Drahtlose elektrophysiologische Aufzeichnung von Neuronen durch bewegliche Tetrodes in frei schwimmenden Fischen

Fische sind die größte und vielfältigste Gruppe von Wirbeltieren, und wie andere Wirbeltiere zeigen sie komplexe kognitive Fähigkeiten wie Navigieren, Geselligkeit, Schlafen, Jagen, etc. Dennoch bleiben die neuronalen Mechanismen, die das Fischverhalten regeln, größtenteils unbekannt.

In den letzten Jahrzehnten wurden vor allem extrazelluläre Aufnahmen von immobilisierten Fischen implementiert, um verschiedene Aspekte der neuronalen Basis des Verhaltens^1,2zu untersuchen. Obwohl diese Technik für einige sensorische Systeme geeignet ist, ist die Untersuchung des gesamten Spektrums der neuronalen Verhaltensgrundlage bei immobilisierten Tieren schwierig, wenn nicht gar unmöglich. Die ersten Fortschritte betrafen die Aufnahme von gefesselten Schwimmfischen aus den Mauthner-Zellen^3,4. Mauthner-Zellen sind jedoch überproportional groß und die aufgezeichneten Wirkungspotentialamplituden, die bis zu wenige mV erreichen können, erleichtern die Aufnahme. Später beschrieben Canfield et al. einen Proof of Concept, wenn er ein gefesseltes Tier benutzte, um aus dem Telencephalon von Fischen⁵aufzunehmen. Eine weitere neuere Technik zur Aufzeichnung der neuronalen Aktivität von Fischen ist die Kalzium-Bildgebung (siehe Rezensionen von Orger und de Polavieja⁶und Vanwalleghem et al.⁷). Diese Technik wurde für den Einsatz mit Zebrafischlarven entwickelt, da Haut und Schädel während der Larvenphase transparent sind. Diese Technik kann jedoch nicht verwendet werden, um komplexe Verhaltensweisen in späteren Entwicklungsstadien zu untersuchen.

Hier präsentieren wir eine neuartige Technik zur Erfassung extrazellulärer neuronaler Aktivität aus dem Gehirn frei schwimmender Fische. Dies ist eine modifizierte Version des Protokolls, das in Vinepinsky et al.⁸beschrieben wird. Die wichtigste Innovation ist die Zugabe eines Mikroantriebs, der es ermöglicht, die Position der Elektroden nach der Operation zu steuern. Die Technik wurde für die Aufzeichnung aus dem Telencephalon von Goldfischen mit einer Reihe von Tetroden entwickelt, die über einen Microdrive mit einem neuronalen Datenlogger verbunden sind. Das gesamte Setup ist kabellos und am Schädel des Fisches verankert. Das spezifische Gewicht des Systems wird dem wasserspezifischen Gewicht durch Zugabe eines kleinen Schwimmers ausgeglichen, der es den Fischen ermöglicht, frei zu schwimmen.

Die Technik basiert auf der Verwendung eines neuronalen Datenloggers, der das Signal in einem onboard-Speichergerät verstärkt, digitalisiert und speichert. Das Logger-Telemetriesystem wird verwendet, um die Aufnahmen zu starten und zu stoppen und für die Synchronisation mit der Videokamera. In diesem Protokoll wird ein 16-Kanal-Neural-Logger verwendet, eingebettet in eine wasserdichte Box zusammen mit dem Microdrive.

Die Microdrive-Baugruppe besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Microdrive selbst und dem Microdrive-Gehäuse (Abbildung 1A,B). Das Gehäuse hält den Microdrive und die Tetrodes und fungiert auch als Anker zwischen dem Schädel und der Logger-Box (Abbildung 1C). Die PVC-Loggerbox wird mit einem Maschinenverfahren hergestellt und mit einem O-Ring versiegelt(Abbildung 1E-G, siehe auch Ergänzende Abbildung 1, Ergänzende Abbildung 2und Ergänzende Abbildung 3 für ein dreidimensionales [3D]-Diagramm). An einem Ende wird ein Stück Polystyrolschaum an der Loggerbox befestigt, um das Gewicht des Implantats zu kompensieren und den Fischen ein auftriebsneutrales Implantat zu geben. Die Konstruktion des im Protokoll beschriebenen Mikroantriebs folgt dem von Vandecasteele et al.⁹ vorgestellten Verfahren mit einer Modifikation, um den Mikroantrieb am Gehäuse zu befestigen (Abbildung 1A). Alle wichtigen Schritte werden vorgestellt.

Das im Protokoll zur Herstellung des Fischschädels beschriebene Verfahren ähnelt dem in Vinepinsky et al.⁸ vorgestellten verfahren und wird kurz im Protokoll beschrieben. Einen Tag nach der Operation werden die Fische in der Regel vollständig von den Auswirkungen der Anästhesie erholt und sind bereit für die Verhaltensexperimente. Beachten Sie, dass die Tetrode-Position durch Drehen der Microdrive-Schraube eingestellt werden kann. Die Schraube hat einen Abstand von 300 m pro Volldrehung und es wird eine Weiterentwicklung von 75 m empfohlen, bis die Ziel-Gehirnposition erreicht ist. Ein geeigneter Hirnatlas sollte konsultiert werden, um die spezifische Hirnregion von Interesse anzusprechen. Es ist ratsam, die Elektrodenimpedanz jedes Mal zu testen, wenn der Fisch für batterie- oder Speicherkartenersatz beäpftiert wird.