بناء وتنفيذ صفائف الألياف الكربونية Microelectrode للتسجيلات المزمنة والحادة في فيفو
أغسطس 5, 2021
يصف هذا البروتوكول إجراء لبناء صفائف ألياف الكربون microelectrode للتسجيلات المزمنة والحادة في الفيزيولوجيا الكهربية في الجسم الحي في الماوس(Mus musculus)والنمس(موستيلا putorius furo) من مناطق الدماغ متعددة. كل خطوة، بعد شراء ألياف الكربون الخام لزرع صفيف microelectrode، ويرد وصف بالتفصيل، مع التركيز على بناء صفيف microelectrode.
بناء مقاعد البدلاء أعلى وصفها هنا هي واحدة من عدد قليل من التكنولوجيات المتاحة حاليا القطب التي تسمح التسجيلات من مجموعات كثيفة من الخلايا العصبية ومتابعة العديد من تلك الخلايا العصبية مع مرور الوقت. ألياف الكربون microelectrode صفائف غير مكلفة لبناء. إنها صغيرة، متوافقة بيولوجيا، وتتحرك مع الدماغ، مما يسمح بتسجيلات صحية ومستقرة.
ألياف الكربون رقيقة للغاية وفي البداية ، من الصعب جدا رؤيتها. ومع ذلك ، بعد بضعة أيام من العمل معهم ، يصبح من الأسهل التلاعب بهم. لتبدأ، وضع قطعة من الشريط على الوجهين على الجانبين طويلة من كاسيت، محاذاة حافة الشريط مع الحافة الداخلية للكسيت.
لإعداد أداة التلاعب بألياف الكربون، قم بلف قطعة صغيرة من الأفلام اللاصقة حول إبرة قياس 30 لتشكيل نقطة حادة ولكنها مرنة مع الفيلم. بعد ذلك، فصل الألياف الفردية من حزمة المخبوزات ووضعها بالتوازي مع الجانب القصير من كاسيت الحفاظ على مسافة 2-3 ملليمتر. بعد ضمان تركيب 20 إلى 30 ألياف على كل كاسيت، ختم الألياف في مكان عن طريق وضع شريط واضح على الشريط عصا مزدوجة، ووضع أشرطة مملوءة في حامل كاسيت.
لتجميع مصفوفة microelectrode ألياف الكربون، بدء تغذية كل سلك التأريض من خلال القناة المناسبة على نهاية موصل من الرقصة وتستمر حتى طرفي متساوية في الطول. ثم لفها معا لتأمينها على الرقصة. تطبيق الأشعة فوق البنفسجية الشفاء الاسمنت الأسنان لتأمين السلك مع ضمان عدم الحصول على أي أسمنت الأسنان داخل قناة مفتوحة من حيث يتم تغذية السلك من خلال.
استخدام عصا علاج الأشعة فوق البنفسجية لعلاج الاسمنت الأسنان لمدة 20 ثانية ومحاذاة الرقصة ونذير مثل أن نهاية الموصل، والحوض، وطرف القمع مرئية. بعد ذلك ، وجه الرقصة بحيث يشير القمع بعيدا عن المستخدم وينتهي الموصل في مواجهة المستخدم. ثم الشريحة تلميح إبرة قياس 25 ضد كاسيت في موقع إزالة الألياف المحتملة وقطع ألياف الكربون واحد من كاسيت.
عقد قطع حديثا نهاية خالية من الألياف باستخدام أداة ألياف الكربون واستخدام الإبرة، وقطع الطرف الآخر من الألياف بعيدا عن كاسيت. ثم مرة أخرى استخدام أداة ألياف الكربون لالتقاط ألياف الكربون بحيث نهاية واحدة حوالي سنتيمتر واحد في الطول من الأداة. استخدم أداة ألياف الكربون المرفقة بالألياف لإطعام الطرف الأقصر من الألياف من خلال قطعة القمع من الحوض الأوسط للجيج.
الاستمرار في تغذية الألياف من خلال قمع الرقصة حتى معظم طول الألياف من خلال. تغذية الجزء الخلفي من الألياف من خلال قناة متاحة باستخدام أداة ألياف الكربون. الاستمرار في تغذية من خلال الظهر حتى حوالي خمسة ملليمترات من الألياف هو التمسك بها أو قطع لحجم إذا لزم الأمر.
لإزالة العزل في نهاية الموصل، استخدم أخف وزنا عجلة شرارة القياسية لتمرير اللهب على الألياف المكشوفة، ثم تغذية الألياف الملتهبة من خلال الرقصة بحيث جزء الألياف الملتهبة الآن داخل القناة مع ضمان عدم وجود ألياف تخرج من الجزء الخلفي من الرقصة. تطبيق الأشعة فوق البنفسجية الشفاء أسمنت الأسنان إلى ألياف حوض الرقصة لملء الحوض بأكمله، وتغطي فتحات كل من القنوات والقمع. بعد إزالة الرقصة من الرذيلة وتوجيه الرقصة بحيث يشير القمع لأسفل ، قم بتأمين الرقصة مع نهاية الموصل التي تشير إلى الأعلى.
ملء الإبرة مع طباعة الفضة وإدراج الإبرة بعناية في قناة واحدة حتى توقفت عن طريق الاسمنت الأسنان. لملء القناة بالطلاء، قم بالاكتئاب ببطء الحقنة أثناء إزالة الإبرة من القناة، ثم تراجع قضيب طرف القطن في الطلاء أرق وتنظيف قاعدة سطح الرقصة من أي الطلاء. الآن إدراج موصل مرحلة الرأس في الاتجاه الصحيح عن طريق محاذاة دبابيس مع القنوات.
مرة واحدة موصل مرحلة الرأس يجلس على التوالي، تستقيم، ومسح إلى الرقصة ممكن، وتأمين موصل مرحلة الرأس إلى الرقصة عن طريق تطبيق أسمنت الأسنان على طول الحافة حيث موصل مرحلة الرأس يلتقي الرقصة، ثم علاج الأشعة فوق البنفسجية لمدة 20 ثانية. من أجل قطع طرف القطب إلى الطول المطلوب، خفض القطب إلى كوب من الماء المقطر أو deionized حتى يتم غمر طرف القمع بالكامل وعقد طبيعية على السطح. الآن جلب ألياف الكربون الفردية معا عن طريق إزالة القطب من الماء.
وضع القطب بحيث الألياف وضع دافق على سطح الدليل وقطع الألياف إلى الطول المطلوب مع مشرط في حركة المتداول، ثم إرفاق القطب إلى اختبار المعاوقة متعددة الإلكترويد باستخدام محول المناسبة واختبار المعاوقة. الآن خفض طرف القطب حوالي ملليمترين في أنبوب الطرد المركزي الدقيق من 0.1 برنامج تلفزيوني الضرس، وإدراج سلك التأريض في أنبوب الطرد المركزي الدقيق. للحد من مقاومة طرف القطب، حقن تيار إيجابي مع السعة والمدة المختارة، ومن ثم شطف الألياف في الماء المقطر أو deionized لتنظيف.
بعد ذلك ، لإجراء الطلاء الكهربائي في محلول الطلاء الذهبي ، قم بخفض طرف حزمة القطب الكهربائي حوالي ملليمترين في أنبوب الطرد الدقيق في خليط الطلاء وأدخل سلك التأريض في أنبوب الطرد المركزي الدقيق. ثم تعيين المعلمات المناسبة للكهربائية. شطف الألياف جيدا مع الماء deionized أو المقطر بعد الكهربائي.
وأظهرت صورة SEM التمثيلية لألياف الكربون المعدة محلولا طلاء ذهبيا يتركز عند الطرف. أدى الألياف الكهربائي في الذهب في انخفاض المعاوقات مناسبة للتسجيل. وأظهرت قيم المعاوقة من 300 قناة بعد القطع الأولي، والحقن الحالي الإيجابي، والصعق الكهربائي انخفاض قيم المعاوقة بعد كل خطوة معالجة.
أنتجت مدة الطلاء الكهربائي الذهب المعتدلة الودائع الصغيرة والمدورة على نصائح حزمة ألياف الكربون. بالإضافة إلى ذلك ، تم تحليل النشاط الكهربي المستقر من 64 قناة في القشرة الرجعية لفأر ذكر بالغ يتصرف بحرية. أظهرت النتائج اتساق جودة التسجيل ، واكتشاف وحدة واحدة قوية ، والاتساق مع مرور الوقت كما يتضح من الأشكال الموجية للارتفاع غير العادي ، وأرضية الضوضاء المستقرة.
أيضا، أظهرت الجهد الخام تتبع 11 شهرا بعد زرع إمكانات حقل محلي قوي. كما يظهر هنا مثال تمثيلي على تسجيل صفيف دقيق حاد من ألياف الكربون من 16 قناة تم الحصول عليه من القشرة البصرية الأولية لنمس أنثى بالغة. تسمح صفائف الألياف الكربونية microelectrode بالتسجيل القصير الأجل أو المزمن للخلايا العصبية القريبة في الدماغ على مدى فترات طويلة من الزمن ، وهو أمر ضروري لفهم الدوائر العصبية.
نظرة عامة
يحدد هذا البروتوكول بناء مصفوفات الأقطاب الدقيقة المصنوعة من ألياف الكربون لتسجيلات فيزيولوجية كهربائية داخل الجسم في أدمغة الفئران والسنجاب. تؤكد الإجراءات على خطوات مفصلة من المواد الخام إلى زرع القطب المصغر، مما يضمن الاستقرار والتوافق الحيوي للتسجيلات المزمنة والحادة.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الفيزيولوجيا الكهربائية
- علم الأعصاب
- تكنولوجيا الأقطاب الدقيقة
الخلفية
- تُمكّن مصفوفات الأقطاب الدقيقة المصنوعة من ألياف الكربون من تسجيلات من مجموعات كثيفة من الخلايا العصبية.
- تلك المصفوفات غير مكلفة، صغيرة، وملائمة بيولوجياً.
- تتيح مرونة ألياف الكربون الحركة مع نشاط الدماغ، مما يزيد من استقرار التسجيل.
- يشتمل البروتوكول على إرشادات مفصلة للبناء والتجميع.
هدف الدراسة
- توفير طريقة شاملة لبناء مصفوفات الأقطاب الدقيقة.
- تسهيل التسجيلات العصبية المزمنة والحادة في الحيوانات السلوكية الحرة.
- تحسين جودة واستقرار التسجيلات الفزيولوجية الكهربائية.
الطرق المستخدمة
- تتضمن إنتاج مصفوفات الأقطاب الدقيقة عملية بناء على سطح المكتب.
- النماذج البيولوجية المستخدمة هي الفئران والسنجاب، وتُلتقط البيانات من مناطق دماغية متعددة.
- تشتمل الخطوات المفصلة على تحضير الألياف، إزالة العزل، والكهرسائي لتحسين المعاوقة.
- تشتمل الخطوات الحرجة على المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية للملاط الأسنان والتوجهات المحددة لإدخال الألياف.
النتائج الرئيسية
- أدى الكهرسائي إلى تقليل المعاوقة، مما سمح بتسجيلات عالية الجودة.
- سُجّلت النشاطات الفزيولوجية الكهربائية باستمرار مع مرور الوقت، مما أظهر الموثوقية.
- تم العثور على رواسب ذهبية في أطراف الأقطاب، مما ساهم بشكل إيجابي في جودة التسجيل.
الاستنتاجات
- يُمكّن هذا البروتوكول من تسجيلات عصبية مستقرة وطويلة الأمد من مناطق دماغية مختارة.
- يدعم الأسلوب التقدم في فهم الديناميات العصبية من خلال بيانات فيزيولوجية كهربائية موثوقة.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Carbon fiber microelectrode arrays address a critical bottleneck in neuroscience drug discovery: the inability to stably record from dense neuronal populations over extended periods. By enabling chronic, high-density single-unit recordings with minimal tissue damage, this technology improves target validation confidence and de-risks mechanistic studies in preclinical models. Its biocompatibility and long-term stability support translational continuity from discovery through lead optimization phases.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by recording single-unit activity from dense neuronal clusters in vivo.
- Operational Value: Provides stable, long-term neural recordings that reduce biological variability in target engagement studies.
- Predictive Value: Supports consistent noise floor and robust spike detection across months, improving confidence in preclinical efficacy signals.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative electrophysiological readouts (e.g., spike waveforms, LFP) suitable for assay standardization.
- Operational Value: Enables reproducible, high-channel-count recordings that support scalable screening of pharmacological modulators.
- Assay Readiness: Gold-plated tips yield low, stable impedances suitable for reliable compound screening in freely behaving models.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrated stable recordings in retrosplenial cortex for 11 months, supporting chronic disease model studies.
- Operational Value: Compatible with multiple species (mouse, ferret) and brain regions, enabling cross-model target validation.
- Predictive Value: Robust single-unit detection and LFP continuity improve translational biomarker alignment and risk-adjusted advancement decisions.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from early target validation through preclinical profiling, where stable neural readouts inform go/no-go decisions.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification via chronic single-unit recordings in relevant brain circuits.
- Screening: Enables assay-ready, high-density electrophysiological recordings for evaluating compound effects on neural activity.
- Analytics: Provides quantitative dependent variables (spike amplitude, waveform consistency, noise floor) for statistical comparison across treatment groups.
- Translational Research: Long-term recording stability supports continuity from acute screening to chronic preclinical validation.
- Enterprise Reuse: Bench-top fabrication and low cost enable reuse across projects and teams as a standardized neurophysiological platform.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by enabling unambiguous, stable single-unit detection over time.
- Operational Value: Standardized fabrication and impedance testing ensure reproducibility across laboratories and studies.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by reducing failure rates due to unstable neural recordings in preclinical studies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on reliable, longitudinal neural activity data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, electrophysiology, and stereotaxic surgery.
- Depends on UV curing systems, impedance testers, and electroplating setups for tip functionalization.
- Necessitates cross-team standardization of fiber handling, implantation protocols, and data analysis pipelines.
- Adaptation across models requires adjustments in array length, channel count, and insertion depth based on target anatomy.
- Practical limitations include initial difficulty in manipulating thin carbon fibers and need for precision in electroplating to avoid tip damage.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:42
Preparation of Carbon Fibers and Tools
1:25
Assembling the Carbon Fiber Microelectrode Array
4:20
Electrode-tip Preparation
5:44
Results: Construction and Implementation of Carbon Fiber Microelectrode Arrays for Recording Neural Activity
7:09
Conclusion
