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Method Article
이 프로토콜은 머리가 고정된 마우스의 뇌간에서 생체 내 고밀도 단일 뉴런 기록을 얻는 방법을 설명합니다. 이 접근법은 전신 마취 전과 전신 마취 중에 REM(Rapid Eye Movement) 수면 중에 비활성화된 뇌간 영역인 복외측 수관 주위 회색에서 뉴런의 활동 전위 발화를 측정하기 위해 배포됩니다.
실리콘 다중전극 기반 기록은 많은 뇌 영역에서 활동 전위의 시간적 해상도에서 신경 활동을 연구하는 데 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 그러나 다중 채널 프로브를 사용하여 뇌간과 같은 깊은 꼬리 구조에서 신경 활동을 기록하는 것은 여전히 어려운 일입니다. 중요한 관심사는 상부 시상 정맥동 및 횡 정맥동과 같은 큰 혈관을 피하는 프로브 삽입을 위한 궤적을 찾는 것입니다. 이러한 큰 정맥을 손상시키면 광범위한 출혈, 기저 뇌 조직의 손상 및 잠재적으로 사망을 유발할 수 있습니다. 이 접근법은 전방 좌표를 각진 접근법과 결합하여 기록 프로브가 고위험 혈관 구조 아래의 뇌를 관통할 수 있도록 함으로써 뇌간 구조를 표적으로 하는 것을 설명합니다. 엄격한 수직적 접근법과 비교했을 때, 각진 접근법은 목표로 삼을 수 있는 뇌 영역의 수를 최대화합니다. 이 전략을 사용하면 REM 수면과 관련된 뇌간 영역인 vlPAG(ventrolateral periaqueductal gray)에 재현성 있고 신뢰할 수 있게 접근하여 세보플루란 마취 전과 마취 중에 머리 고정 마우스에서 단일 단위, 다중 전극 기록을 얻을 수 있습니다. 높은 시간 해상도로 vlPAG 및 주변 핵의 신경 활동을 기록하는 능력은 REM 수면과 마취 간의 관계에 대한 이해를 발전시키는 데 한 걸음 더 나아간 것입니다.
실리콘 다전극 기반 기록은 단일 활동 전위 분해능 1,2,3,4로 많은 뇌 영역에서 신경 활동을 측정하기 위해 점점 더 대중화되고 있습니다. 지난 10년 동안 고밀도 녹음 기술은 상당히 성장했습니다. 현재의 실리콘 기반 기록 전극은 높은 채널 수, 광섬유 및 전기 피질 검사(ECoG) 기록 장치(5,6)를 수용할 수 있습니다. 더욱이, 이들 전극의 만성 이식은 장기 기록(7,8)을 가능하게 한다.
최근의 기술 발전에도 불구하고 다중 채널 프로브로 뇌간과 같은 깊은 꼬리 구조를 표적으로 삼는 것은 여전히 어려운 일입니다. vlPAG(ventrolateral periacqueductal gray)와 같은 뇌간 구조를 표적으로 삼을 때 한 가지 중요한 장애물은 주요 혈관(예: 상시상 정맥동 및 횡방향 정맥동)을 피하는 프로브 궤적을 식별하는 것입니다. 이러한 큰 정맥의 손상은 광범위한 출혈, 기저 뇌 조직의 손상, 심지어 사망을 유발할 수 있습니다 9,10. 우리는 전방 좌표에서 비스듬히 뇌간 구조를 표적으로 삼아 기록 프로브가 이러한 고위험 혈관 구조 아래의 뇌를 관통할 수 있도록 할 것을 제안합니다(그림 1 참조). 이 각도 접근 방식은 수직 접근 방식에 비해 기록에 액세스할 수 있는 뇌 영역의 수를 최대화합니다. 또한, ECoG 기록이 필요한 실험 상황에서, 프로브 삽입을 위한 개두술 창이 더 앞쪽에 위치하기 때문에 각진 전방 접근법은 ECoG 헤드셋 이식에 사용할 수 있는 더 많은 두개골 표면을 제공합니다(10,11).
마취에 의한 REM 수면 변화를 담당하는 특정 세포군과 회로를 식별하는 것은 마취 연구의 주요 목표로 남아 있습니다. 따라서, 여기서의 목표는 REM 수면과 관련된 뇌간 영역인 vlPAG에 재현성 있고 신뢰할 수 있게 접근하여 세보플루란 마취 전과 마취 중에 머리 고정 마우스에서 단일 단위, 다중 전극 기록을 얻는 것이었습니다12,13. 이전 연구에서는 마취와 관련된 신경 상태 변화를 식별하기 위해 깨어 있는 마우스에서 vlPAG의 전기생리학적 국소자기전위(LFP) 측정을 사용했습니다14,15. 그러나, LFP 측정은 주로 기록된 영역(16) 내의 활동 전위가 아닌 시냅스 활성에 민감하다. 결과적으로, 마취제가 vlPAG 뉴런에 의해 생성되는 신경 활동 패턴에 어떻게 직접적인 영향을 미치는지에 대한 이해는 제한적입니다. 여기에서, 머리가 고정된 마우스의 뇌간으로부터 고밀도의 단일 뉴런 기록을 얻는 방법을 설명한다. 이 방법은 또한 다양한 다른 심부 및 후방 뇌간 구조의 단일 뉴런 활동을 기록하는 데 적용할 수 있습니다.
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모든 연구는 버지니아 대학교(버지니아 주 샬러츠빌)의 기관 동물 관리 및 사용 위원회(Institutional Animal Care and Use Committee)의 승인을 받았습니다. 3-7개월 된 25-30g의 수컷 C57BL/6J 마우스 5마리를 사용하였다. 여기에 사용된 시약 및 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 헤드플레이트 및 헤드셋 이식
2. 실리콘 프로브 배치 및 기록
3. 프로브 궤적 재구성을 위한 조직학
4. 전기생리학적 데이터 분석
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5명의 남성 C57BL/6J에게 ECoG 헤드셋과 헤드플레이트를 이식했습니다(그림 4A). 회복 후, 마우스는 서로 다른 날에 두 번의 1.5시간 세션 동안 머리 고정과 전기생리학 기록 장비에 습관화되었습니다(그림 4B). 다음으로, 2mm x 2mm 개두술 창을 만들고(그림 4C) 마우스를 깨우고 머리를 고정한 상태에서 실리콘 프?...
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뇌간 핵은 호흡, 의식 및 수면과 같은 기본 기능을 매개합니다 26,27,28. 뇌간의 위치(심부 및 후방)는 표준 기술을 사용하여 생체 내에서 신경 활동을 연구하는 데 어려움을 줍니다. 여기에서는 머리가 고정된 마우스에서 재현 가능한 단일 단위 기록을 허용하기 위해 각진 전방 접근법이 제시됩니...
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저자는 이 작업에 따른 경쟁 재정적 이익 또는 기타 이해 상충이 없습니다.
그림 1, 그림 3, 그림 4, 그림 8 및 그림 9 는 BioRender.com 로 만들어졌습니다. MATLAB 코드에 대한 도움을 주고 스크립트를 공유해 준 Scott Kilianski에게 감사의 말을 전합니다. 탐사선 궤적 재구성에 도움을 준 Anna Grace Carns에게 감사드립니다.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
1024 channel RHD Recording Controller | Intan Technologies, Los Angeles, California, USA | C3008 | Silicon probe recording; recording hardware and software |
24 mm x 50 mm No. 1.5 VWR coverslip | VWR, Radnor, Pennsylvania, USA | 48393-081 | Histology |
4% PFA in PBS | ThermoFisher Scientific, Waltham, Massachusetts, USA | J61899.AK | Histology; perfusion solution |
C&B metabond | Patterson Dental, Richmond, Virginia, USA | powder: 5533559, quick base: 5533492, catalyst: 55335007 | Headplate &Headset Implantation |
C57/6J mice 4-6 weeks, males | The Jackson Laboratory, Bar Harbor, Maine, USA | 000664 | |
Capnomac Ultima | Datex, Helsinki, Finland | ULT-SVi-27-07 | Gas Analyzer; discontinued; alternative gas analyzer can be purchased from Bionet America |
CM-DiI | ThermoFisher Scientific, Waltham, Massachusetts, USA | V22888 | Red fluorescent dye for coating of the silicon probe |
Connector Header | DigiKey, Thief River Falls, Minnesota, USA | 1212-1788-ND | ECoG Headset |
DAPI Fluoromount-G | SouthernBiotech, Birmingham, Alabama, USA | 0100-20 | Histology |
iBOND Universal | Patterson Dental, Richmond, Virginia, USA | 044-1113 | Headplate &Headset Implantation; for securing stainless steel wires to the skull |
Low toxicity silicon adhesive | World Precision Instruments, Sarasota, Florida, USA | KWIK-SIL | Headplate |
Micro-Manipulator System | New Scale Technologies, Victor, New York, USA | Multi-Probe Manipulator: XYZ Stage Assembly: 06464-0000, MPM System Kit: 06267-3-0001, MPM-Platform-360, MPM ring for MPM Manual Arms, MPM_Ring-72 DEG: 06262-3-0000 | Silicon probe recording; inserting the probe into the brain |
Microprobes | UCLA, Los Angeles, California, USA | 256 ANS, 64M | Discontinued; alternative silicon probes can be purchased from Neuropixels |
Mineral Oil | Sigma Aldrich, Saint Luis, Missouri, USA | M8410-100ML | Silicon probe recording; preventing the tissue from drying during the recording |
Normal saline | ThermoFisher Scientific, Waltham, Massachusetts, USA | Z1376 | Headplate &Headset Implantation; preventing the brain from drying during the surgery |
PFA-Coated Stainless Steel Wire-Diameter 0.008 in. coated with striped ends | A-M systems, Sequim, Washington, USA | 791400 | ECoG Headset & reference electrode for ECoG |
Platinum wire 24AWG | World Precision Instruments, Sarasota, Florida, USA | PTP201 | Reference electrode for the silicon probe recording |
Shandon Colorfrost Plus microscope slides | ThermoFisher Scientific, Waltham, Massachusetts, USA | 99-910-01 | Histology |
Stainless steel Headplate | Star Rapid, China | custom made part | Headplate &Headset Implantation; design available upon request |
Stereotaxic apparatus | KOPF, Tujunga, California, USA | Model 940 Small Animal Stereotaxic Instrument with Digital Display Console | Headplate &Headset Implantation |
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