Özet

Bouw van Microdrive Arrays voor Chronische Neurale Recordings in Awake Behaving Muizen

Published: July 05, 2013
doi:

Özet

Het ontwerp en de assemblage van microdrives in vivo elektrofysiologische opnames van hersenen signalen van de muis beschreven. Door het aanbrengen van micro-elektrode bundels aan stevige driveable dragers, deze technieken zorgen voor langdurige en stabiele neurale opnames. Het lichtgewicht ontwerp zorgt voor onbeperkte gedrags prestaties door het dier volgende station implantatie.

Abstract

State-of-the-art elektrofysiologische opnames van de hersenen van vrij gedragen dieren kunnen de onderzoekers om gelijktijdig te onderzoeken lokale veld potentialen (LFP's) van populaties van neuronen en actiepotentialen van individuele cellen, als het dier zich bezighoudt met experimenteel relevante taken. Chronisch geïmplanteerde microdrives zorgen voor hersenen opnames voor het laatst over periodes van enkele weken. Geminiaturiseerde drives en lichtgewicht componenten zorgen voor deze langdurige opnames te voorkomen in kleine zoogdieren, zoals muizen. Door tetrodes, bestaande uit strak gevlochten bundels van vier elektroden waarin elke draad een diameter van 12,5 urn, is het mogelijk om fysiologisch actieve neuronen isoleren oppervlakkige hersengebieden zoals de cerebrale cortex, dorsale hippocampus en subiculum, alsmede als diepere gebieden, zoals het striatum en de amygdala. Bovendien is deze techniek verzekert een stabiele, high-fidelity neurale opnames als het dier wordt uitgedaagd met een variety van gedrags-taken. Dit manuscript beschrijft een aantal technieken die zijn geoptimaliseerd voor het opnemen van de hersenen van muizen. Ten eerste, laten we zien hoe tetrodes fabriceren, laad ze in driveable buizen, en goud-plate hun tips om hun impedantie te verminderen van MQ tot kOhm bereik. Ten tweede, laten we zien hoe u een aangepaste microdrive assemblage construeren voor het dragen en verplaatsen van de tetrodes verticaal, met het gebruik van goedkope materialen. Ten derde, laten we de stappen voor het samenstellen van een in de handel verkrijgbaar microdrive (Neuralynx VersaDrive) die bedoeld is om onafhankelijk beweegbare tetrodes dragen. Tot slot presenteren we representatieve resultaten van de lokale veldpotentialen en single-unit signalen verkregen in de dorsale subiculum van muizen. Deze technieken kunnen eenvoudig worden aangepast aan verschillende typen elektrodereeksen en opnemen regelingen muizenhersenen tegemoet.

Introduction

Het gebruik van de micro-elektrode techniek voor het opnemen van extracellulaire neurale signalen in vivo heeft een lange en gewaardeerde traditie in de neurowetenschappen 1, 2. De mogelijkheid om elektrische activiteit opnemen van vele hersengebieden in vrij gedragen dieren is echter een meer recente technologie die wordt steeds vaker als de softwarepakketten voor de verwerving, analyse en discriminatie van neurale signalen wordt steeds geavanceerder en gebruiksvriendelijker 3, 4. De technologische vooruitgang op het softwarematig zijn ook gepaard met verlaging van het gewicht en volume van de implanteerbare inrichtingen, die voldoende verkleind voor het opnemen van kleine zoogdieren, zoals muizen. Door licht (meestal plastic) onderdelen, kunnen de onderzoekers microdrives die zorgen voor onafhankelijke plaatsing van elektroden of tetrodes richten allerlei hersengebieden 5-7 construeren. Zelfs diepe hersenstructuren zoalsamygdala 6 en het striatum 5, kan routinematig worden gericht met de selectie van een geschikt lange rit schroef. Deze opname technieken kunnen de onderzoekers de high-fidelity neurale signalen te verkrijgen en zijn in register met de elektrische activiteit van enkele neuronen opgenomen intracellulair 8, 9. Gebruik van dit soort microdrives hebben we met succes een-eenheden opgenomen van muizen gedurende maximaal twee maanden na implantatie 10. Bovendien heeft het geringe gewicht van de inrichtingen (ongeveer 1.5-2.0 g) resulteerde in behavioral prestaties die vergelijkbaar zijn met non-geïmplanteerde muizen in veel gedragstaken. In het bijzonder, hebben we aangetoond dat de geïmplanteerde muizen vertonen normale prestaties in de roman objectherkenning taak 10 en het object huistaak (ongepubliceerde gegevens).

Het gebruik van microdrives gekoppeld aan meerdere tetrodes stelt onderzoekers in staat om toezicht te houden en te analyseren neurale activiteit op netwerkniveauterwijl ook het opnemen van meerdere single-eenheden binnen de hersenen. Opnemen met deze tetrodes heeft een aantal belangrijke voordelen voor de eenheid identificatie en maakt het mogelijk de hoge nauwkeurigheid acquisitie en discriminatie van meerdere single-eenheden 11. We beschrijven hoe te fabriceren en goud-plate Tetrode bundels en dan vervolgens te laden in driveable elektroden dragers. Een type aandrijving drager beschrijven we de handel verkrijgbaar is en de andere is een eenvoudige, maar gemakkelijk uit te breiden, aandrijving ontwerp dat meerdere carriers en Tetrode arrangementen kunnen vangen zonder een aanzienlijke investering van middelen.

Protocol

1. Tetrode Fabrication Begin met geïsoleerde 12,5 micrometer (0.0005 ") diameter kern platina-iridium draad van Californië Fine Wire. De lengte van de draad moet worden gesneden om de juiste lengte van de beoogde structuur. Bijvoorbeeld, knip de draad aan ten minste 30 cm lang voor het richten van de dorsale subiculum of hippocampus. Vouw de draad over bij het midden, zodat er twee evenwijdige draden die zijn 15 cm lang. Drapeer het middelpunt van deze draad over een horizontale arm om vier p…

Representative Results

<p class="jove_content"> Na de microdrive implanteren verlagen van de elektroden met de beoogde doelen hersenen, een versterkte data acquisitie systeem, zoals een Neuralynx Lynx-8, is noodzakelijk voor het opnemen van neurale signalen. Vertegenwoordiger neurale opnames van lokale veld potentialen (LFP's) en single-unit actiepotentialen (vaak aangeduid als "spikes") van de muis dorsale subiculum worden getoond in<strong> Figuur 2</strong>. LFP signalen werden bemonsterd op 3 kHz en band-pass gefilterd tussen 0,1-500 Hz (<s…

Discussion

We hebben een set van technieken beschreven voor het construeren van licht en compact microdrives voor het opnemen van extracellulaire eenheid en veld potentiële activiteit in muizen. Door het bouwen van aangepaste microdrives met basen gevormd uit acrylglas (methylmethacrylaat), kan de kern van het systeem eenvoudig worden aangepast voor meerdere stations en voor het richten van een breed scala van neurale regio. We hebben met succes het systeem voor het registreren van meerdere hersenen doelen en met grotere arrays v…

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wij danken Daniël Carpi voor zijn hulp en vroeg bijdragen aan dit project. We danken ook Lucrecia Novoa voor haar hulp bij het kunstwerk en beelden. Dit werk werd ondersteund door NIH / NIAID programma subsidie ​​5P01AI073693-03.

Materials

Name of Reagent/Material Company Catalog Number Yorumlar
0.0005″ (12.5 μM) diameter Platinum-Iridium wire California Fine Wire CFW#100-167 HML VG insulated www.calfinewire.com
0.002″ (50 μM) diameter Stableohm 675 wire California Fine Wire CFW# 100-188 HML insulated Ni-Cr
polyamide tubing Polymicro Technologies 1068150020 99 micron I.D., 166 micron O.D. www.polymicro.com
brass guides World Plastics Inc 3.3 x 6.6 mm
Delrin blocks World Plastics Inc 3.13 x 2.5 mm
Fillister head brass screws J.I. Morris Co. 00-90 x 1/2 drive screw www.jimorrisco.com
hex brass nuts J.I. Morris Co. 00-90
Fillister head brass screws J.I. Morris Co. 000-120 x 3/32 EIB mount and ground screw
plexiglass acrylic Canal Street Plastics 5 mm thick, clear, www.cpcnyc.com
cyanoacrylate Krazy Glue 2 g tube
electronic interface board Neuralynx EIB-18 www.neuralynx.com
non-cyanide gold solution SIFCO SIFCO 5355 www.sifcoasc.com
VersaDrive 4 Neuralynx four tetrode model
tetrode assembly station Neuralynx
motorized tetrode spinner Neuralynx tetrode spinner 2.0
VersaDrive jig Neuralynx
soldering iron Radio Shack 64-2802B www.radioshack.com
nanoZ Neuralynx
small bit drill/driver Ram Products Rampower 35 with footpedal controller, www.ramprodinc.com
drill bits Small Parts, Inc. 3/32″ bits, www.smallpartsinc.com
dissecting microscope Olympus SZ-60 www.olympusamerica.com
heat gun Alphawire Fit gun 3 use setting “1” only, www.alphawire.com
26 AWG copper wire Arcor Electronics F26 for ground wires, www.arcorelectronics.com
soldering flux Eagle 2 oz, #205
0.02″ diameter solder Kester 24-6337-0010 www.kester.com
benchtop vise Vacu-Vise Model 300
fiber optic light Nikon MKII dual light arms, www.nikon.com
5-min epoxy Allied Electronics 25 ml, www.alliedelec.com
fine tweezers Roboz Surgical Instrument Co. RS-4907, RS-5010 INOX material, www.roboz.com
micro dissecting scissors Roboz Surgical Instrument Co. RS-5880

Table 1. Materials and reagents used for constructing tetrodes and microdrives.

Referanslar

  1. Recce, M. L., O’Keefe, J. The tetrode: a new technique for multi-unit extracellular recording. Soc. Neurosci. Abstr. 15, 1250 (1989).
  2. O’Keefe, J., Recce, M. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus. 3, 317-330 (1993).
  3. Chen, G., Wang, L. P., Tsien, J. Z. Neural population-level memory traces in the mouse hippocampus. PLoS ONE. 4 (12), e8256 (2009).
  4. Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents — EEG, ECoG, LFP, and spikes. Nat. Rev. Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).
  5. Tort, A. B., Kramer, M. A., et al. Dynamic cross-frequency coupling of local field potential oscillations in rat striatum and hippocampus during performance of a T-maze task. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 105 (51), 20517-20522 (2008).
  6. Seidenbecher, T., Laxmi, R., et al. Amygdalar and hippocampal theta rhythm synchronization during fear memory retrieval. Science. 301 (5634), 846-850 (2003).
  7. Yamamoto, J., Wilson, M. A. Large-scale chronically implantable precision motorized microdrive array for freely behaving animals. J. Neurophysiol. 100 (4), 2430-2440 (2008).
  8. Harris, K. D., Henze, D. A., et al. Accuracy of tetrode spike separation as determined by simultaneous intracellular and extracellular measurements. J. Neurophysiol. 84 (1), 401-414 (2000).
  9. Henze, D. A., Borhegyi, Z., et al. Intracellular features predicted by extracellular recordings in the hippocampus in vivo. J. Neurophysiol. 84 (1), 390-400 (2000).
  10. Chang, E. H., Huerta, P. T. Neurophysiological correlates of object recognition in the dorsal subiculum. Front. Behav. Neurosci. 6, 46 (2012).
  11. Gray, C. M., Maldonado, P. E., et al. Tetrodes markedly improve the reliability and yield of multiple single-unit isolation from multi-unit recordings in cat striate cortex. J. Neurosci. Methods. 63 (1-2), 43-54 (1995).
  12. O’Keefe, J., Dostrovsky, J. The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Res. 34 (1), 171-175 (1971).
  13. Wilson, M. A., McNaughton, B. L. Dynamics of the hippocampal ensemble code for space. Science. 261 (5124), 1055-1058 (1993).
  14. Buzsáki, G. . Rhythms of the Brain. , (2006).
  15. McHugh, T. J., Blum, K. I., et al. Impaired hippocampal representation of space in CA1-specific NMDAR1 knockout mice. Cell. 87 (7), 1339-1349 (1996).
  16. Resnik, E., McFarland, J. M., et al. The effects of GluA1 deletion on the hippocampal population code for position. J. Neurosci. 32 (26), 8952-8968 (2012).
  17. Cacucci, F., Yi, M., et al. Place cell firing correlates with memory deficits and amyloid plaque burden in Tg2576 Alzheimer mouse model. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (22), 7863-7868 (2008).
  18. Sigurdsson, T., Stark, K. L., et al. Impaired hippocampal-prefrontal synchrony in a genetic mouse model of schizophrenia. Nature. 464 (7289), 763-767 (2010).
  19. Engel, A. K., Moll, C. K., et al. Invasive recordings from the human brain: clinical insights and beyond. Nat. Rev. Neurosci. 6 (1), 35-47 (2005).
  20. Cash, S. S., Halgren, E., et al. The human K-complex represents an isolated cortical down-state. Science. 324 (5930), 1084-1087 (2009).

Play Video

Bu Makaleden Alıntı Yapın
Chang, E. H., Frattini, S. A., Robbiati, S., Huerta, P. T. Construction of Microdrive Arrays for Chronic Neural Recordings in Awake Behaving Mice. J. Vis. Exp. (77), e50470, doi:10.3791/50470 (2013).

View Video