غرس المزمن من الصفيف اليكتروكورتيكوجرافيك الجامعة القشرية في مرموز المشتركة

Misako Komatsu; Takaaki Kaneko; Hideyuki Okano; Noritaka Ichinohe

doi:10.3791/58980

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

وقد وضعنا مجموعة اليكتروكورتيكوجرافيك الجامعة القشرية مرموز المشتركة التي تغطي تقريبا كامل السطح الجانبية للقشرة، من القطب والقفويه إلى الزمانية واقطاب أمامي باستمرار. يصف هذا البروتوكول إجراء زرع مزمن في الصفيف في الفضاء فوق الجافية الدماغ مرموز.

Abstract

اليكتروكورتيكوجرافي (ECoG) يتيح رصد إمكانات الحقل الكهربائي من قشرة الدماغ مع ارتفاع القرار الزمانية المكانية. وقد مكن التطور الأخير لأقطاب اكوج رقيقة ومرنة توصيل تسجيلات مستقرة لنشاط القشرية على نطاق واسع. وقد وضعنا مجموعة اكوج الجامعة القشرية مرموز المشتركة. الصفيف يغطي بشكل مستمر تقريبا كامل السطح الأفقي القشرية نصف الكرة الأرضية، من القطب والقفويه إلى الزمانية واقطاب أمامي، وتلتقط كل القشرية النشاط العصبي في طلقة واحدة. يصف هذا البروتوكول إجراء زرع مزمن في الصفيف في الفضاء فوق الجافية الدماغ مرموز. وقد والمراميز اثنين من المزايا المتعلقة بالتسجيلات اكوج، واحد يجري تنظيم الهياكل التشريحية في البشر وماكاكويس، بما في ذلك مجمعات أمامي والجدارية، والزمانية مثلى. ميزة أخرى هي أن الدماغ مرموز ليسينسيفاليك ويحتوي على عدد كبير من المجمعات، والتي أكثر صعوبة للوصول في ماكاكويس مع اكوج، التي يتعرض لها على سطح الدماغ. هذه الميزات السماح بالوصول المباشر إلى معظم المناطق القشرية تحت سطح المخ. هذا النظام يوفر فرصة للتحقيق في المعلومات القشرية العالمية التجهيز مع دقة عالية في النظام الفرعي ميلي ثانية واحدة في الوقت وترتيب ملليمتر في الفضاء.

Introduction

ويتطلب الإدراك تنسيق الفرق العصبية عبر شبكات الدماغ على نطاق واسع، ولا سيما اللحاء الجديد متطور في البشر، ويعتقد أنهم متورطون في السلوكيات المعرفية أعلى. ومع ذلك، كيف اللحاء الجديد يحقق هذا السلوك المعرفي مسألة لم تحل بعد في مجال علم الأعصاب. التطور الأخير لأقطاب اليكتروكورتيكوجرافيك رقيقة ومرنة (ECoG) يتيح توصيل تسجيلات مستقر من النشاط على نطاق واسع القشرية¹. فوجي والزملاء بوضع مجموعة اكوج الجامعة القشرية المكاك القرود²^،³. الصفيف بشكل مستمر يغطي تقريبا قشرة كامل الأفقي، من القطب والقفويه للقطبين الزمانية وأمامي، ويلتقط نشاط العصبية الجامعة القشرية في طلقة واحدة. كذلك قمنا بتطوير هذا النظام للتطبيق في⁴^،مرموز المشترك⁵، وقرد الصغيرة، عالم جديد مع مانيبولابيليتي الوراثية⁶^،⁷. هذا الحيوان له العديد من المزايا مقارنة بالأنواع الأخرى. البصرية والسمعية، وسوماتوسينسوري، والسيارات، والمناطق القشرية أمامي من هذا النوع قد تم تعيينها سبق وذكرت أن المنظمة الأساسية المتجانسة لنفس المناطق في البشر وماكاكويس⁸^،⁹^، ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶-ادمغتهم بسلاسة، وتتعرض المناطق القشرية الجانبي الأكثر لسطح القشرة، التي أكثر صعوبة للوصول مع اكوج في ماكاكويس. استناداً إلى هذه الميزات، مرموز مناسبة للدراسات اليكتروكورتيكوجرافيك. وعلاوة على ذلك، والمراميز يحمل السلوكيات الاجتماعية وقد اقترحت لتكون بمثابة نموذج مرشح للسلوكيات الاجتماعية البشرية¹⁷.

ويصف هذا البروتوكول إجراء زرع فوق الجافية من الصفيف اكوج على السطح كله جانبية من القشرة في مرموز مشتركة. ويوفر فرصة لرصد نشاط القشرية على نطاق واسع لعلم الأعصاب القشرية الرئيسيات، بما في ذلك، الحسية والحركية، أعلى من المجالات المعرفية، والاجتماعية.

Protocol

تنفيذ هذا البروتوكول على 6 والمراميز المشتركة (4 من الذكور، والإناث 2؛ ووزن الجسم = غ 320-470؛ سن = أشهر 14-53). وأجريت جميع الإجراءات وفقا لتوصيات "معاهد الصحة الوطنية للمبادئ التوجيهية" لرعاية واستخدام الحيوانات المختبرية. تمت الموافقة البروتوكول اللجنة الأخلاقية بتبريد (رقم H28-2-221(3)). وأجريت جميع العمليات الجراحية تحت التخدير، وقد بذلت جميع الجهود التقليل من عدد الحيوانات المستخدمة كذلك الانزعاج.

1-إعداد

الحصول على صورة هيكلية رنين المغناطيسي (التصوير بالرنين المغناطيسي) لكل الدماغ الفردية. سيتم استخدام هذا لتحديد مواقف القطب من خلال التسجيل مع مرموز الدماغ أطلس والكمبيوتر التصوير المقطعي (CT).
إعداد صفيف اكوج: إعداد مجموعة اكوج الأقنية مخصصة (الشكل 1A). مجموعة اكوج 96ch يتكون من ورقتين مع أقطاب 32 و 64. ولمراعاة الفروق الفردية في حجم الدماغ، يحتوي الصفيف اكوج ذراع مرنة. يمكن أن تغطي الذراع القطب الزمانية، اعتماداً على شكل الدماغ الفردية. وضع أقطاب مرجعية تواجه قبالة أقطاب اكوج واقطاب الأرض التي تواجه نفس الاتجاه.
1. تجميع الصفيف اكوج مع حالة موصل (الشكل 1B) وإغلاق ثغرات موصل (الشكل 1) استخدام اﻷكريليك الغراء لمنع تدفق السائل أثناء الجراحة. تعقيم الصفيف مع غاز أكسيد الايثلين.
تحضير وتعقيم الأدوات.
ملاحظة: وترد جميع الأدوات المستخدمة في الجدول للمواد.

2-غرس الصفيف اكوج

ملاحظة: سحب ابتلاع الغذاء والسوائل أكبر من 4 ح قبل الجراحة. تنفيذ كافة الخطوات الجراحية مع تقنية معقمة باستخدام قفازات معقمة والصكوك.

إجراءات ما قبل الزرع
1. حمل التخدير في مرموز طريق الحقن العضلي (الدردشة) من الكيتامين (15 مغ/كغ) 5 دقيقة بعد حقن الأتروبين (0.08 مغ/كغ) الدردشة.
2. تخدير والمحافظة على التخدير باستخدام إيسوفلوراني (1-3% المخفف بخليط أكسيد النيتروز/الأكسجين) استناداً إلى حالة الحيوان الفسيولوجية، التي ينبغي باستمرار رصد. تأكد من أن معدل ضربات القلب 130-180 نبضة في الدقيقة ومراقبة حرارة الجسم وتشبع الأكسجين في الدم الشرياني (SpO2) بشكل مستمر للحكم على حالة الحيوان.
3. يحلق أعلى رأس الحيوان مع لوس أنجليس كليبرز ومزيل شعر. شطف كريم إزالة الشعر قبالة الجلد بالشاش الرطب تماما، أو أنه سوف يتسبب في تلف الجلد.
4. إدارة المضادات الحيوية (سيفوفيسين؛ 16 مغ/كغ الليبي)، الخافضة للضغط (الفوروسيميد؛ الدردشة 2.0 مغ/كغ)، وأنتيهيمورهاجيك (كاربازوتشرومي الصوديوم المشبعة بالفلور أوكتين الصودا الكاوية؛ والدردشة 0.2 مغ/كغ).
5. ضع الحيوان في إطار ستيريوتاكسيك. وفي هذا الوقت، تطبيق جيلي ليدوكائين 2% إلى الحانات الإذن والعيون مرهم للعين لمنع جفاف والألم بعد العمل الجراحي.
6. تطهير المنطقة الجراحية بمحلول اليود وتغطية ذلك مع تعقيم الستائر. تطبيق هلام ليدوكائين 2% إلى مكان شق الجلد.
إجراءات زرع
1. جداً الجلد حوالي 4 سم من خلال خط الوسط لفروة الرأس مع مشرط. فصل العضلات الزمانية من الجمجمة مع كورت حتى يتعرض لها كل من منطقة العمليات الجراحية. تنظيف الأنسجة على سطح الجمجمة ووقف النزيف تماما مع ضغط الأرقاء والشمع العظام، إذا لزم الأمر. التفاف على حافة الجلد والعضلات مع شاش ترطب. الاحتفاظ شاش مبلل أثناء الجراحة.
2. ضع الحافة الأمامية من الصفيف على حافة القطب أمامي. علامة منطقة مخطط اوديما والشقوق، وثقوب في الجمجمة مع قلم رصاص عقيمة. موقع اوديما سيتوقف على تصميم الصفيف (الشكل 2).
3. حفر اوديما على طول مارك 1، كما هو مبين في الشكل 2. أثناء الحفر العظام، ضربة جوية في طليعة للحفاظ على رؤية واضحة للجراح. المقبل، وقطع العظام طوال الطريق حول مارك 2، كما لا يزال سوف يتم إرفاق قطعة العظم دوراً في المركز. أرفع القطعة بلطف من حافة واحدة وتقشر في بلده دوراً بملعقة. ويجب أن تجري هذه العملية ببطء وعناية، أو أنها سوف المسيل للدموع في بلده دوراً بسهولة.
  1. إزالة نصائح العظام من قطعة العظم والتفاف قطعة شاش ترطب، كما سيتم إرجاع هذه القطعة بعد غرس الصفيف.
4. أداء اوديما 3 و 4 كما هو مبين في الشكل 2. تسمح هذه إدخال أقطاب كهربائية في أوربيتوفرونتال والمناطق والقفويه، على التوالي.
5. حفر الشقوق على العلامة 5 كما هو مبين في الشكل 2. هذه الشقوق تسمح للنظر في الصفيف لضمان أن يتم إدراجها بشكل صحيح.
6. سوف يتعرض الآن دوراً. تغسل المنطقة بالمياه المالحة ووقف النزيف بالضغط الأرقاء والإسفنج جيلاتين، إذا لزم الأمر. حافة اوديما المفتوحة قد تحتاج إلى تنظيف مع رونجيور كورت أو العظام.
7. جعل الشقوق (علامة 6 في الشكل 2) إلى أقطاب المرجعية التي يتم وضعها. وضع أقطاب المرجعية في الفضاء فوق الجافية في المناطق الجانبية كونترا حسي حركي ووالقفويه. وينبغي تحديد الموقف وفقا لاحتياجات محددة تجريبية.
8. حفر ثقوب المسمار في أربع نقاط حول كل ساق الموصل مع المسمار 1.0 مم (الصلبان في الشكل 2). لمنع الأضرار بهذه المسألة دوراً، تضاف ملعقة تحت الجمجمة. ينبغي أن تكون هذه الثقوب متعامدة ضد الجمجمة. ثم قم بتثبيت مسامير خاطفة (1.4 x 2.5 ملم) كنقاط ارتساء لإصلاح الرابط في الجمجمة.
9. إدراج الصفيف اكوج في الفضاء فوق الجافية. استخدام الرأس الملقط عقد الصفيف.
  ملاحظة: ينبغي إدراج الصفيف دون الانحناء. إذا كان الصفيف عازمة، خلق مساحة مناسبة بإضافة ملعقة بين الجمجمة ودورا. إذا كان الانحناء بسبب الحجم الصغير نسبيا للدماغ، وقطع بعض أقطاب كهربائية.
10. إصلاح أقطاب المرجعية والأرض مع اكريليك أسنان. وضع أقطاب المرجعية في الفضاء فوق الجافية واقطاب الأرض على سطح الجمجمة. ينبغي أن تواجه كل جهات الاتصال في الجمجمة.
11. إعادة وضع قطعة العظم وإصلاح وظيفة الموصل ورئيس للجمجمة مع اﻷكريليك الأسنان على المسامير.
12. خياطة الجلد مع النايلون 6-0 في جبهته ورأسه من الخلف، وإصلاح الجلد على جانبي الموصل باستخدام عمليات الإغلاق الجلد.
إجراءات ما بعد زرع
1. إزالة الحيوان من الإطار ستيريوتاكسيك. كفالة إبقاء الحيوان الحارة وتزود بالأوكسجين أثناء الخطوات التالية.
2. فورا بعد جراحة، حقن الحيوانات مع ميلوكسيكام (الدردشة 0.3 مغ/كغ) تقليل الألم بعد العمل الجراحي. إدارة الكورتيزون المضادة للالتهابات (الديكساميتازون؛ الدردشة 2.0 مغ/كغ) والحقن تحت الجلد (حل لاكتاتيد المسابقة؛ مل 5.0)، بما في ذلك فاموتيدين (0.5 ملغ/كغ) جاستروبروتيكتانت.
  ملاحظة: استخدام المسكنات متزامنة مع المنشطات لديها إمكانات للآثار الجانبية المعدية المعوية.
3. بعد أن استعاد الحيوان (تأكيد بمعدل ضربات القلب و SpO2)، قم بإزالة علامة حيوية الرصد ونقل الحيوان إلى وحدة العناية المركزة لمدة 2-3 أيام.

3-بعد العملية الجراحية في المعاملة

ملاحظة: عادة ما يستغرق 5 أيام للحيوانات للتعافي تماما من الجراحة.

لمنع حدوث تورم الدماغ، إدارة الديكساميتازون القشرية للالتهابات (2.0 مغ/كغ) مرتين يوميا اليوم الأول بعد الجراحة. بعد ذلك، خفض الجرعة إلى 1.5 ملغ/كغ مرتين يوميا في اليومين الثاني والثالث، و 1 ملغ/كغ مرتين يوميا في اليوم الرابع.
إدارة تخفيف الألم (ميلوكسيكام؛ 0.1 مغ/كغ عن طريق الفم مرة واحدة في يوم)، وأنتيهيمورهاجيك (كاربازوتشرومي الصوديوم لسلفونات الأوكتين الفلورة هيدرات; الدردشة 0.2 مغ/كغ مرتين يوميا) لمدة 5 أيام بعد الجراحة.
ملاحظة: وفي حالتنا، 1-2 أيام بعد الجراحة، أصبحت بعض والمراميز (3 من أصل 6) أقل نشاطا وقيء. هذا قد يكون ناجماً عن ازدياد الضغط داخل الجمجمة بسبب تجلط الدم. عندما قدم والمراميز هذه الأعراض، ونحن فتح الرأس وإزالة تجلط تحت التخدير العام (الفاكسالوني). إذا كان هناك لا الانحناء الصفيف اكوج خلال غرس، كان تجلط الدم المحتمل في الفضاء بين المصفوفة وحيث تم إرجاع قطعة العظم. وفي هذه الحالة، يمكن غسلها تجلط الدم بعيداً عن طريق تشغيل المالحة في الفضاء باستخدام قسطرة. عادة ما يؤدي هذا الإجراء إلى الانتعاش في الحيوان.
تحديد مواقع القطب
1. حوالي أسبوع بعد الجراحة، وإجراء فحص كمبيوتر التصوير المقطعي (CT) رأس الحيوان.
  ملاحظة: وهذا فرصة جيدة للتحقق من حالة إشارات يمكن تسجيلها بشكل صحيح. فتح حالة موصل وإزالة أي تجلط الدم إذا لم تكن موجودة.
2. قم بمحاذاة التصوير بالرنين المغناطيسي T2 المرجحة للإحداثيات ستيريوتاكسيك استخدام أعلن البرنامج¹⁸ (https://afni.nimh.nih.gov) (الشكل 3A). محاذاة الصورة المقطعية للصور T2 المرجحة الرنين المغناطيسي التشريحية مع أعلن (الشكل 3B). تسجيل أطلس الدماغ مرموز للتصوير بالرنين المغنطيسي (الشكل 3) أعلن والنمل¹⁹.

النتائج

يمكن التقاط الصفيف اكوج الجامعة القشرية في نفس الوقت نشاط الخلايا العصبية من نصف الكرة الأرضية بأكملها. ويبين الشكل 4 أمثلة على إمكانات مقولة السمعية (عبس) من المجالات السمعية متعددة في مرموز مستيقظا. وقد أجريت تسجيلات اكوج في شروط الاستماع السلبي. وكان ي?...

Discussion

لزرع ناجحة، ينبغي تزويد الحيوانات بالتغذية الكافية قبل وبعد الجراحة. قصيرة وقت التشغيل مهم أيضا لتحسين الانتعاش للحيوان. ينبغي أن يتم الانتهاء من الأعمال التحضيرية قبل جراحة يوم واحد على الأقل. لتقليل وقت التشغيل، يوصي بتدريب اوديما السابقة مع قطب كهربائي الصفيف الإدراج في إنهاء الحيوان...

Disclosures

هو تطبيق عضو الكنيست لبراءات اختراع في الجامعة القشرية الصفيف اكوج أنها استخدمت في هذا البروتوكول (رقم 2018-210975).

Acknowledgements

ونحن نشكر يوري شينوموتو لتوفير رعاية الحيوان، والتدريب، وتسجيلات مستيقظا. صفائف اكوج صنعت قبل Cir الفائقة (www.cir-tech.co.jp). وعلاوة على ذلك، نود أن نشكر اديتاجي (www.editage.jp) لتحرير اللغة الإنجليزية. هذا العمل وأيده "رسم خرائط الدماغ" قبل "نيوروتيتشنولوجيس المتكاملة" "دراسات الأمراض" (المخ/العقول)، الوكالة اليابانية "الأبحاث الطبية" والتنمية (AMED) (JP18dm0207001)، "مشروع علوم المخ" مركز "مبادرات العلوم رواية" ( الهوية)، المعاهد الوطنية للعلوم الطبيعية (نينس) (BS291004، عضو الكنيست)، والجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (JSPS) كاكينهي (JP17H06034، عضو الكنيست).

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Beaker (100 cc)			Outocrave
Cotton ball			Outocrave
Absorption triangles	Fine Science Tools Inc.	18105-03	Outocrave
Cotton swab with fine tip	Clean Cross Co., Ltd.	HUBY340 BB-013	Outocrave
Gauze			Outocrave
Towel forceps			Outocrave
Scalpel handle			Outocrave
Needle Holder			Outocrave
Iris Scissor			Outocrave
Micro-Mosquito Forceps			Outocrave
Adson, 1x2 teeth			Outocrave
Bone Curette			Outocrave
Micro spatura	Fine Science Tools Inc.	10091-12	Outocrave
Needle Holders, 12.5cm, Curved, Smooth Jaws	World Precision Instruments	14132	Outocrave
Vessel Dilator, 12cm, 0.1mm tip	Fine Science Tools Inc.	18131-12	Outocrave
Vessel Dilator, 12cm, 0.2 mm tip	Fine Science Tools Inc.	18132-12	Outocrave
Fine-tipped rongeur	Fine Science Tools Inc.	16221-14	Outocrave
Manipurator of a stereotaxic frame			Gas sterilization
Wrench for the manipurator			Gas sterilization
Hand-made fixture for the connector			Gas sterilization
Silicon cup for dental acril			Gas sterilization
Silicon cup hlder			Gas sterilization
Paintbrush			Gas sterilization
Pencil			Gas sterilization
Micro screw, 1.4 mm x 2.0 mm	Nippon Chemical Screw Co., Ltd.	PEEK/MPH-M1.4-L2	Gas sterilization
Screw driver for the micro screw			Gas sterilization
Micromotor handpiece of a drill			Gas sterilization
Stainless steel burr, 1.4 mm			Gas sterilization
Stainless steel burr, 1.0 mm			Gas sterilization
Drill bit, 1.2 mm			Gas sterilization
Rubber air blower			Gas sterilization

References

Fukushima, M., Chao, Z. C., Fujii, N. Studying brain functions with mesoscopic measurements: Advances in electrocorticography for non-human primates. Current Opinion in Neurobiology. 32, 124-131 (2015).
Nagasaka, Y., Shimoda, K., Fujii, N. Multidimensional recording (MDR) and data sharing: an ecological open research and educational platform for neuroscience. PLoS One. 6 (7), e22561 (2011).
Fukushima, M., et al. An electrocorticographic electrode array for simultaneous recording from medial, lateral, and intrasulcal surface of the cortex in macaque monkeys. Journal of Neuroscience Methods. 233, 155-165 (2014).
Komatsu, M., Sugano, E., Tomita, H., Fujii, N. A Chronically Implantable Bidirectional Neural Interface for Non-human Primates. Frontiers in Neuroscience. 11, 514 (2017).
Komatsu, M., Takaura, K., Fujii, N. Mismatch negativity in common marmosets: Whole-cortical recordings with multi-channel electrocorticograms. Scientific Reports. 5, 15006 (2015).
Sasaki, E., et al. Generation of transgenic non-human primates with germline transmission. Nature. 459 (7246), 523-527 (2009).
Okano, H., et al. Brain/MINDS: A Japanese National Brain Project for Marmoset Neuroscience. Neuron. 92 (3), 582-590 (2016).
de la Mothe, L. A., Blumell, S., Kajikawa, Y., Hackett, T. A. Cortical connections of auditory cortex in marmoset monkeys: lateral belt and parabelt regions. Anatomical Record. 295 (5), 800-821 (2012).
Kaas, J. H., Hackett, T. A. Subdivisions of auditory cortex and processing streams in primates. Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (22), 11793-11799 (2000).
Ghahremani, M., Hutchison, R. M., Menon, R. S., Everling, S. Frontoparietal Functional Connectivity in the Common Marmoset. Cerebral Cortex. , (2016).
Belcher, A. M., et al. Functional Connectivity Hubs and Networks in the Awake Marmoset Brain. Frontiers in Integrative Neuroscience. 10, 9 (2016).
Mitchell, J. F., Leopold, D. A. The marmoset monkey as a model for visual neuroscience. Neuroscience Research. 93, 20-46 (2015).
Solomon, S. G., Rosa, M. G. A simpler primate brain: the visual system of the marmoset monkey. Frontiers in Neural Circuits. 8, 96 (2014).
Burman, K. J., Palmer, S. M., Gamberini, M., Rosa, M. G. Cytoarchitectonic subdivisions of the dorsolateral frontal cortex of the marmoset monkey (Callithrix jacchus), and their projections to dorsal visual areas. Journals of Comparative Neurology. 495 (2), 149-172 (2006).
Bakola, S., Burman, K. J., Rosa, M. G. The cortical motor system of the marmoset monkey (Callithrix jacchus). Neuroscience Research. 93, 72-81 (2015).
Krubitzer, L. A., Kaas, J. H. The organization and connections of somatosensory cortex in marmosets. Journal of Neuroscience. 10 (3), 952-974 (1990).
Miller, C. T., et al. Marmosets: A Neuroscientific Model of Human Social Behavior. Neuron. 90 (2), 219-233 (2016).
Cox, R. W. AFNI: software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
Avants, B. B., et al. A reproducible evaluation of ANTs similarity metric performance in brain image registration. Neuroimage. 54 (3), 2033-2044 (2011).
Hashikawa, T., Nakatomi, R., Iriki, A. Current models of the marmoset brain. Neuroscience Research. 93, 116-127 (2015).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

144

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated:

Method Article