Беспроводная электрофизиологическая запись нейронов movable Tetrodes в Свободно плавающих рыб
Summary
Представлен новый беспроводной метод записи внеклеточных нервных сигналов из мозга свободно плавающей золотой рыбки. Записывающее устройство состоит из двух тетродов, микропривода, регистратора нейронных данных и водонепроницаемого корпуса. Все детали изготовлены на заказ, за исключением регистратора данных и его разъема.
Abstract
Нейронные механизмы, регулирующие поведение рыб, остаются в основном неизвестными, хотя рыбы составляют большинство всех позвоночных. Способность записывать активность мозга от свободно движущихся рыб будет заранее исследования на нервной основе поведения рыбы значительно. Кроме того, точный контроль места записи в головном мозге имеет решающее значение для изучения скоординированной нейронной активности в различных регионах в рыбьем мозге. Здесь мы представляем технику, которая записывает беспроводной из мозга свободно плавающих рыб, контролируя глубину места записи. Система основана на нейронном регистраторе, связанном с новым водносовместимым имплантатом, который может регулировать местоположение записи с помощью тетродов, управляемых микроприводом. Возможности системы иллюстрируются с помощью записей из теленцефалона золотой рыбки.
Introduction
Рыбы являются самой большой и разнообразной группой позвоночных, и, как и другие позвоночные, они обладают сложными когнитивными способностями, такими как навигация, общение, сон, охота и т.д. Тем не менее, нейронные механизмы, регулирующие поведение рыб, по большей части остаются неизвестными.
В последние несколько десятилетий внеклеточные записи из обездвиженых рыб в первую очередь были реализованы для изучения различных аспектов нейронной основы поведения1,2. Хотя этот метод подходит для некоторых сенсорных систем, исследование всего спектра нервной основы поведения трудно, если не невозможно в обездвиженные животные. Первые достижения включали запись из клеток Mauthner привязанных плавающих рыб3,4. Тем не менее, клетки Маутнера непропорционально большие, и записанные потенциальные амплитуды действия, которые могут достигать нескольких м.В., облегчают запись. Позже, Canfield и др. описал доказательство концепции при использовании привязанного животного для записи из теленцефалона рыбы5. Другой недавний метод для записи нейронной активности от рыбы является изображения кальция (см. отзывы Оргер и де Polavieja6, и Vanwalleghem и др.7). Этот метод был разработан для использования с личинками зебры, потому что кожа и череп прозрачны во время личиночной стадии. Однако этот метод не может быть использован для изучения сложного поведения на более поздних стадиях разработки.
Здесь мы представляем новую технику для записи внеклеточной нервной активности из мозга свободно плавающих рыб. Это модифицированная версия протокола, описанная в Vinepinsky et al.8. Основным нововведением является добавление микропривода, который позволяет контролировать положение электродов после операции. Техника предназначена для записи из теленефалиона золотой рыбки с использованием набора тетродов, которые подключены к регистратору нейронных данных с помощью микропривода. Вся установка беспроводной и закреплены на черепе рыбы. Специфический вес системы выравнивается с водным весом, добавляя небольшой поплавок, который позволяет рыбе свободно плавать.
Методика основана на использовании регистратора нейронных данных, который усиливает, оцифровывает и хранит сигнал в бортовом устройстве памяти. Телеметрическая система регистратора используется для запуска и остановки записей, а также для синхронизации с видеокамерой. В этом протоколе используется 16-канальный нейронный регистратор, встроенный в водонепроницаемую коробку вместе с микроприводом.
Сборка микропривода изготовлена из двух основных компонентов: самого микропривода и корпуса микропривода(рисунок 1A,B). Корпус держит микропривод и тетроды, а также выступает в качестве якоря между черепом и коробкой регистратора(Рисунок 1C). Коробка регистратора ПВХ изготовлена с помощью машинного процесса и герметична с помощью O-кольца(рисунок 1E-G, см. также Дополнительную диаграмму 1, Дополнительная фигура 2, и Дополнительная рисунок 3 для трехмерной диаграммы 3D). С одной из концов, кусок полистирола пены крепится к коробке регистратора, чтобы компенсировать вес имплантата и обеспечить рыбу с плавучести нейтральный имплантат. Конструкция микропривода, описанная в протоколе, соответствует процедуре, представленной Vandecasteele et al.9 с модификацией для присоединения микропривода к корпусу(рисунок 1А). Представлены все основные шаги.
Процедура, описанная в протоколе подготовки черепа рыбы, аналогична процедуре, представленной в Vinepinsky et al.8, и кратко описана в протоколе. На следующий день после операции, рыбы, как правило, полностью оправился от последствий анестезии и готовы к поведенческим экспериментам. Обратите внимание, что расположение тетроде может быть скорректировано путем поворота микроприводного винта. Винт имеет интервал 300 мкм на полное вращение и продвижение 75 мкм рекомендуется до тех пор, пока целевой расположение мозга не будет достигнуто. Соответствующий атлас мозга следует консультироваться с целью конкретной области мозга, представляющих интерес. Целесообразно испытать электрод impedance каждый раз, когда рыба под анестетом для замены батареи или карты памяти.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом протоколе подробно описаны шаги, связанные с вжививанием тетроде массива в теленцефалон свободно плавающей золотой рыбки. Этот метод реализует нейронный регистратор, который усиливает и записывает сигналы, полученные из до 16 каналов вместе с микроприводом, который может регули…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарны Нахуму Улановскому и сотрудникам Улановской лаборатории за помощь. Кроме того, мы благодарны Таль Новопланскому-Цуру за полезную техническую помощь. Мы с благодарностью отмечаем финансовую поддержку со стороны Университета Бен-Гуриона негритянского университета Негева (грант No 281/15) и Благотворительного фонда Хелмсли в рамках Инициативы по аграрной, биологической и когнитивной робототехнике Университета Бен-Гуриона в Негеве.
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).
