该协议描述了在小鼠前肢肌肉中手工制作和手术植入肌电图 (EMG) 电极,以记录头部固定行为实验期间的肌肉活动。
小鼠系统神经科学研究中强大的遗传和分子工具使研究人员能够以前所未有的精度询问执行各种任务的头部固定小鼠的运动系统功能。小鼠的小尺寸使得运动输出的测量变得困难,因为传统的肌电图 (EMG) 记录肌肉活动的方法是为猫和灵长类动物等大型动物设计的。在市售的小鼠 EMG 电极之前,目前记录小鼠肌肉活动的金标准方法是在内部制作电极组。本文介绍了手工制造电极组、在与头板植入相同的手术中植入电极、将连接器固定在头板上以及术后恢复护理的既定程序的改进。恢复后,可以在头部固定行为期间获得数周的毫秒分辨率 EMG 记录,信号质量没有明显变化。这些记录能够精确测量前肢肌肉活动以及 体内 神经记录和/或扰动,以探测小鼠的运动控制机制。
近几十年来,小鼠已成为研究哺乳动物运动系统的有吸引力的模式生物。常见的实验方法包括头部固定小鼠执行运动任务,同时监测和/或扰动神经活动 1,2,3,4,5。在此类实验中,大型物种(如猫和灵长类动物)的运动系统研究传统上依赖于肌电图 (EMG) 直接测量运动输出 6,7,8。然而,记录小鼠的肌肉活动具有挑战性,因为它们的肌肉组织对于大型哺乳动物实验中使用的市售 EMG 电极来说太小了 9。许多研究人员选择通过视频 4,10,11 和/或行为表现 2,4,12 来跟踪肢体运动学,以间接探测运动输出,但这些方法缺乏检测神经活动及其扰动对肌肉的毫秒级时间尺度影响的分辨率。因此,对于对肌肉的直接神经控制感兴趣的研究人员来说,记录 EMG 是可取的。
肌电图涉及测量两点之间的电压,通常相隔一小段距离,大致平行于被记录的肌肉纤维。肌电图电极有表面(或“贴片”)和肌内(或“针”)两种。表面电极放置在皮肤上或覆盖在肌肉组织上,并用粘合剂或缝合固定。因此,表面电极的侵入性比肌内电极小,并且由于相对易于使用,因此最受人类、猫和灵长类动物的欢迎。表面电极也已成功用于大鼠和小鼠13,14;然而,它们必须是手工制作并通过手术植入皮肤下的,因为啮齿动物在梳理时往往会试图去除异物。另一方面,肌内肌电图电极通过手术植入肌肉组织内。因为它们被肌肉组织吞没,所以它们提供高空间分辨率并无限期地保持在原位。因此,植入式肌内肌电图电极是表面电极上使用啮齿动物进行长期实验的理想选择。为了可靠地记录小鼠的肌内肌内 EMG,研究人员开发了一种在成年小鼠前臂小的肌肉中手工制造和植入 EMG 电极的方法。这些电极可以在啮齿动物的运动行为中持续数周进行慢性肌肉记录。
此处描述的协议是对已建立方法 15,16,17,18 长达十年的改进的结果,它产生了一种用于手工制造、植入和记录长期植入行为小鼠肘部和手腕的屈肌/伸肌对的线 EMG 电极的程序。第一部分描述了手动制造一个电极组,该电极组具有四个电极对和一个用于头部平台接口的 8 针连接器。下一节详细介绍了在与头板植入相同的手术中将电极肌肉注射到上臂和下臂肌肉中。最后,讨论了执行各种行为的小鼠的代表性录音。总体而言,这种方法是一种经济高效且可定制的方法,可将肌肉活动测量纳入头部固定行为实验,非常适合具有一定电极制造经验的实验室。
所有实验和程序均根据 NIH 指南进行,并经西北大学机构动物护理和使用委员会批准。其他国家和/或机构可能有不同的法规要求修改此程序。本研究中包括的动物是 C57BL6/J 成年雄性(见 材料表),年龄为 12-20 周,最低体重为 20 克。
1. 电极组制造
注意:使用放大倍率范围为 10 倍至 40 倍的立体显微镜和干净的裸手在干净的工作台上执行这些步骤。有关详细说明电极线剥线(图 1A)和连接器组件(图 1B)的图表,请参见图 1。
2. 电极植入手术
注意:本节描述了将上一节中制造的头板和电极植入肱三头肌、二头肌、桡侧腕伸肌 (ECR) 和掌长肌 (PL) 的单一外科手术。对于后两块肌肉,如果不穿过附近的协同肌,就很难将电极专门植入这些单独的肌肉中。请参阅下面的讨论,了解尝试将录音与单个肌肉隔离的注意事项。头板通常是为特定实验定制设计和制造的。本研究使用 3D 打印的塑料铆钉头板19。许多开源头板设计可通过 Janelia、Allen Institute 和独立研究小组在线获得。此处描述的头板程序已成功用于钛和塑料头板。外科手术必须在立体定位器(见 材料表)上进行,立体显微镜的放大倍率范围为 10-40 倍。
3. 将电极插入肌肉
4. 术后护理
图 2、 图 3 和 图 4 显示了从执行不同行为的小鼠前肢肌肉记录的标准化肌肉活动:在没有头部固定的情况下在跑步机上行走(图 2),在头部固定下爬上旋转的轮子(图 3),以及在头部固定下伸手去拿水滴(图 4)。 图 2 显示了 1.5 s 的跑步机运动,根据两次肘屈肌激活之间的时间估计出一个近似的步长周期。 图 3 显示了一只动物的 5 秒 EMG 数据,该动物在植入后 6 周腕伸肌电极衰竭。在 图 3A 中,所有四个电极都产生一个干净的 EMG 信号,该信号与车轮的转动(表示爬升)对齐。 图 3B 显示了故障后来自同一电极的信号:腕伸电极产生不随动物运动而变化的噪声信号。 图 4 显示了在鼠标从静止过渡到伸手去拿水滴的任务期间,四个前肢肌肉群的 1 秒 EMG。
在 图 2、 图 3 和 图 4 中,使用差分放大器放大电压信号并过滤带通 (250-20,000 Hz)。 然后将原始电压子采样为 1 kHz 并进行 z 评分,以便在数据集之间进行比较。再次注意,虽然电极植入方案中指定的四块肌肉(二头肌、肱三头肌、ECR 和 PL)中,但不能保证相邻的协同肌肉不会影响 EMG 信号;因此,为了准确起见,每个录音都被分配到其 Synergy 组(肘屈肌等)。验证来自单个肌肉的孤立记录需要在多个协同体中同时记录,以检测肌肉记录之间的串扰,这可能非常困难,尤其是在小鼠的下臂中。
图 1:电极组制造的示意图。 (A) 单个电极对的示意图。灰色区域表示剥离的位置。(B) 将单个完整的电极对插入连接器的连接器组件示意图。(B) 中的图表不是按比例缩放的。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 2:在跑步机上自由移动(非头部固定)的小鼠的四块肌肉的代表性 EMG 记录。 总持续时间为 1.5 秒。步长周期是根据连续肘伸肌激活之间的时间估计的。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 3:头部固定小鼠执行自然攀爬行为的四块肌肉的代表性 EMG 记录。第 5 行显示旋转编码器读出的爬升轮的位置;该值的变化表明车轮正在转动,动物正在积极攀爬。总持续时间为 5 秒。(A) 在攀爬期间记录植入后 36 天。(B) 在同一只小鼠中植入腕伸电极失败后 72 天的记录。请单击此处查看此图的较大版本。
图 4:头部固定小鼠从静止过渡到执行伸手运动的四块肌肉的代表性 EMG 记录。 总持续时间为 1 秒。 请单击此处查看此图的较大版本。
该协议能够从执行各种行为的头部固定小鼠的稳定肌肉活动记录数周。最近,这种方法已被用于检查跑步机运动18,20、操纵杆拉动任务18 和共收缩任务21 等行为期间肢体肌肉组织的神经控制。虽然此处描述的协议特定于小鼠肘部和腕部肌肉,但通过更改电极对的长度和/或总数,可以很容易地对其进行修改以记录来自不同肌肉或不同数量的肌肉。此处描述的方法改编自以前用于记录没有头枕的小鼠前肢和后肢肌肉活动的方法 15,16,17。
电极制造需要大量的实践才能掌握。建议在学习时每天练习 1-2 小时。剥去电极是最具挑战性的步骤,因为在不损坏底层电线的情况下切割绝缘层所需的力非常精确。这种程度的力取决于刀片的锋利度,因此经常更换手术刀刀片有助于确保学习过程中的可重复性。将电线焊接到连接器的黄铜刀片上也可能很困难,因为不锈钢不容易焊接。涂抹大量与不锈钢兼容的助焊剂有助于促进连接。
植入手术过程中的主要挑战是在不干扰植入的金属丝或近端结的情况下打结远端结。近端结必须足够大,以防止在插入部位滑入肌肉 - 因此,避免在电极组制造的第 2 步中将结打得太紧。如果近端结在植入后迁移,请使用碳纤维尖头的镊子小心地重新定位。慢慢收紧远端结,同时用镊子牢牢抓住金属丝,以避免将整个电极拉过。此步骤对于确保植入电极的使用寿命至关重要:电极上施加的过多张力会导致它在动物移动时断裂,而松动的电极会在恢复过程中移动,并在组织愈合时失去与相关肌肉的接触。
动物从手术中恢复得非常好,尽管需要注意潜在的并发症。首先,如果有机会,老鼠会咀嚼它们的缝合线和电极。虽然伊丽莎白时代的项圈可以防止这种情况发生,但它也会阻止动物自行梳理毛发。一些小鼠的眼睛周围会出现粘液状堆积物。偶尔的雄性小鼠,尤其是年长的雄性小鼠,会出现尿道阻塞,这可能会让动物感到痛苦。在检查缝合线之前,每天让动物梳理自己 20 分钟,应该给动物足够的时间来防止这些问题。
需要注意此方法的重要限制。首先,这些定制电极通常无法解决单个电机单元的活动。此外,不能保证电信号仅来自特定肌肉(即二头肌),因为很难排除附近协同肌活动的串扰。因此,在出版物中,研究人员通常通过其协同组(即肘屈肌)来引用记录的肌肉。建议在每次实验后进行尸检解剖,以验证每个电极的位置,因为它们在恢复过程中可能会在组织中移动。
对单运动单元活动感兴趣的研究人员应考虑尝试埃默里大学高级运动生物工程研究中心 (CAMBER) 新开发的 EMG 电极。这些电极仍在开发中,但 CAMBER 将提供最新的电极设计。这些电极的主要缺点是使用寿命长:本协议中描述的手工制造电极通常允许记录数周,而 CAMBER 电极最适合短期实验。选择 EMG 记录方法的研究人员可以直接联系 CAMBER,以确定他们的电极是否适合给定的实验。
没有。
作者要感谢 Claire Warriner 博士为该方法的开发做出了贡献。Mark Agrios 和 Sajishnu Savya 协助准备图表。这项研究得到了 Searle 学者奖、斯隆研究奖学金、Simons 全球大脑飞行员合作奖、白厅研究资助奖、芝加哥生物医学联盟在芝加哥社区信托基金 Searle 基金的支持下的支持、NIH 赠款 DP2 NS120847 (AM) 和 NIH 赠款 2T32MH067564 (AK)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
#11 Scalpel Blades | World Precision Instruments | 504170 | For EMG electrode fabrication |
#3 Scalpel Handle | Fine Science Tools | 10003-12 | For EMG electrode fabrication |
1 mL Sub-Q Syringe (100 pack) | Becton Dickinson | 309597 | For administering injectable drugs |
12-pin connector | Newark | 33AC2371 | 12-pin connector with brass fittings; for EMG electrode fabrication |
18 G Needles | Exel International | 26419 | For EMG electrode fabrication |
27 G Needles | Exel International | 26426 | For EMG electrode fabrication |
3 M Transpore Surgical Tape | 3M | 1527-0 | For taping animal's limbs out during surgery |
6-0 silk sutures | Henry Schein | 101-2636 | These sutures work well with delicate skin around the wrists |
C&B Metabond Complete Kit | Pearson Dental | P16-0126 | Dental cement to affix connector to headplate |
C57BL6/J Mice | Jackson Laboratories | #000664 | Wild type mice |
Carbofib 5-CF Tweezers (2) | Aven tools | 18762 | Carbon fiber tipped forceps, used to manipulate delicate parts of electrode (stripped or inserted sections) |
Carprodyl (Carprofen) 50 mg/mL Injection | Ceva Animal Health, LLC | G43010B | Injectable analgesic for pain management during and after surgery |
Castroviejo Micro Needle Holder | Fine science tools | 12060-01 | For suturing |
Castroviejo Needle Holder (large) | Fine science tools | 12565-14 | For inserting needle into muscle |
Delicate Bone Scraper | Fine science tools | 10075-16 | To separate skin from underlying tissue |
Dietgel 76A Dietary Supplement | Clear H2O | 72-07-5022 | For post-operative care |
Dumont #5/45 Forceps | Fine science tools | 11251-35 | To remove fascia overlying muscle |
Elizabethan collar for mouse | Kent Scientific Corporation | EC201V-10 | For post-operative care |
Enrofloxacin 2.27% | Covetrus | #074743 | Injectable antibiotic for use during and after surgery |
Epoxy gel | Devcon | 14265 | For EMG electrode fabrication |
Hopkins Bulldog Clamp (4) | Stoelting | 10-000-481 | Tissue clamps for headplate implantation |
Isoflurane Solution | Covetrus | 11695067771 | Inhalable anesthesia |
Lidocaine Hydrochloride Injectable - 2% | Covetrus | #002468 | Topical analgesic for pain management during surgery |
Medical Grade Oxygen | Airgas | OX USP200 | For administering isoflurane during surgery |
MetriCide 1 Gallon | Metrex | 10-1400 | Glutaraldehyde solution for cold-sterilization of headplate and electrodes |
MetriTest Strips 1.5% | Metrex | 10-303 | Test strips for monitoring glutaraldehyde solution (recommended) |
Model 900LS Small Animal Stereotaxic Instrument | Kopf Instruments | 900LS | Stereotax with lazy susan feature that allows platform rotation during surgery |
PFA-coated 0.0055" braided stainless steel wire | A-M systems | 793200 | For EMG electrode fabrication |
Povidone-iodine prep pads | Dynarex | 1108 | For cleaning skin |
Puralube Vet Ointment | Dechra | 37327 | Eye ointment for surgery |
Sterile alcohol prep pads | Dynarex | 1113 | For cleaning skin |
Straight fine #5 forceps | Fine science tools | 11295-10 | For curling wire after insertion |
Straight fine scissors | Fine science tools | 14060-11 | For cutting wire |
Student Vannas Spring Scissors | Fine science tools | 91500-09 | For making incisions, trimming fat and fascia, and suturing |
Technik Tweezers 7B-SA (2) | Aven tools | 18074USA | Curved blunt forceps, for general use during surgery |
Triple Antibiotic Ointment | Walgreens | 975863 | Topical antibiotic for surgery |
V-1 Tabletop Laboratory Animal Anesthesia System | VetEquip | 901806 | Contains all necessary equipment for anesthesia induction and scavenging including vaporizer, induction chamber, moveable plastic nose cone, and tubing |
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