Draadloze elektrofysiologische opname van neuronen door beweegbare Tetrodes in vrij zwem vissen

Vissen zijn de grootste en meest diverse groep gewervelde dieren, en net als andere gewervelde dieren vertonen ze complexe cognitieve vaardigheden zoals navigeren, socialiseren, slapen, jagen, enz. Niettemin, de neurale mechanismen voor het gedrag van de vis blijven voor het grootste deel onbekend.

In de afgelopen decennia zijn extracellulaire opnames van geïmmobiliseerde vis voornamelijk geïmplementeerd om verschillende aspecten van de neurale basis van gedrag^1,2te^onderzoeken. Hoewel deze techniek geschikt is voor sommige sensorische systemen, is onderzoek naar het volledige spectrum van de neurale basis van gedrag moeilijk, zo niet onmogelijk in geïmmobiliseerde dieren. De eerste vooruitgang betrof het opnemen van de Mauthner-cellen van de tethered-zwemvis^3,4. Echter, Mauthner cellen zijn onevenredig groot en de opgenomen actie potentiële amplituden, die kan gaan zo hoog als een paar mV, vergemakkelijken opname. Later, Canfield et al. beschreef een proof of concept bij het gebruik van een tethered dier om op te nemen van de telencephalon van vis⁵. Een andere recente techniek voor het opnemen van neurale activiteit van vis is calcium beeldvorming (Zie beoordelingen door Orger en de Polavieja⁶, en Vanwalleghem et al.⁷). Deze techniek is ontwikkeld voor gebruik met zebravis larven omdat de huid en de schedel transparant zijn tijdens de larvale fase. Deze techniek kan echter niet worden gebruikt om complexe gedragingen in latere ontwikkelingsstadia te bestuderen.

Hier presenteren we een nieuwe techniek voor het opnemen van extracellulaire neurale activiteit uit de hersenen van vrij zwemmen van vissen. Dit is een gewijzigde versie van het protocol zoals beschreven in Vinepinsky et al.⁸. De belangrijkste innovatie is de toevoeging van een Microdrive die het mogelijk maakt om de positie van de elektroden na de operatie te controleren. De techniek is ontworpen voor opname van de telencephalon van goudvis met behulp van een set van tetrodes die zijn aangesloten op een neurale datalogger via een Microdrive. De hele Setup is draadloos en verankerd aan de schedel van de vis. Het specifieke gewicht van het systeem wordt gelijkgesteld met het waterspecifieke gewicht door een kleine vlotter toe te voegen waarmee de vis vrij kan zwemmen.

De techniek is gebaseerd op het gebruik van een neurale datalogger die het signaal versterkt, digitaliseert en opslaat in een ingebouwd geheugenapparaat. De logger telemetrie systeem wordt gebruikt om te starten en stoppen van de opnames, en voor de synchronisatie met de videocamera. In dit protocol wordt een 16-kanaals neurale logger gebruikt, ingebed in een waterdichte doos samen met de Microdrive.

De Microdrive-assemblage is vervaardigd uit twee hoofdcomponenten: de Microdrive zelf en de Microdrive-behuizing (Figuur 1A, B). De behuizing houdt de Microdrive en de tetrodes, en fungeert ook als het anker tussen de schedel en de logger box (Figuur 1C). De PVC logger doos is vervaardigd met behulp van een machine proces en wordt verzegeld met behulp van een O-ring (Figuur 1E-G, zie ook aanvullende figuur 1, aanvullende figuur 2, en aanvullende figuur 3 voor een driedimensionaal [3D] diagram). Aan de ene kant is een stukje piepschuim bevestigd aan de logger box om het gewicht van het implantaat te compenseren en de vis te voorzien van een drijf-neutraal implantaat. De constructie van de in het protocol beschreven Microdrive volgt de door Vandecasteele et al.⁹ gepresenteerde procedure met een wijziging om de micro schijf aan de behuizing te bevestigen (Figuur 1a). Alle belangrijke stappen worden gepresenteerd.

De procedure beschreven in het Protocol ter voorbereiding van de schedel van de vis is vergelijkbaar met die in Vinepinsky et al.⁸ en wordt kort beschreven in het protocol. Een dag na de operatie, de vis zijn normaal volledig hersteld van de effecten van anesthesie en zijn klaar voor de gedrags experimenten. Merk op dat de Tetrode-locatie kan worden aangepast door de Microdrive-schroef te draaien. De schroef heeft een tussenruimte van 300 μm per volledige rotatie en een vooruitgang van 75 μm wordt aanbevolen totdat de doellocatie van de hersenen is bereikt. Een geschikte hersen Atlas moet worden geraadpleegd om het specifieke hersengebied te targeten dat van belang is. Het is raadzaam om de elektrode impedantie te testen elke keer dat de vis wordt verdotiseerd voor vervanging van de batterij of geheugenkaart.