Elektrofysiologie van laminaire corticale activiteit in het zijdeaapje

Het zijdeaapje (Callithrix jacchus) is de laatste jaren snel in populariteit gegroeid als model om de hersenfunctie te bestuderen. Deze groeiende populariteit is te danken aan de toegankelijkheid van de gladde cortex van het zijdeaapje, de overeenkomsten in neurale functionele organisatie met mensen en andere primaten, en het kleine formaat en de snelle voortplantingssnelheid1. Naarmate dit modelorganisme in populariteit is gegroeid, is er een snelle ontwikkeling geweest in de neurofysiologische technieken die geschikt zijn voor gebruik in de hersenen van zijdeaapjes. Elektrofysiologische methoden worden veel gebruikt in de neurowetenschappen om de activiteit van afzonderlijke neuronen in de cortex van zowel knaagdieren als primaten te bestuderen, wat resulteert in een ongeëvenaarde temporele resolutie en locatietoegang. Vanwege de relatieve nieuwheid van de zijdeaap als model van visuele neurowetenschappen, is de optimalisatie van wakkere elektrofysiologische technieken nog steeds in ontwikkeling. Eerdere studies hebben aangetoond dat er robuuste protocollen zijn opgesteld voor elektrofysiologie in verdoofde preparaten², en vroege neurofysiologische studies die wakker zijn, hebben de betrouwbaarheid van eenkanaals wolfraamelectodes aangetoond³. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers het gebruik van op silicium gebaseerde micro-elektrode-arrays vastgesteld voor wakkere neurofysiologie⁴. De zijdeaap vormt echter unieke uitdagingen voor het richten vanwege zijn kleine hersenomvang en het ontbreken van anatomische oriëntatiepunten. Dit protocol schetst hoe een micro-drive-opnamesysteem kan worden gebouwd en gebruikt dat geschikt is voor het zijdeaapje en dat het mogelijk maakt om grote populaties neuronen op te nemen met lineaire arrays van silicium terwijl minimale weefselschade wordt veroorzaakt.

Het werken met het zijdeaapje vormt een uitdaging vanwege de kleinere schaal van de retinotopische kaarten in de visuele cortex in vergelijking met grotere primaten. Een kleine verschuiving van de elektroden met slechts 1 mm kan leiden tot aanzienlijke veranderingen in de kaarten. Bovendien moeten onderzoekers vaak de plaatsing van de elektroden tussen de opnamesessies wijzigen om een breder scala aan retinotopische posities in de visuele cortex te verkrijgen. De huidige semi-chronische preparaten maken het niet mogelijk om de elektrodepositionering dagelijks of met voldoende precisie aan te passen om specifieke locaties op submillimeterschalen aan te passen⁵. Met dit in gedachten maakt het voorgestelde micro-drive-systeem gebruik van een X-Y-elektrodetrap die een lichtgewicht microdrive op een opnamekamer monteert en het mogelijk maakt om corticale plaatsen op submillimeters te richten. De beweegbare X-Y-trapcomponenten maken verticale en horizontale beweging van de lineaire array mogelijk om de corticale gebieden systematisch te doorkruisen, wat nodig is om interessegebieden te identificeren (via retinotopie en afstemmingseigenschappen). Tijdens opnamesessies kunnen onderzoekers de X-Y-fase ook handmatig aanpassen om de beoogde locaties binnen het gebied te verschuiven. Dit is een belangrijk voordeel ten opzichte van alternatieve technieken waarbij gebruik wordt gemaakt van semi-chronische opnamepreparaten, die geen gemakkelijke mechanismen voor het richten van elektroden hebben.

De micro-drive is een veelzijdig hulpmiddel waarmee verschillende siliciumarrays kunnen worden bevestigd om in de cortex te worden neergelaten. In dit protocol werd een aangepaste sonde met twee 32-kanaals lineaire arrays op een afstand van 200 μm uit elkaar gebruikt voor het onderzoek van laminaire circuits die de corticale diepte overspannen. De meeste methoden voor het onderzoeken van de neurale circuits bemonsteren meestal de elektrische potentialen of afzonderlijke eenheden gemiddeld over alle lagen van de hersenschors. Recent onderzoek heeft echter intrigerende bevindingen opgeleverd over corticale laminaire microschakelingen⁶. Door gebruik te maken van de microaandrijving kunnen onderzoekers laminaire sondes gebruiken en fijne aanpassingen maken aan de opnamediepte om uitgebreide bemonstering over alle lagen te garanderen.

Dit systeem kan worden geconstrueerd met in de handel verkrijgbare componenten en kan eenvoudig worden aangepast voor verschillende experimentele technieken of sondes. De belangrijkste voordelen van deze voorbereiding zijn de mogelijkheid om de X-Y-opnamepositie met submillimeterprecisie te veranderen en om de diepte van de opname in de cortex te regelen. Dit protocol bevat stap-voor-stap instructies voor het construeren van de X-Y fase micro-drive en neurofysiologische opnametechnieken.