Method Article

مصفوفة Optrode للتعديل البصري الوراثي المتزامن والتسجيل العصبي الكهربائي

DOI:

10.3791/63460

⸱

September 1st, 2022

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Electronic and Electrical Engineering, Ewha Womans University, 2Graduate Program in Smart Factory, Ewha Womans University, 3Department of Electrical and Computer Engineering, Seoul National University, 4Graduate School of Engineering Practice, Seoul National University, 5Department of Brain and Cognitive Sciences, Ewha Womans University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا ، نقدم طريقة تصنيع نظام optrode مع ألياف بصرية لتوصيل الضوء ومجموعة قطب كهربائي للتسجيل العصبي. في الجسم الحي ، تظهر التجارب مع الفئران المعدلة وراثيا التي تعبر عن قناة رودوبسين-2 جدوى النظام للتحفيز البصري الوراثي المتزامن والتسجيل الكهروفسيولوجي.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

خلال العقد الماضي ، أصبح علم البصريات الوراثي أداة أساسية للتحقيق في الإشارات العصبية بسبب قدرته الفريدة على التعديل العصبي الانتقائي أو الرصد. نظرا لأنه يمكن تعديل أنواع محددة من الخلايا العصبية وراثيا للتعبير عن بروتينات opsin ، فإن علم البصريات الوراثي يمكن من التحفيز البصري أو تثبيط الخلايا العصبية المختارة. كان هناك العديد من التطورات التكنولوجية في النظام البصري لعلم البصريات الوراثية. في الآونة الأخيرة ، اقترح الجمع بين الدليل الموجي البصري لتوصيل الضوء والتسجيل الكهروفسيولوجي لمراقبة الاستجابات العصبية للتحفيز البصري الجيني أو التثبيط في وقت واحد. في هذه الدراسة ، تم تطوير مصفوفة optrode قابلة للزرع (ألياف بصرية 2x2) مع أقطاب كهربائية متعددة القنوات مدمجة.

تم استخدام الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) كمصدر للضوء ، وتم دمج مجموعة من العدسات الدقيقة الدقيقة لتوفير طاقة ضوئية كافية عند طرف الألياف البصرية. يتكون نظام مصفوفة optrode من الجزء القابل للتصرف والجزء القابل لإعادة الاستخدام. يحتوي الجزء القابل للتصرف على ألياف بصرية وأقطاب كهربائية ، في حين أن الجزء القابل لإعادة الاستخدام يحتوي على LED والدوائر الإلكترونية للتحكم في الضوء ومعالجة الإشارات العصبية. يتم تقديم التصميم الجديد لنظام مصفوفة الأوبترود القابلة للزرع في الفيديو المصاحب بالإضافة إلى إجراء جراحة زرع الأوبترود ، وتحفيز الضوء البصري الوراثي ، والتسجيل العصبي الكهروفسيولوجي. أظهرت نتائج التجارب في الجسم الحي بنجاح طفرات عصبية مقفلة زمنيا أثارتها المحفزات الضوئية من الخلايا العصبية المثيرة للحصين من الفئران.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعد تسجيل النشاط العصبي والتحكم فيه أمرا ضروريا لفهم كيفية عمل الدماغ في الشبكة العصبية وعلى المستويات الخلوية. تشمل طرق التسجيل الكهروفسيولوجية التقليدية مشبك التصحيح1،2،3،4 باستخدام ماصة دقيقة وتسجيل خارج الخلية باستخدام أقطاب عصبية دقيقة5،6،7،8. كطريقة تعديل عصبي ، تم استخدام التحفيز الكهربائي بشكل متكرر لتحفيز منطقة الدماغ البؤرية مباشرة من خلال إزالة الاستقطاب المباشر أو غير المباشر للخلايا العصبية. ومع ذلك ، ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تمت الموافقة على رعاية الحيوانات والإجراءات الجراحية من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوانات (IACUC) في جامعة Ewha Womans University (رقم 20-029).

1. إعداد مصفوفة optrode (الشكل 1 والشكل 2)

  1. إرفاق الألياف البصرية مع صفيف microlens.
    1. قم بإزالة طلاء التخميل للألياف البصرية وقطعه إلى قطع بطول 5 مم باستخدام ساطور ألياف بصرية دقيق.
    2. اغمس الألياف البصرية في راتنج الأشعة فوق البنفسجية الشفاف وضع الألياف البصرية على صفيف العدسات الدقيقة.
    3. علاج الراتنج باستخدام مصباح الأشعة فوق البنفسجية.
      4. ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تصنيع نظام optrode بنجاح لتوفير طاقة ضوئية كافية لتنشيط الخلايا العصبية المستهدفة. يتم تحقيق المحاذاة الدقيقة لأقطاب التنغستن من خلال السيليكون المصنوع من الميكرو عبر الثقوب. تبلغ شدة الضوء المقاسة 3.6 ميجاوات/مم2 عند طرف الألياف البصرية عند تطبيق تيار 50 مللي أمبير. زادت العدسات الدقيقة من كفاءة الإضاءة بمقدار 3.13 ديسيبل. نظرا لصفيف microlens ، الذي يعزز اقتران الضوء ، فإن التيار المطبق هو ما يقرب من نصف التيار المطلوب لتحقيق نفس شدة الضوء بدون نظام مصفوفة microlens. نظرا لأن LED يولد المزيد من الحرارة مع.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وتم التحقق من جدوى نظام التحفيز البصري الوراثي المتزامن والتسجيل الكهروفسيولوجي (الشكل 6). المسامير الكبيرة أثناء تحفيز الضوء هي القطع الأثرية الكهروضوئية التي تحدث في نفس الوقت الذي يتم فيه تحفيز الضوء (الشكل 6A). هذا واضح في العرض المكبر للشكل الموجي في المستطيل الأحمر المتقطع (الشكل 6A). كما هو موضح في الشكل 6A ، يمكن فرز القطع الأثرية الكهروضوئية بوضوح من الأشكال الموجية المسجلة ، وتم تحديد الاستجاب.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإفصاح عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا البحث من قبل برنامج البحث والتطوير التكنولوجي المتقارب لتعزيز الإنسان من خلال المؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا (NRF) ، بتمويل من وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (NRF-2019M3C1B8090805) ، وبدعم من منحة المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF) الممولة من الحكومة الكورية (MSIT) (رقم 2019R1A2C1088909). نشكر مختبر Seung-Hee Lee في قسم العلوم البيولوجية ، KAIST ، دايجون ، كوريا ، على التكرم بتوفير الفئران المعدلة وراثيا.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
موصل 5 سنونNW3HD127K1.27 مم (.050 بوصة) الملعب
BovieFine Science Tools (FST)18010-00الحصول على البيانات لمجموعة أدوات الكي ذات درجة الحرارة
العالية Intan Technologies، LLCبرنامج لوحة واجهة USBالعمل مع لوحة واجهة RHD
USB Dental CementLang Dental Manufacturing Company، Inc.1223CLRاستخدم السائل النفاث والمسحوق في حزمة إصلاح أطقم الأسنان النفاثة
ذراع مناور رقميشركة Stoelting Co.51904/51906اليسار ، اليمين لكل ذراع مناور رقمي ، 3 محاور ،
رغوة جلCutanplastStandard (70 * 50 * 10 مم)إسفنجة جيلاتين معقمة قابلة لإعادة الامتصاص مع تأثير مرقئ
مضخم الرأسIntan Technologies، LLC#C3314RHD 16 قناة تسجيل
وسادة تسخينHeadstages Stoelting Co.53800RStoelting Rodent Warmer X1 مع وسادة تسخين الفئران
LEDOSLONGB CS8PM1.13& lambda ؛ النوع. 470 نانومتر ، زاوية الرؤية 80 درجة ؛ الجهد الأمامي 2.85 فولت
MATLABMathWorks، Inc.R2019a
Micro ClampSURGIWAY12-1002-04نوع مستقيم ، Serre-fine DIEFFENBACH droite 3.5 سم
الألياف الضوئيةThorlabs، Inc.FT200UMT0.39 NA ، & Oslash ؛ 200 & micro ؛ m الأساسية متعددة الأوضاع الألياف الضوئية ، OH عالية ل 300 - 1200 نانومتر
المغلفة سلك التنغستنAMنظامالطلبالمخصص ، & Oslash ؛ 101.6 مو ؛ م (.004 ")
الصمام الثنائي الضوئيThorlabsS121C
عداد الطاقةThorlabs Inc.PM100D
الدقة الساطورFITELS326أداة تقطيع الألياف
PrismGraphPad5.01 إصدار
مشرطريشة & تجارة ؛# 20شفرة مشرط بطول 100 مم برغي مقبض مشرط
ناسا كورياقطر الفولاذ المقاوم للصدأ: 1.2 مم ، الطول: 3 مم
سلك فضيشركة NilacoCorporation AG-401265& Oslash ؛ 200 & micro ؛ م
شركة Stereotaxic FxrameStoelting Co.51500Dخياطة رقمية قياسية جديدة وجرذان وفأر
ETHICONW9106حجم الخياطة: 4-0 ، الطول: 75 سم ، قطر السلك: 4-0
VaselineUnilever PLCالأصلي100٪ الفازلين النقي
Wave_ClusN / AN / A
برنامج إضافية PFA نوع قضيب https://github.com/csn-le/wave_clus

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wang, Y., Liu, Y. Z., Wang, S. Y., Wang, Z. In vivo whole-cell recording with high success rate in anaesthetized and awake mammalian brains. Molecular Brain. 9 (1), 86(2016).
  2. Segev, A., Garcia-Oscos, F., Kourrich, S. Whole-cell patch-clamp r....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

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

Request Permission

Tags

Optrode ArrayOptogenetic ModulationNeural RecordingOptical StimulationElectrophysiological RecordingLED Light SourceMicrolens ArrayStereotactic SurgerySpike SortingWireless Optogenetics

Related Articles