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電気生理学用に設計されたマイクロインジェクストローデシステムと、オプションの薬物注入による実験プローブ(ナノセンサ、マイクロ電極)の送達を支援します。広く利用可能なマイクロ流体成分は、プローブを含むカニューレに結合される。マイクロインジェクストロード構築のためのステップバイステッププロトコルが含まれており、マカク皮質におけるムスシモール注入中の結果が含まれています。
このマイクロインジェクストローデシステムは、薬物注入、電気生理学、マイクロ電極やナノセンサーなどの実験プローブの送達と検索のために設計されており、覚醒中の繰り返し使用に最適化され、動物を振る舞います。マイクロインジェクストローデシステムは、複数の目的のために構成することができます:(1)それ以外の場合は、デュラマターを貫通するにはあまりにも脆弱であろう実験プローブの配置のためのカニューレの簡単な配置、(2)薬物のマイクロ流体注入、いずれかの実験プローブを含むカニューレ(すなわち、マイクロ電極、ナノセンサ)に独立または結合する。このプロトコルでは、マイクロインジェクドの段階的な構築、マイクロ流体成分への結合、および生体内でのシステム使用のためのプロトコルを説明する。このシステムのマイクロ流体部品は、最小限の浸透ダメージで、ナノリットルスケールでボリュームの配信を可能にします。薬物注入は、目覚めのマイクロ電極やナノセンサーなどの実験プローブと独立して、または同時に行うことができ、動物を振る舞う。このシステムの応用は、皮質の電気的活動および行動に対する薬物の影響の測定から、プローブまたはナノセンサー測定に基づく行動性能の文脈における皮質の特定の領域の機能の理解に至る。このシステムの機能の一部を実証するために、作業メモリタスク中に黄腸マカクにおける前眼場(FEF)の可逆的不活性化のためのムスシモール注入の例を提示する。
電気生理学および薬物注射法は、神経細胞の活動と行動を研究するために広く使用されています, 生体内で, げっ歯類や霊長類で.過去30年間にわたり、初期の注射モデルの改良は、より正確で侵襲性の低い技術を可能にし、特定の脳部位1、2、3で同時記録および薬物注入を可能にした。特に霊長類の場合、高度な訓練を受けた動物を必要とする高度な認知機能の研究にこの技術を使用する場合、組織損傷を最小限に抑えて少量を正確に送り出す能力が重要です。最近の進歩は、移植されたプローブ4を用いた刺激と組み合わせた慢性電気生理学的および化学的測定を含み、そして、結合された記録およびマイクロ流体薬物送達は、最近げっ歯類5で試験的に試験されている。ここで説明する注射システムは、電気生理学的記録、刺激、および正確な薬物送達を可能にし、それはすでに複数の霊長類実験室6、7、8で正常に実施されている。
ナノセンサ9、10などの繊細で特殊なセンサの利用可能性の向上は、脆弱なナノスケールデバイスやマイクロ電極チップを損なうことなく、デュラマターを介してプローブを得るための信頼性の高い方法を必要とします。
容易に入手できる低コストのコンポーネントを使用してこれらの方法を組み合わせる技術的な課題を克服し、(i) のような脆弱な実験プローブを配置する機能の2つの主要な機能を容易にするマイクロインジェクストローデシステムを設計しました。マイクロ電極またはナノセンサは、デュラマターおよび神経組織を介して、任意の損傷から保護される。この機能により、カニューレを神経組織を通るガイドとして使用して送達される標的の場所に実験プローブを配置することができる。(ii) マイクロ電極を用いて電気生理学的記録と電気刺激と薬物注入を組み合わせた実験を行う能力。
当社のシステムは、薬物送達(マイクロインフュージョン用のシステムを使用する場合)の両方を機能し、マイクロ電極またはナノセンサ(デュラを通過する場合と、両方を通過する場合)の追加保護を提供するカニューレと一緒に、duraを貫通するガイドチューブを使用しています神経組織)。このシステムは、安価で見つけやすい広く市販されているコンポーネントで簡単に構築することができます。小径カニューレ(外径OD=235μm、内径ID=108μm)を使用することで浸透ダメージを最小限に抑えます。
ここでは、マイクロインジェドロードの構築とマイクロ流体システムの構成に関するステップバイステップの手順を紹介します。マイクロインジェクドロードの使用に必要なステップについて、薬物注入用のマイクロ流体システムに独立して、または結合して説明します。同様のアプローチは、ナノセンサ9、10などの任意の脆弱な実験プローブで適用することができる。プローブは、カニューレに前面または背面にロードすることができ(設計に応じて)、硬孔および神経組織を貫通する際の損傷から保護される。ヒト以外の霊長類を用いた生体内実験のサンプルデータを提供し、タングステンマイクロ電極を用いて電気刺激を行い、その後前眼科(FEF)にムシモールを注入し、動物が記憶誘導サッカデ(MGS)タスクを行った。
実験手順は、国立衛生研究所の実験動物のケアと使用のためのガイドと神経科学ガイドラインと政策のための協会に従いました.実験および行動手順のためのプロトコルは、ユタ大学の動物ケアと使用委員会によって承認されました.
1. 刺激と記録のためのマイクロインジェクドの構築(図1a)
2. 薬物注入用マイクロインジェクストローデの構築 (図1b)
3. マイクロ流体回路の構築(図2)
4. マイクロインジェクトをマイクロドライブに取り付ける (図 3)
5. マイクロ流体システムのフラッシングと調製
6. 記録または注入実験の実行
注:動物の取り扱い手順は、実験や実験によって異なります。以下のステップは、必要な外科的セットアップと硬を露出させるための準備が行われた後に行われる。実験に続いて、必要なすべての術後のステップは、制度的に承認されたプロトコルに従って実行されなければなりません。
前眼球場(FEF)の可逆的不活性化のためのGABAaアゴニスト(ムスシモール)の注射を行い、動物は記憶誘導サッカデタスク11を行った。このタスクでは、動物が固定し、周辺の視覚ターゲットが提示される。動物は、目標の位置を記憶しながら固定を維持し、固定ポイントが消えると、報酬を受け取るために記憶された場所にサッカディック目の動きを実行します。マイクロインジェロードは、図1bの指示に従って構築されました。実験例の注入量は850nLであった。ムシモール注入に対する様々な場所および時間におけるメモリ誘導サッカデ(MGS)タスクの動作性能を図4に示す。最大のパフォーマンス欠損は、2~3時間の注入後に観察された。
図1:マイクロインジェクストローデの段階的な製造。(a)マイクロ流体システムに依存しない使用のための構成。カニューレおよびプローブは、プローブの先端が所望の長さ(例えば、150μm)で突出できることを確認するために測定される。プローブはカニューレに前面にロードされます。カニューレはTジャンクションを通過し、下側に取り付けられ、Tジャンクションの中央に平らな端点が付いています。プローブのバックエンドは、トップフェルールを通って継続します。マイクロインジェクストローデは、各プローブ端子の金色のピンをはんだ付けし、それらの間に接着剤を追加して安定性を高めます。集録システムへの接続は、プローブの設計によって異なります。この例では、プローブは3つのリードを持つナノセンサです。(b)マイクロ流体システムで使用するための構成。マイクロインジェクストローデをマイクロ流体系に結合するために、T接合部の上部には毛細管チューブが使用される。プローブは、前面または背面にロードできます。マイクロ流体ラインは、3番目のTジャンクション開口部に差し込されます。この例では、マイクロ電極を使用しました。上部のフェルールを締めてマイクロ電極が突出したカニューレの先端のズーム画像を参照してください。建設で使用される品目のリストについては、材料表を参照してください。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:マイクロ流体システム2バルブ構成により、マイクロインジェロードに向かう流れ方向、またはトラブルシューティング用のフラッシングラインに向かう流れ方向を制御できます。この回路は、キャピラリーチューブと標準フェルールを使用して接続された2つの3ポートバルブに依存しています。ガスタイトな注射器は、注入薬とマーカーを運び、注入するために使用されます。プログラム可能な注射器ポンプはシステムの自動フラッシュおよび薬物の負荷を可能にする。手動マイクロシリンジポンプは制御された注入および視覚化を可能にする。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:注入能力の有無にかかわらず、油圧マイクロドライブへのマイクロインジェクドの取り付けステップ4.1:カスタムメイドのアダプタは、マイクロインジェクドをマイクロドライブに取り付けることを可能にします。1 本のネジでアダプタをマイクロドライブに取り付けます。2本のねじはアダプターにマイクロインジェクサンドを固定する。上部フェルールは、マイクロドライブのガイドチューブにマイクロインジェクトロードをロードする際にマイクロ電極/実験プローブの先端を保護するために、少なくとも2ターンはねじで外す必要があります。ステップ4.3:上からガイドチューブにマイクロインジェクトロードを挿入します。ステップ4.4:マイクロインフュージョンを行う場合は、プラスチックフェルールを使用して第3のT接合開口部に薬物ラインを差し込みます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:FEFにおけるムシモール注入中のメモリ誘導サッカデタスク(a)マイクロインジェロードを右半球、FEF領域に配置した。(b) 8 つのターゲットが周辺に配置される MGS タスク中の動作パフォーマンス。MGSタスクの4ブロックを、注射前後3回で実行しました。極プロットは、固定点(極プロット上の角度)に対して異なる位置のパフォーマンス(偏心)を各時間(色)で示します。射出後の左視覚ヘミフィールド2時間で性能が明らかに低下した(青い痕跡、極プロットの左半分)。(c)FEFにおける8つの周辺記憶位置(左)およびムシモール注射後(右、1および3時間のポスト注入)に対するサッカデトレース。左視覚ヘミフィールド(極プロットの左半分)のサッカデ精度は、ムシモール注射後に減少した。視野角 (dva) の度単位でスケールします。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
いくつかの方法は、現在、同時薬物送達と電気生理学を行うために利用可能です。当社のシステムは、独立して、または薬物注入と組み合わせて記録に使用する柔軟性を有し、ナノセンサーやマイクロ電極などの脆弱な実験プローブを、デュラ・マターおよび神経組織を介して損傷から保護する能力を有することを目的としています。システムは肉眼で薬物注入容積の精密制御を可能にする(私たちの実験室3の前の研究で示される17 nLの精密)。
より小さい直径12の圧力注入のためのより専門的なシステムがある。これらのシステムでは複数の記録サイトが可能ですが、システムの制御に必要なソフトウェアとハードウェアの複雑なセットアップは、各コンポーネントのコストが高く、まだ大規模に製品化されていない実験プローブとのインタフェースの柔軟性が低くなります。さらに、当社の注入は慢性インプラントを必要とせず、化学的および電気生理学的信号を測定するバイオセンサーと互換性があり、これらの応答に対する局所的な薬物注入の効果を測定する可能性を有する薬物を注入することができるという大きな柔軟性を提供します。
この設計により、プローブの構造の損傷を避けるために、試験的なプローブをデュラ浸透後に突出させることができます。この特徴は、装置の多機能性を可能にし、ナノメートルスケールナノセンサ10などの任意の実験プローブの損傷を危険にさらすことなく硬部に浸透することを可能にする。しかしながら、突出し可能な長さの制限があり、フェルールの回転数によって制限され、標準フェルールに対して〜1mmに制限される。小さなカニューレの直径(228μm)による組織損傷は最小限です。
我々が示した実験では、このシステムは、FEFの可逆的な不活性化のためのムシモールの制御された送達を行うために使用され、同時に電気刺激または細胞外記録(単一ニューロン、局所電位)を用いて電極。FEFのこの実験は、不活性化の前にサッカデベクターを確認するためにFEFの微小刺激を必要とし、可逆的なFEF不活性化中にワーキングメモリを研究するために薬物が注入された。同じ単離された単一ニューロンからの記録が薬物注射の前後に維持される可能性は低い;しかし、注入前後の局所的な電位を記録することができました。ここでは、注射、記録、電気刺激を組み合わせた実験を示す。
いったんセットアップされると、この方法は非常に信頼性が高く、堅牢です。しかし、小さなチューブやポート内の小分子(例えば塩)の沈殿により、マイクロ流体を障害物や漏れのない状態に保つために、各実験の後に徹底的なフラッシングが必要です。回路全体のシンプルさにより、各コンポーネントを個別に交換してトラブルシューティングを容易にします。
この方法は、非ヒト霊長類のFEF領域で実証されたが、この原理は、げっ歯類の大きさ以上の種において、電気刺激、記録、薬物注入のいくつかの組み合わせが望まれる他の脳領域に適用することができる。
なし。
この研究は、国立衛生研究所(NIH)からの資金援助、EY026924およびEY014800(B.N.)、失明防止研究からの無制限の助成金、ニューヨーク、ニューヨーク、ニューヨーク、眼科視覚科学科、大学への資金提供によって支えられたユタ州の、ヘンリー・サミュエリ工科大学とカリフォルニア大学アーバイン校電気工学科がR.E.に提供したスタートアップ資金。この方法は、ヌドゥースト&ムーア2011、神経科学メソッドのジャーナルに掲載されたティリン・ムーア博士の研究室で開発された同様の方法の以前のレポートに基づいています。著者たちは、原稿に関する彼女のコメントにケルシー・クラーク博士に感謝します。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3-port manual valves | LabSmith | Manual 3-Port Selector Valve (MV201-C360) | https://products.labsmith.com/mv201-manual-3-port-selector-valve/#.XNYEC9NKh26 |
Cannulae | Vita Needle Company | 304 Stainless steel tubing, Outer Diameter 228μm, Inner Diameter 165μm | Vita Needle Master Tubing Gauge Chart |
Cleaving stone | Molex | Cleaving stone 1" x 1" (part No. 1068680064) | Highly recommended to follow method for cleaving capillary tubing: https://www.cmscientific.com/info_sheets/cleaving_procedure.pdf |
Clorhexidine diacetate | Walmart | Nolvasan solution disinfectant (AAP311) | Used for microfluidic circuit flushing, dissolved at 20 g/L |
Custom adapter | Custom provider | - | Custom machined adapter to connect microinjectrode to hydraulic microdrive |
Driver | LabSmith | T7 TORX driver for installing breadboard screws (LS-TORX Driver) | https://products.labsmith.com/ls-torx-driver/#.XO8sndNKh25 |
Epoxy glue | LabSmith | Two-part high-strength epoxy adhesive (LS-EPOXY) for metal and plastic bonding | https://products.labsmith.com/ls-epoxy-12ml-epoxy-adhesive/#.XO8t89NKh24 |
Ferrule | LabSmith | One-Piece Fitting (C360-100) for connecting capillary, thru hole sized for 360μm OD capillary | https://products.labsmith.com/one-piece-fitting#.XNYEaNNKh24 |
Ferrule plug | LabSmith | One-Piece Plug (C360-101) for use in any -C360 port | https://products.labsmith.com/one-piece-fitting-plug/#.XNYFl9NKh24 |
Ferrule wrench | LabSmith | 1/8" hex wrench for installing one-piece fittings and plugs (LS-HEX 1/8" Hex Wrench) | https://products.labsmith.com/ls-hex-1-8-hex-wrench/#.XO8sqtNKh24 |
Gastight syringe | Hamilton Company | 500μL gastight syringe model 1750 (81220) and 1mL gastight syringe model 1001 (81320) | https://www.hamiltoncompany.com/laboratory-products/syringes/81220#top |
Gold pins | Aim-Cambridge | Male gold plated crimp-on connector pin (40-9856M) | https://www.masterelectronics.com/aim-cambridge-cinch-connectivity-solutions/409856m-10109145.html |
Lint-free wipes | Kimberly Clark | Kimtech Science Kimwipes Delicate Task | Lint-free wipes, used to identify leaks in the system |
Liquid food color | McCormick & Co. | Water based, black liquid food color (52100581873) | https://www.mccormick.com/spices-and-flavors/extracts-and-food-colors/food-colors/black-food-color |
Low viscosity oil | Clearco Products Co. | Pure Silicone Fluid Octamethyltrisiloxane with a viscosity of 1cSt at 25°C (PSF-1cSt) | http://www.clearcoproducts.com/pure-silicone-super-low-viscosity.html |
Luer-Lock connector | LabSmith | Luer-Lock Adapter (C360-300), female fitting for connecting Luer Lock syringe to 360μm capillary tubing | https://products.labsmith.com/luer-lock-adapter-assembly#.XO81MtNKh24 |
Micro drill bits | Grainger | Micro drill bit, 0.23mm (414H85) | https://www.grainger.com/category/machining/drilling-and-holemaking/drill-bits/machining-drill-bits/micro-drill-bits |
Microelectrode | FHC | Metal microelectrode, tungsten with epoxy insulation | https://www.fh-co.com/category/metal-microelectrodes |
Oil hydraulic micromanipulator | Narishige Group | Oil Hydraulic Micromanipulator with guide tube attached (MO-96) | http://products.narishige-group.com/group1/MO-96/chronic/english.html |
Polymicro Capillary Tubing | Molex | Polymicro Flexible Fused Silica Capillary Tubing (TSP150375), Outer Diameter 375µm, Inner Diameter 150µm | Polymicro Capillary Tubing |
Programmable syringe pump | Harvard Apparatus | Standard Infuse/Withdraw Pump, programmable (70-2213) | https://www.harvardapparatus.com/standard-infuse-withdraw-pump-11-pico-plus-elite-programmable-syringe-pump.html |
Ruler | Empire | Stainless steel 6" Stiff ruler (27303) | http://www.empirelevel.com/rulers.php |
Screw set | LabSmith | Valve mounting screw set (LS-SCREWS .25), thread-forming screws (2-28 x 1/4”) to mount valves to breadboard | https://products.labsmith.com/ls-screws-25#.XO8widNKh24 |
Standard Breadboard | LabSmith | 4" x 6" platform (LS600), with 0.25" hole spacing for mounting fluid circuit | https://products.labsmith.com/standard-breadboard/#.XO8xDdNKh24 |
Sterile saline (sodium chloride) 0.9% | Baxter | 0.9% Sodium Chloride sterile | Sterile Intravenous Infusion |
Sterile syringe filters | Millipore Sigma | MilliporeSigma™ Millex™-GP Sterile Syringe Filters with PES Membrane (SLGPM33RS) | https://www.fishersci.com/shop/products/emd-millipore-millex-sterile-syringe-filters-pes-membrane-green-4/slgpm33rs |
Stoelting manual microsyringe pump | Stoelting Company | Manual infusion/withdrawal pump (51222) | https://www.stoeltingco.com/manual-infusion-withdrawal-pump-2649.html |
T-junction | LabSmith | Interconnect tee (C360-203) for combining flow streams, for use with 360μm OD capillary tubing | https://products.labsmith.com/interconnect-tee#.XO8z8dNKh24 |
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