لاسلكيه الكهربائية تسجيل الخلايا العصبية من قبل Tetrodes المنقولة في بحريه السباحة الأسماك
Summary
يتم تقديم تقنيه لاسلكيه جديده لتسجيل الإشارات العصبية خارج الخلية من الدماغ من السباحة بحريه ذهبيه. يتكون جهاز التسجيل من اثنين من tetrodes ، ميكرودرايف ، مسجل البيانات العصبية ، وحاله للماء. جميع أجزاء هي مخصصه الصنع باستثناء مسجل البيانات وموصل لها.
Abstract
أليات العصبية التي تحكم سلوك الأسماك لا تزال غير معروفه في معظمها ، علي الرغم من ان الأسماك تشكل غالبيه جميع الفقاريات. القدرة علي تسجيل نشاط الدماغ من الأسماك تتحرك بحريه من شانه ان يدفع البحوث علي الأساس العصبي للسلوك الأسماك إلى حد كبير. وعلاوة علي ذلك ، فان التحكم الدقيق في موقع التسجيل في الدماغ أمر بالغ الاهميه لدراسة النشاط العصبي المنسق عبر المناطق في دماغ السمك. هنا ، نقدم تقنيه التي تسجل لاسلكيا من الدماغ من الأسماك السباحة بحريه في حين السيطرة علي عمق موقع التسجيل. ويستند النظام علي مسجل العصبية المرتبطة بزرع جديده متوافقة مع المياه التي يمكن ضبط موقع التسجيل بواسطة tetrodes التي تسيطر عليها microdrive. وتتجلى قدرات النظام من خلال تسجيلات من الدماغ الذهبي.
Introduction
الأسماك هي المجموعة الأكبر والأكثر تنوعا من الفقاريات ، ومثل الفقاريات الأخرى انها تظهر القدرات المعرفية المعقدة مثل التنقل ، والتنشئة الجماعية ، والنوم ، والصيد ، الخ. ومع ذلك ، تبقي أليات العصبية التي تحكم سلوك الأسماك بالنسبة للجزء الأكبر غير معروف.
في العقود القليلة الماضية ، تم تنفيذ التسجيلات خارج الخلية من الأسماك المعباه في المقام الأول للتحقيق في جوانب مختلفه من الأساس العصبي للسلوك1،2. علي الرغم من ان هذا الأسلوب هو المناسب لبعض النظم الحسية ، والتحقيق في الطيف الكامل للأساس العصبي للسلوك من الصعب ان لم يكن من المستحيل في الحيوانية المعباه. وشملت التطورات الاولي تسجيل من الخلايا mauthner من السباحة المربوطة الأسماك3,4. مهما, [موتنر] خلايا بشكل غير متناسب كبيره وال يسجل عمل احتمال اتساع, اي يستطيع ذهبت مثل عال بما ان قليل من [مف], يسهل تسجيل. وفي وقت لاحق ، وصف كانفيلد وآخرون دليلا علي المفهوم عند استخدام الحيوانية المربوطة لتسجيل من الدماغ الدماغي من الأسماك5. آخر تقنيه حديثه لتسجيل النشاط العصبي من الأسماك هو تصوير الكالسيوم (راجع التعليقات من قبل Orger و de Polavieja6، و Vanwalleghem et al.7). تم تطوير هذه التقنية للاستخدام مع اليرقات الزكية لان الجلد والجمجمة شفافة خلال مرحله اليرقات. ومع ذلك ، لا يمكن استخدام هذه التقنية لدراسة السلوكيات المعقدة في مراحل لاحقه من التطوير.
هنا ، نقدم تقنيه جديده لتسجيل النشاط العصبي خارج الخلية من أدمغه اسماك السباحة بحريه. وهذه صيغه معدله للبروتوكول الموصوف في فينيبينسكي وآخرون8. الابتكار الرئيسي هو أضافه microdrive الذي يجعل من الممكن للسيطرة علي موقف الأقطاب بعد الجراحة. تم تصميم هذه التقنية للتسجيل من الدماغ من السمك الذهبي باستخدام مجموعه من tetrodes التي ترتبط بمسجل البيانات العصبية عبر microdrive. الاعداد بأكمله هو لاسلكيه والراسية إلى جمجمة السمكة. الوزن النوعي للنظام يعادل الوزن الخاص بالماء عن طريق أضافه تعويم صغير يسمح للأسماك بالسباحة بحريه.
وتستند هذه التقنية علي استخدام مسجل البيانات العصبية التي تضخيم ، digitizes ، ويخزن الاشاره في جهاز الذاكرة علي متن الطائرة. يتم استخدام نظام القياس عن بعد المسجل لبدء ووقف التسجيلات ، وللمزامنة مع كاميرا الفيديو. في هذا البروتوكول ، يتم استخدام مسجل العصبية 16 قناه ، وجزءا لا يتجزا من مربع للماء مع ميكرودرايف.
يتم تصنيع التجمع microdrive من اثنين من المكونات الرئيسية: microdrive نفسها والإسكان microdrive (الشكل 1ا ، ب). السكن يحمل microdrive و tetrodes ، وأيضا بمثابه مرساه بين الجمجمة وصندوق المسجل (الشكل 1ج). هو ملفقه مربع المسجل PVC باستخدام عمليه اله ومختومه باستخدام O-حلقه (الشكل 1E-G، انظر أيضا الشكل التكميلي 1، الشكل التكميلي 2، والشكل التكميلي 3 لرسم تخطيطي ثلاثي الابعاد [3d]). في نهاية واحده ، يتم إرفاق قطعه من رغوة البوليسترين إلى مربع المسجل للتعويض عن وزن الزرع وتوفير الأسماك مع زرع الطفو محايده. بناء microdrive الموصوفة في البروتوكول يتبع الاجراء الذي قدمه Vandecasteele et al.9 مع تعديل لإرفاق microdrive إلى السكن (الشكل 1ا). وتقدم جميع الخطوات الرئيسية.
والاجراء الموصوف في البروتوكول لاعداد جمجمة السمكة مماثل للاجراء الوارد في فينيبينسكي وآخرون8 ويرد وصفه بإيجاز في البروتوكول. بعد يوم واحد من الجراحة ، يتم استرداد الأسماك بشكل كامل من اثار التخدير وتكون جاهزه للتجارب السلوكية. لاحظ انه يمكن تعديل الموقع تيركب عن طريق تحويل المسمار microdrive. المسمار لديه تباعد من 300 μm لكل دوران كامل والتقدم من 75 μm ينصح حتى يتم الوصول إلى موقع الدماغ المستهدف. وينبغي استشاره أطلس الدماغ المناسبة لاستهداف منطقه الدماغ محدده من الفائدة. فانه من المستحسن لاختبار معاوقه القطب في كل مره يتم تخدير الأسماك للبطارية أو استبدال بطاقة الذاكرة.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويفصل هذا البروتوكول الخطوات التي ينطوي عليها غرس صفيف التيركب في الدماغ الذهبي للسباحة بحريه. هذه التقنية تنفذ المسجل العصبي الذي يضخم ويسجل الإشارات المكتسبة من ما يصل إلى 16 قنوات جنبا إلى جنب مع microdrive التي يمكن ضبط موقف تيركب في الدماغ. Microdrive يجعل من الممكن لضبط الموقف في الدماغ لتحسين …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونحن ممتنون ل ناشوم اولانوفسكي وأعضاء مختبر اولانوفسكي لكل مساعدتهم. الاضافه إلى ذلك ، ونحن ممتنون لتل نوفوبلانسكي-Tzur للمساعدة التقنية المفيدة. ونحن نعترف بامتنان بالدعم المالي من البرنامج الأول للمؤسسة العلمية الاسرائيليه (المنحة رقم 281/15) ، وصندوق هيلمسلي الخيري من خلال مبادرة الروبوتات الزراعية والبيولوجية والمعرفية لجامعه بن غوريون في النقب.
Materials
| 0.7 mm round drill bits | Compatible with the drill. | ||
| 15-blade Scalpel | Sigma-Aldrich | ||
| 16 channel PCB board | Neurlynx | EIB-16 | |
| 1X3M phillips flat head screws | Stainless steel. Any type. | ||
| 1X3M phillips round head screws | Stainless steel. Any type. | ||
| 27 cm X 19 cm X 1 mm brass plate | See Figure 2 | ||
| 2X6M phillips flat head screws | Stainless steel. Any type. | ||
| 3140 RTV coating | Dow Crowning | 2767996 | |
| 75 µm Silver wire | A-M Systems | ||
| Brass machine screws #00-90 | 947-1006 | ||
| Brass plates 7.5mm X 2.5mm X 0.6mm | A 3D drawing is provided. See supplementary 1 | ||
| Coated Tungsten wire 25µm | California Fine Wire Company | 5000160 | Depending on the appication the tetrodes can be fabricated from any type of wire. Popular wires are nicrome wires that can be found with lower diameters (eg. A-M systems, 762000) |
| Coated Tungsten wire 50µm | A-M Systems | 795500 | Can be replaced with any other wire with low impedance |
| Cyanoacrilic glue | |||
| Dental Burnisher | ComDent UK | Any small sterille stainless-still tool will do. | |
| Dental cement – GCFujiPLUS | GC | 431011 | Other dental cements would probably will work as well although we have never tried any other. |
| Dental drill or nail polish drill | Dental drills are expensive, a nail polish drill can be a cheap replacement. | ||
| Drill bit #65 | 947-65 | ||
| Fast curing epoxy | Any 5 minutes curing epoxy can be used here. | ||
| Logger box with O-ring sealing | A 3D drawing is provided. See supplementary 1-3. The box should be machine fabricated (do not use 3D printers). Use transperant material, to be able to see the indicator LEDs on the logger. | ||
| Motorized turning device | Custom made as described in "open ephys" website. Can also be purchusaed from neurolynx ("Tetrode Spinner 2.0") or bulit by other means. | ||
| Mouselog-16 Neural logger | Deuteron Technologies Ltd | There are several neural loggers available on the market, including: SpikeGadget (UH32 32channels) and Neurologger 2/2A/2B of Alexei Vyssotski. It should be noted that weight is not a major contraint since it can be counterbalanced with floating Styrofoam | |
| MS-222 | Sigma Aldrich | E10521 | Ethtl 3-aminobenzoate methanesulfonate 98% |
| Nano-Z plating | White Matter LLC | The nano-Z can be bought from several supllieres. Any impedance meter can be used, e.g. IMP-1 / 6662 / 2788, BAK Electronics. | |
| PCB pins | Neurlynx | Neuralynx EIB Pins | |
| Polymide tubing 250µm | A-M Systems | 822000 | |
| Rechargable battery | 3.7 Lipo battery, 370 mAh. Holds about 6 hours of recording. Smaller or larger battries can be used to reduce the weight or extend recording time. | ||
| Silicone tubing 0.64 mm | A-M Systems | 806100 | |
| Stainless steel 1.5 mm | A-M Systems | 846000 | |
| Sudium Bicarbonate | Sigma Aldrich | S9625 | |
| Tap #00-90 | 947-1301 | ||
| Vaseline | Any type of soft petroleum skin protectant can be used here. |
References
- Jacobson, M., Gaze, R. M. Types of visual response from single units in the optic tectum and optic nerve of the goldfish. Quarterly Journal of Experimental Physiology and Cognate Medical Sciences. 49 (2), 199-209 (1964).
- Ben-Tov, M., Donchin, O., Ben-Shahar, O., Segev, R. Pop-out in visual search of moving targets in the archer fish. Nature Communications. 6, 6476 (2015).
- Zottoli, S. J. Correlation of the startle reflex and Mauthner cell auditory responses in unrestrained goldfish. Journal of Experimental Biology. 66 (1), 243-254 (1977).
- Canfield, J. G., Rose, G. J. Activation of Mauthner neurons during prey capture. Journal of Comparative Physiology A. 172 (5), 611-618 (1993).
- Canfield, J. G., Mizumori, S. J. Methods for chronic neural recording in the telencephalon of freely behaving fish. Journal of Neuroscience Methods. 133 (1-2), 127-134 (2004).
- Orger, M. B., de Polavieja, G. G. Zebrafish behavior: opportunities and challenges. Annual Review of Neuroscience. 40, 125-147 (2017).
- Vanwalleghem, G. C., Ahrens, M. B., Scott, E. K. Integrative whole-brain neuroscience in larval zebrafish. Current Opinion in Neurobiology. 50, 136-145 (2018).
- Vinepinsky, E., Donchin, O., Segev, R. Wireless electrophysiology of the brain of freely swimming goldfish. Journal of Neuroscience Methods. 278, 76-86 (2017).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. JoVE (Journal of Visualized Experiments). (61), e3568 (2012).
- Ferguson, J. E., Boldt, C., Redish, A. D. Creating low-impedance tetrodes by electroplating with additives. Sensors and Actuators A: Physical. 156 (2), 388-393 (2009).
- Arcot Desai, S., Rolston, J. D., Guo, L., Potter, S. M. Improving impedance of implantable microwire multi-electrode arrays by ultrasonic electroplating of durable platinum black. Frontiers in Neuroengineering. 3, 5 (2010).
- Lewicki, M. S. A review of methods for spike sorting: the detection and classification of neural action potentials. Network: Computation in Neural Systems. 9 (4), R53-R78 (1998).
- Teixeira, F. B., Freitas, P., Pessoa, L. M., Campos, R. L., Ricardo, M. Evaluation of IEEE 802.11 underwater networks operating at 700 MHz, 2.4 GHz and 5 GHz. Proceedings of the 10th International Conference on Underwater Networks & Systems. , (2015).
- Sendra, S., Lloret, J., Rodrigues, J. J., Aguiar, J. M. Underwater wireless communications in freshwater at 2.4 GHz. IEEE Communications Letters. 17 (9), 1794-1797 (2013).
- Lloret, J., Sendra, S., Ardid, M., Rodrigues, J. J. Underwater wireless sensor communications in the 2.4 GHz ISM frequency band. Sensors. 12 (4), 4237-4264 (2012).
- Hoogerwerf, A. C., Wise, K. D. A three-dimensional microelectrode array for chronic neural recording. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 41 (12), 1136-1146 (1994).
- Harris, K. D., Quiroga, R. Q., Freeman, J., Smith, S. L. Improving data quality in neuronal population recordings. Nature Neuroscience. 19 (9), 1165 (2016).
