פעילות עצבית של אוכלוסיות גדולות של נוירונים מרובים הקלטה מיקומים3, 9,10,11,12.

הזמינות של מכשיר הקלטה אמינה ובמחיר של tetrode מרובה, לבעלי-חיים קטנים הוא מוגבל. חלל קלאסי, שפותחה לראשונה על ידי ברוס מקנוטון13, שימש בהצלחה להקלטות עצבית ב להתנהג בחופשיות חולדות במעבדות רבות בעבר שני עשורים9,10,14, 15. עם זאת, מסיבות טכניות, הרכיבים המקוריים הדרושים כדי לבנות את הכונן מקנוטון נמצאים כעת מאוד קשה להשיג, אינם תואמים עם נתונים משופרת לאחרונה רכישה ממשקים. העיצוב טוב מקובלים אחרים של הנעת מחייב את microdrives כדי להיות בעבודת יד, אשר יכול להניב תוצאות לא עקביות, צורכים זמן ניכר12. כדי להקליט את פעילות עצבית מאזורים שונים של המוח בחולדות להתנהג, פיתחנו דחף חדש בטכנולוגיית stereolithographic. חיפשנו לספק את הדרישות הבאות: (1) העל החדש חייב לאפשר תזוזה מדויקת של tetrodes במוח ומספקים הקלטה יציבה של אזורים מרובים היעד; (2) העל החדש חייב להיות תואם עם מערכת quickclip מגנטית שפותחה לאחרונה כדי לאפשר חיבור קל; (3) העל החדש שניתן להפיק באופן מדויק עם חומרים זמינים בקלות. כאן, אנו מספקים שיטה לבניית העל ניתנים להדפסה תלת-ממד המכיל 18 tetrodes מטלטלין באופן עצמאי, בהתבסס על העיצוב מקנוטון. בפרוטוקול, נתאר את הפרטים של תהליך ייצור של חלל חדש, שבו השתמשנו בהצלחה שיא פוטנציאל פעולה בודדת-נוירון, פוטנציאל שדה מקומי של cortices postrhinal ואת המדיאלי entorhinal בשבועות ב בחופשיות מתנהג חולדה במהלך משימות הרעיה טבעי.

Protocol

1. Stereolithography של דגמי תלת-ממד השתמש stereolithographic טכניקות כדי להדפיס את העל-חלל חלקים ואביזרים. כל חלל מורכב הסעות שמונה עשרה, שמונה עשרה המעבורת בריחים, וכל אחד של כל חתיכות פלסטיק אחרים (איור 1).הערה: האביזרים אינם חלק העל אך נחוצים לבניית מנוע העל-חלל. 2. ה…

Representative Results

השתמשנו דחף החדש שנבנה כדי להשיג תוצאות הניסוי. הכונן היה מצויד tetrodes בנוי ø 17 מיקרומטר (0.0007″), חוט מצופה פוליאימיד פלטינה-אירידיום (90% – 10%). קצות tetrodes מצופים בפתרון פלטינה שחור כדי להפחית impedances אלקטרודה אל בין kΩ 100 ו 200-1 kHz. הנעת הושתל 4.6 מ מ שמאל של האמצע ו- 0.5 מ מ והשתרשה עמוק בל…

Discussion

כאן, אנו מתארים את התהליך של בניית דחף פיתח מורכבת 18 tetrodes מטלטלין באופן עצמאי. ניתן לבנות את הכונן מחלקים במחיר סביר לרכוש בחנויות רבות זמין חומרה, בשילוב עם רכיבים שנוצרו על-ידי הדפסת stereolithographic. הנעת יכול להיות קטנטנים באופן כרוני על הגולגולת של עכברוש באמצעות הליכים כירורגיים סטנדרטיים, …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

אנו מודים המעבדה Moser במכון נאוולי עבור מערכות Neuroscience ומרכז לחישוביות עצבית, אוניברסיטת הנורבגית של מדע וטכנולוגיה, עבור הכרוני עצבית הקלטה הליכים בחולדות. עבודה זו נתמכה על ידי מענק-NIH R21 NS098146, האדם הגבול המדע תוכנית ארוך טווח מלגת LT000211/2016-L לל’ Lu.

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

  1. O’Keefe, J., Recce, M. L. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus. 3 (3), 317-330 (1993).
  2. Wilson, M. A., McNaughton, B. L. Dynamics of the hippocampal ensemble code for space. Science. 261 (5124), 1055-1058 (1993).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).
  6. Fyhn, M., Hafting, T., Witter, M. P., Moser, E. I., Moser, M. B. Grid cells in mice. Hippocampus. 18 (12), 1230-1238 (2008).
  7. Skaggs, W. E., et al. EEG sharp waves and sparse ensemble unit activity in the macaque hippocampus. J Neurophysiol. 98 (2), 898-910 (2007).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Leutgeb, S., et al. Independent codes for spatial and episodic memory in hippocampal neuronal ensembles. Science. 309 (5734), 619-623 (2005).
  11. 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).
  12. Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: drive fabrication. J Vis Exp. (26), (2009).
  13. . Google Patents Available from: https://www.google.com/patents/US5928143 (1999)
  14. Redish, A. D., et al. Independence of firing correlates of anatomically proximate hippocampal pyramidal cells. J Neurosci. 21 (5), RC134 (2001).
  15. 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).
  16. Nguyen, D. P., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly. J Vis Exp. (26), (2009).
  17. 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).
  18. Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. J Vis Exp. (61), e3568 (2012).
  19. 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).
  20. 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).
  21. . Google Patents Available from: https://www.google.com/patents/US4575330 (1986)
  22. 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).

Play Video

Cite This Article
Lu, L., Popeney, B., Dickman, J. D., Angelaki, D. E. Construction of an Improved Multi-Tetrode Hyperdrive for Large-Scale Neural Recording in Behaving Rats. J. Vis. Exp. (135), e57388, doi:10.3791/57388 (2018).

View Video