الفيزيولوجيا الكهربية للنشاط القشري الصفحي في المرموسيت المشترك
Summary
تتيح محركات الأقراص الصغيرة المصممة خصيصا استهداف المليمتر الفرعي لمواقع التسجيل القشرية باستخدام صفائف السيليكون الخطية.
Abstract
يوفر المرموسيت نموذجا مثاليا لفحص الدوائر القشرية الصفحية بسبب سطحه القشري الأملس ، مما يسهل التسجيلات باستخدام المصفوفات الخطية. نمت شعبية المارموسيت مؤخرا بسبب تنظيمه الوظيفي العصبي المماثل للقرود الأخرى ومزاياه التقنية للتسجيل والتصوير. ومع ذلك ، فإن الفيزيولوجيا العصبية في هذا النموذج تطرح بعض التحديات الفريدة بسبب صغر الحجم ونقص الدوران كمعالم تشريحية. باستخدام محركات الأقراص الصغيرة المصممة خصيصا ، يمكن للباحثين التعامل مع وضع الصفيف الخطي بدقة أقل من المليمتر والتسجيل بشكل موثوق في نفس الموقع المستهدف شبكيا عبر أيام التسجيل. يصف هذا البروتوكول البناء خطوة بخطوة لنظام تحديد المواقع بمحرك الأقراص الصغير وتقنية التسجيل الفسيولوجي العصبي مع صفائف الأقطاب الكهربائية الخطية السيليكونية. من خلال التحكم الدقيق في وضع القطب عبر جلسات التسجيل ، يمكن للباحثين اجتياز القشرة بسهولة لتحديد مجالات الاهتمام بناء على تنظيمهم الشبكي وخصائص ضبط الخلايا العصبية المسجلة. علاوة على ذلك ، باستخدام نظام قطب الصفيف الصفحي هذا ، من الممكن تطبيق تحليل كثافة المصدر الحالي (CSD) لتحديد عمق تسجيل الخلايا العصبية الفردية. يوضح هذا البروتوكول أيضا أمثلة على التسجيلات الصفائحية ، بما في ذلك أشكال موجات السنبلة المعزولة في Kilosort ، والتي تمتد عبر قنوات متعددة على المصفوفات.
Introduction
نمت شعبية المرموسيت الشائع (Callithrix jacchus) بسرعة كنموذج لدراسة وظائف المخ في السنوات الأخيرة. ترجع هذه الشعبية المتزايدة إلى إمكانية الوصول إلى القشرة الملساء للمارموسيت ، وأوجه التشابه في التنظيم الوظيفي العصبي مع البشر والرئيسيات الأخرى ، وصغر الحجم ومعدل التكاثر السريع1. مع تزايد شعبية هذا الكائن النموذجي ، كان هناك تطور سريع في التقنيات الفسيولوجية العصبية المناسبة للاستخدام في دماغ المرموسيت. تستخدم طرق الفيزيولوجيا الكهربية على نطاق واسع في علم الأعصاب لدراسة نشاط الخلايا العصبية المفردة في قشرة كل من القوارض والرئيسيات ، مما يؤدي إلى دقة زمنية لا مثيل لها والوصول إلى الموقع. نظرا للحداثة النسبية لقرد المرموسيت كنموذج لعلم الأعصاب البصري ، لا يزال تحسين تقنيات الفيزيولوجيا الكهربية المستيقظة يتطور. أظهرت الدراسات السابقة إنشاء بروتوكولات قوية للفيزيولوجيا الكهربية في مستحضرات التخدير2 ، وأظهرت دراسات الفيزيولوجيا العصبية المبكرة التي تتصرف مستيقظا موثوقية ناخبات التنغستن أحادية القناة3. في السنوات الأخيرة ، أنشأ الباحثون استخدام صفائف الأقطاب الكهربائية الدقيقة القائمة على السيليكون في الفيزيولوجيا العصبية المستيقظة4. ومع ذلك ، فإن يطرح تحديات استهداف فريدة بسبب صغر حجم دماغه ونقص المعالم التشريحية. يحدد هذا البروتوكول كيفية إنشاء واستخدام نظام تسجيل محرك أقراص صغير مناسب للمارموسيت الذي يسمح بتسجيل مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية مع صفائف خطية من السيليكون مع إنتاج الحد الأدنى من تلف الأنسجة.
يشكل العمل مع المارموسيت تحديا بسبب صغر حجم خرائط الريتينوتوبيا في القشرة البصرية مقارنة بالرئيسيات الأكبر. يمكن أن يؤدي التحول الطفيف للأقطاب الكهربائية بمقدار 1 مم فقط إلى تغييرات كبيرة في الخرائط. علاوة على ذلك ، غالبا ما يحتاج الباحثون إلى تغيير موضع الأقطاب الكهربائية بين جلسات التسجيل للحصول على نطاق أوسع من مواضع الشبكية في القشرة البصرية. لا تسمح المستحضرات شبه المزمنة الحالية بتعديل موضع القطب يوميا أو بدقة كافية لاستهداف مواقع محددة بمقاييس دون المليمتر5. مع وضع ذلك في الاعتبار ، يستخدم نظام الدفع الصغير المقترح مرحلة قطب كهربائي X-Y تقوم بتركيب محرك صغير خفيف الوزن إلى غرفة التسجيل وتسمح باستهداف المواقع القشرية دون المليمتر. تسمح مكونات المرحلة X-Y المتحركة بالحركة الرأسية والأفقية للمصفوفة الخطية من أجل اجتياز المناطق القشرية بشكل منهجي ، وهو أمر مطلوب لتحديد مناطق الاهتمام (عبر خصائص الشبكية والضبط). عبر جلسات التسجيل ، يمكن للباحثين أيضا ضبط مرحلة X-Y يدويا لتحويل المواقع المستهدفة داخل المنطقة. هذه ميزة رئيسية على التقنيات البديلة التي تستخدم مستحضرات التسجيل شبه المزمنة ، والتي لا تحتوي على آليات سهلة لاستهداف الأقطاب الكهربائية.
محرك الأقراص الصغير هو أداة متعددة الاستخدامات تتيح تركيب مصفوفات السيليكون المختلفة لخفضها إلى القشرة. في هذا البروتوكول ، تم استخدام مسبار مخصص مع صفيفين خطيين من 32 قناة متباعدين 200 ميكرومتر للتحقيق في الدوائر الصفحية التي تمتد على عمق القشرة. عادة ما تأخذ معظم طرق فحص الدوائر العصبية عينات من الجهود الكهربائية أو الوحدات المفردة في المتوسط عبر جميع طبقات القشرة الدماغية. ومع ذلك ، فقد كشفت الأبحاث الحديثة عن نتائج مثيرة للاهتمام حول الدوائر الدقيقة الصفحيةالقشرية 6. من خلال استخدام محرك الأقراص الصغير ، يمكن للباحثين استخدام مجسات رقائقية وإجراء تعديلات دقيقة على عمق التسجيل لضمان أخذ عينات شاملة عبر جميع الطبقات.
يمكن بناء هذا النظام بمكونات متاحة تجاريا ويمكن تعديله بسهولة لتقنيات أو مجسات تجريبية مختلفة. تتمثل المزايا الرئيسية لهذا التحضير في القدرة على تغيير موضع تسجيل X-Y بدقة دون المليمتر والتحكم في عمق التسجيل داخل القشرة. يقدم هذا البروتوكول إرشادات خطوة بخطوة لبناء تقنيات تسجيل محرك الأقراص الصغير والفيزيولوجيا العصبية في مرحلة X-Y.
Protocol
Representative Results
Discussion
تتوفر حاليا عدة طرق (على سبيل المثال ، مزمنة وشبه مزمنة وحادة) لإجراء تجارب الفيزيولوجيا العصبية في الرئيسيات غير البشرية. يشكل المرموسيت الشائع تحديات فريدة لتجارب الفيزيولوجيا العصبية نظرا لصغر حجمه ونقص الجير كمعالم تشريحية. وهذا يتطلب من الباحثين استخدام المعالم الفسيولوجية العصبية…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من خلال منحة المعاهد الوطنية للصحة (NIH) R01 EY030998 (J.F.M. ، A.B. ، و S.C.). تعتمد هذه الطريقة على الأساليب التي تم تطويرها في Coop et al. (قيد المراجعة ، 2022 ؛ https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.10.11.511827v2.abstract). نود أن نشكر دينا غراف وأعضاء مختبر ميتشل للمساعدة في رعاية المارموسيت والتعامل معه.
Materials
| 1/4 Hp burr drill bit | McMaster & Carr | Cat# 43035A32 | Carbide Bur with 1/4" Shank Diameter, Rounded Cylinder Head, trade Number SC-1, single Cut(https://www.mcmaster.com/products/bur-bits/burs-7/?s=1%2F4%22+bur+bits) |
| 1x1mm Crist Grid | Crist Instruments | 1 mm x 1 mm Grid | https://www.cristinstrument.com/products/implant-intro/grids |
| 91% isopropyl alcohol | Medline | N/A | https://www.medline.com/product/Medline-Isopropyl-Rubbing-Alcohol/Bulk-Alcohol/Z05-PF03807?question=91%25%20isopropyl%20alcohol |
| Acquisition Board | Open-Ephys | N/A | https://open-ephys.org/acquisition-system/eux9baf6a5s8tid06hk1mw5aafjdz1 |
| Bacitracin Ointment | Medline: Cosette Pharmaceuticals Inc | N/A | https://www.medline.com/product/Bacitracin-Ointment/Antibiotics/Z05-PF86957?question=bacitr |
| Blunt straight Forceps | Medline | N/A | https://www.medline.com/category/Central-Sterile/Surgical-Instruments/Forceps/Z05-CA16_02_20/products |
| Bone wax | Medline | ETHW31G | https://www.medline.com/product/Ethicon-Bone-Wax/Bone-Wax/Z05-PF61528?question=bonewax |
| C&B Metabond Quick Adhesive Cement System | Parkell, Inc. | SKU: S380 | https://www.parkell.com/C-B-Metabond-Quick-Adhesive-Cement-System |
| Clavamox | MWI Animal Health | N/A | |
| Contact lens solution | Bausch and lomb | Various sources available | |
| Custom Printed 3D printed parts | ProtoLab | https://marmolab.bcs.rochester.edu/resources.html | |
| DB25-G2 25 Pin Male Plug Port Signal Connector | Various Sources | DB25-G2 25 | DB25-G2 25 Pin Male Plug Port Signal 2 Row Terminal Breakout Board Screw Nut Connector |
| diamond saw attachement for dremmel | Dremmel | 545 Diamond Wheel | https://www.dremel.com/us/en/p/545-26150545ab |
| Digitizing Head-stages | Intan | RHD 32channel (Part #C3314) | https://intantech.com/RHD_headstages.html?tabSelect=RHD32ch&yPos=120.80 000305175781 |
| EDOT | Sigma Aldrich | Product # 483028 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/483028 |
| Helping Hands | Harbor Freight | N/A | https://www.harborfreight.com/helping-hands-60501.html |
| Hook Electrical Clips | Various Sources | N/A | Hook test Cable wires |
| Interface Cables (RHD 3-ft (0.9 m) ultra thin SPI cable) | Intan | Part #C3213 | https://intantech.com/RHD_SPI_cables.html |
| Lab jack | Various Sources | N/A | https://www.amazon.com/Stainless-Steel-Scissor-Stand-Platform/dp/B07T8FM85H/ref=asc_df_B07T8FM85H/?tag=&linkCode=df0&hvadid=366343 827267&hvpos=&hvnetw=g&hvrand =2036619536500717246&hvpone =&hvptwo=&hvqmt=&hvdev=c&hv dvcmdl=&hvlocint=&hvlocphy=900 5674&hvtargid=pla-795933567991& ref=&adgrpid=71496544770&th=1 |
| Meloxicam | MWI Animal Health | N/A | |
| Micro-drive | Crist Instrument | 3-NRMD | https://www.cristinstrument.com/products/microdrives/miniature-microdrive-3-nrmd |
| Multi-channel linear silicon arrays with 64 channel connector | NeuroNexus | A1x32-5mm-25-177 | https://www.neuronexus.com/products/electrode-arrays/up-to-10-mm-depth/ |
| NanoZ Omentics Adapter- 32 Channel | NeuraLynx | ADPT-NZ-N2T-32 | https://neuralynx.com/hardware/adpt-nz-n2t-32 |
| NanoZ System | Plexon | NanoZ Impedence Tester | https://plexon.com/products/nanoz-impedance-tester/ |
| Narishige Micromanipulator | Narishige | Stereotaxic Micromanipulator | https://usa.narishige-group.com/ |
| Open-Ephys GUI | Open-Ephys | https://open-ephys.org/ | |
| Polyimide Tubing (OD(in): 0.021 / ID(in) 0.018 ) | Various Sources (Chamfr) | Chamfr Cat#HPC01895 | https://chamfr.com/sellers/teleflex-medical-oem-llc/ |
| Primate Chair | Custom made by University of Rochester Machine Shop | Designs online | https://marmolab.bcs.rochester.edu/resources.html |
| Poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) | Sigma Aldrich | Product # 243051 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/243051 |
| RHD USB Interface board | Intan | RHD2000 Evaluation Board Version 1.0 | https://intantech.com/RHD_USB_interface_board.html |
| Silastic gel | World Precision Instuments | # KWIK-SIL | Low Toxicity Silicone Adhesive ((https://www.wpiinc.com/kwik-sil-low-toxicity-silicone-adhesive) |
| Slow release buprenorphine | Compounding Pharmacy | ||
| Stainless steel wire 36 gauge | McMaster & Carr | Cat# 6517K11 | Round Bend-and-Stay Multipurpose 304 Stainless Steel Wire, Matte Finish, 1-Foot Long, 0.008" Diameter |
| Stanley 6-Piece Precision Screwdriver Set | Stanley | 1.4mm flathead screwdriver | https://www.amazon.com/Stanley-Tools-6-Piece-Precision-Screwdriver/dp/B076621ZGC/ref=sr_1_3?crid=237VSK5FNFP9N&keywords= stanley+66-052&qid=1672764369&sprefix= stanley+66-052%2Caps%2C90&sr=8-3 |
| Steel Screws | McMaster & Carr | type 00 stainless steel hex screws and 1/8” in length | https://www.mcmaster.com/ |
| Steel Tube | McMaster & Carr | 28 gauge stainless steel tubing | https://www.mcmaster.com/tubing/multipurpose-304-stainless-steel-6/id~0-055/ |
| Superglue | Loctite | SuperGlue Gel Control | https://www.loctiteproducts.com/en/products/fix/super-glue/loctite_super_gluegelcontrol.html |
References
- Mansfield, K. Marmoset models commonly used in biomedical research. Comparative Medicine. 53 (4), 383-392 (2003).
- Solomon, S. G., Rosa, M. G. P. A simpler primate brain: the visual system of the marmoset monkey. Frontiers in Neural Circuits. 8, 96 (2014).
- Remington, E. D., Osmanski, M. S., Wang, X. An operant conditioning method for studying auditory behaviors in marmoset monkeys. PLoS One. 7 (10), e47895 (2012).
- Walker, J. D., et al. Chronic wireless neural population recordings with common marmosets. Cell Reports. 36 (2), 109379 (2021).
- Jendritza, P., Klein, F. J., Fries, P. Multi-area recordings and optogenetics in the awake, behaving marmoset. Nature Communications. 14 (1), 577 (2023).
- Pinotsis, D. A., et al. Linking canonical microcircuits and neuronal activity: Dynamic causal modelling of laminar recordings. Neuroimage. 146, 355-366 (2017).
- Ludwig, K. A., et al. Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT) polymer coatings facilitate smaller neural recording electrodes. Journal of Neural Engineering. 8 (1), 014001 (2011).
- Ludwig, K. A., Uram, J. D., Yang, J., Martin, D. C., Kipke, D. R. Chronic neural recordings using silicon microelectrode arrays electrochemically deposited with a poly (3, 4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT) film. Journal of Neural Engineering. 3 (1), 59 (2006).
- Lu, T., Liang, L., Wang, X. Neural representations of temporally asymmetric stimuli in the auditory cortex of awake primates. Journal of Neurophysiology. 85 (6), 2364-2380 (2001).
- Osmanski, M. S., Song, X., Wang, X. The role of harmonic resolvability in pitch perception in a vocal nonhuman primate, the common marmoset (Callithrix jacchus). Journal of Neuroscience. 33 (21), 9161-9168 (2013).
- Nummela, S. U., et al. Psychophysical measurement of marmoset acuity and myopia. Developmental Neurobiology. 77 (3), 300-313 (2017).
- Paxinos, G., Watson, C., Petrides, M., Rosa, M., Tokuno, H. . The Marmoset Brain in Stereotaxic Coordinates. , (2012).
- Mitchell, J. F., Reynolds, J. H., Miller, C. T. Active vision in marmosets: A model system for visual neuroscience. Journal of Neuroscience. 34 (4), 1183-1194 (2014).
- Spitler, K. M., Gothard, K. M. A removable silicone elastomer seal reduces granulation tissue growth and maintains the sterility of recording chambers for primate neurophysiology. Journal of Neuroscience Methods. 169 (1), 23-26 (2008).
- Jun, J. J., et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).
- Mitzdorf, U. Current source-density method and application in cat cerebral cortex: investigation of evoked potentials and EEG phenomena. Physiological Reviews. 65 (1), 37-100 (1985).
- Coop, S. H., Yates, J. L., Mitchell, J. F. Pre-saccadic neural enhancements in marmoset area MT. bioRxiv. , (2022).
- Okun, M., Lak, A., Carandini, M., Harris, K. D. Long term recordings with immobile silicon probes in the mouse cortex. PloS One. 11 (3), e0151180 (2016).
