Elektrophysiologie der laminaren kortikalen Aktivität beim Weißbüschelaffen

Der Weißbüschelaffe (Callithrix jacchus) hat in den letzten Jahren als Modell zur Untersuchung der Gehirnfunktion schnell an Popularität gewonnen. Diese wachsende Popularität ist auf die Zugänglichkeit des glatten Kortex des Weißbüschelaffen, die Ähnlichkeiten in der neuronalen Funktionsorganisation mit Menschen und anderen Primaten sowie die geringe Größe und schnelle Fortpflanzungsrate^{zurückzuführen 1}. Da dieser Modellorganismus immer beliebter wurde, gab es eine rasche Entwicklung der neurophysiologischen Techniken, die für den Einsatz im Weißbüschelaffengehirn geeignet sind. Elektrophysiologische Methoden werden in den Neurowissenschaften häufig eingesetzt, um die Aktivität einzelner Neuronen im Kortex von Nagetieren und Primaten zu untersuchen, was zu einer beispiellosen zeitlichen Auflösung und einem beispiellosen Standortzugang führt. Aufgrund der relativen Neuheit des Weißbüschelaffen als Modell der visuellen Neurowissenschaften entwickelt sich die Optimierung der Wach-Elektrophysiologie-Techniken noch weiter. Frühere Studien haben die Etablierung robuster Protokolle für die Elektrophysiologie in anästhesierten Präparaten gezeigt², und frühe Wachverhaltens-Neurophysiologie-Studien haben die Zuverlässigkeit von Einkanal-Wolframmestoden gezeigt³. In den letzten Jahren haben Forscher die Verwendung von Mikroelektrodenarrays auf Siliziumbasis für die Neurophysiologie im Wachzustand etabliert⁴. Der Weißbüschelaffe stellt jedoch aufgrund seiner geringen Gehirngröße und des Fehlens anatomischer Orientierungspunkte einzigartige Herausforderungen bei der Zielerfassung dar. Dieses Protokoll beschreibt, wie ein für Weißbüschelaffen geeignetes Mikrolaufwerk-Aufzeichnungssystem konstruiert und verwendet wird, das die Aufzeichnung großer Neuronenpopulationen mit linearen Silizium-Arrays bei minimaler Gewebeschädigung ermöglicht.

Die Arbeit mit Weißbüschelaffen stellt eine Herausforderung dar, da die retinotopischen Karten im visuellen Kortex im Vergleich zu größeren Primaten kleiner sind. Eine leichte Verschiebung der Elektroden um nur 1 mm kann zu erheblichen Veränderungen in den Kennfeldern führen. Darüber hinaus müssen Forscher häufig die Platzierung der Elektroden zwischen den Aufnahmesitzungen ändern, um ein breiteres Spektrum an retinotopischen Positionen im visuellen Kortex zu erhalten. Aktuelle semi-chronische Präparate ermöglichen es nicht, die Elektrodenpositionierung täglich oder mit ausreichender Präzision anzupassen, um bestimmte Stellen im Submillimeterbereich anzuvisieren⁵. Vor diesem Hintergrund verwendet das vorgeschlagene Mikroantriebssystem einen X-Y-Elektrodentisch, der einen leichten Mikroantrieb an einer Aufnahmekammer montiert und das Submillimeter-Targeting von kortikalen Stellen ermöglicht. Die beweglichen X-Y-Tischkomponenten ermöglichen eine vertikale und horizontale Bewegung des linearen Arrays, um die kortikalen Bereiche systematisch zu durchlaufen, was zur Identifizierung von Interessengebieten erforderlich ist (über Retinotopie und Tuning-Eigenschaften). Während der Aufnahmesitzungen können die Forscher den X-Y-Tisch auch manuell anpassen, um die Zielstellen innerhalb des Bereichs zu verschieben. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber alternativen Techniken mit semi-chronischen Aufnahmepräparaten, die keine einfachen Elektroden-Targeting-Mechanismen haben.

Der Micro-Drive ist ein vielseitiges Werkzeug, das die Befestigung verschiedener Silizium-Arrays ermöglicht, um sie in den Kortex abzusenken. In diesem Protokoll wurde eine benutzerdefinierte Sonde mit zwei 32-Kanal-Lineararrays im Abstand von 200 μm für die Untersuchung laminarer Schaltkreise verwendet, die die kortikale Tiefe überspannen. Die meisten Methoden zur Untersuchung der neuronalen Schaltkreise werden typischerweise die elektrischen Potentiale oder einzelne Einheiten abgetastet, die über alle Schichten der Großhirnrinde gemittelt werden. Jüngste Forschungen haben jedoch faszinierende Erkenntnisse über kortikale laminare Mikroschaltkreise zutage gefördert⁶. Durch die Verwendung des Mikroantriebs können Forscher laminare Sonden verwenden und Feineinstellungen an der Aufzeichnungstiefe vornehmen, um eine umfassende Abtastung über alle Schichten hinweg zu gewährleisten.

Dieses System kann mit kommerziell erhältlichen Komponenten aufgebaut werden und kann leicht für verschiedene experimentelle Techniken oder Sonden modifiziert werden. Die Hauptvorteile dieses Präparats sind die Möglichkeit, die X-Y-Aufnahmeposition submillimetergenau zu ändern und die Tiefe der Aufnahme innerhalb des Kortex zu steuern. Dieses Protokoll enthält Schritt-für-Schritt-Anleitungen für den Aufbau des X-Y-Stadiums, des Mikroantriebs und der neurophysiologischen Aufnahmetechniken.