בניית הנעת Tetrode רב משופרת עבור הקלטת עצבית בקנה מידה גדול ב מתנהג חולדות
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
Representative Results
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
- 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).
