计算机辅助多电极膜片钳系统

Summary

多电极膜片钳记录构成一个复杂的任务。这里，我们显示了如何通过许多的实验步骤的自动化，因此能够加速导致质的提高的性能和记录的数目的过程。

Abstract

膜片钳技术是目前最行之有效的方法，用于记录电活动从单个神经元或他们的亚细胞区室。然而，实现稳定的记录，即使从单个细胞，仍具有相当复杂耗时的过程。在与高效率的信息显示结合多步骤的自动化可以极大地帮助实验者与更高的可靠性进行录音的数量较多，并在更短的时间。为了实现大规模的录音，我们得出的结论是最有效的方法是不完全使自动化过程，但为了简化实验步骤和减少人为错误的可能性，同时有效地掺入实验者的经验和视觉反馈。考虑到这些目标，我们开发了其中集中了所有必要的控制的多电极膜片钳实验中的单个接口，COMMERC计算机辅助系统ially可用的无线游戏手柄，在电脑屏幕上显示实验相关的信息和指导线索。在这里，我们描述系统使我们能够减少用于实现记录配置的时间，大幅增加成功记录大量的神经元同步的机会的不同组成部分。

Introduction

与微米精确记录和刺激多个站点的能力是通过实验获得更好地了解神经系统非常有用。许多技术已被开发，为此，但没有允许通过膜片钳技术，对于研究的亚阈值的活性和个体的突触后电位所必需的submillivolt分辨率实现的。这里我们介绍一个12 - 电极计算机辅助膜片钳系统旨在同时记录和刺激大量单个细胞以足够的精度对神经元连接的研究的发展。而许多其它应用中，可以设想这样一个系统，它本身特别好到的突触连接的研究考虑到在一组神经元的可能的连接的数量成比例地增大到所讨论的神经元的数量的平方。因此，在具有三个电极的系统允许测试发生多达六个连接和最经常记录单1，记录12的神经元可以检测多达132连接的发生，经常观察超过一打（ 图1）。几十个连接的观测同时使得能够分析小型网络的组织和推断出网络结构的统计特性不能被探测否则为^1。此外，许多细胞的精确刺激也允许招募突触后细胞²的定量。

....

Protocol

1。设备准备

1. 从电脑控制机械手
   1. 通过串口（RS-232）每个微操作控制盒连接到电脑。
   2. 实施命令进行定位，查询和调整设置通过串口发送。考虑到速度和硬件兼容性问题的C / C + +被推荐为编程语言。
   3. 标准化的操纵器的基准系统，以使零是相对于所述电动机和积极运动从马达引导离开最接近的可能位置。
   4. 定位显微镜在其中央位置2毫米以上的标本焦平面（坐标[0，0，2000]）。
   5. 存储，每个操纵器，该局部坐标系，使在视显微镜领域的中心到被观察的移液管的尖端。这是对每个电极的初始参考点。
2. Visua丽泽电极的位置。能够在实验中要跟踪的每个电极的位置是非常有用的。图形表示是解决这个问题的最直观的方法。为此各电极和参考的系统，在显微镜的必须匹配。做到这一点的简单方法是:
   1. 把一个电极的前端到所述视场的中心。
   2. 存储在机械手的各轴的位置和显微镜的各轴。
   3. 执行与该机械手相对大的运动（1毫米）的x轴。
   4. 找到一次只移动显微镜的尖端。
   5. 计算在显微镜位置的差异，因为它是最后一次测量。这些都是在电极轴运动到显微镜轴上的投影。
   6. 为Y和电极操纵器的Z轴上2.5 - 重复步骤2.3。这使得投影矩阵到显微镜轴来确定（图2），也称为余弦矩阵: ....

Results

按照以上描述的方法，我们成功地同时进行多达12神经元的全细胞记录，几乎增加一倍的最大数目的神经元同时膜片钳制迄今。记录大鼠的躯体感觉皮层V层锥体神经元之间的直接的突触连接的网络的例子示于图6。

的连接概率访问，作为对于给定的细胞类型间体的距离的函数的确定为感兴趣的典型的测量，可以有效地与多电极膜片钳系统¹来进行。最近的照片刺激开始出现作为一个更有效的方式获得这些数据^3,4。重要的，但是，与多电极膜片钳系统获得的数据允许实验者获取所研究的网络的更完整的映射，以及高分辨率的染色用帧内细胞扩散染料。在多电极的膜片钳实验的每一个细胞都可以被记录和刺激，这常常是不与如光刺激或钙成像的其它技术的情况。此功能可让实验者跟踪偏差的连通性，如发生率高相互连接，不能进行测量，否则。通过刺激和记录每一个神经元的研究，我们发现，神经元不仅是偏向被相互连接，也形成集群。我们的录音的规模也使我们观察到一个更高的连接概率存在对神经元共同的邻居， 也就是被两个同时连接到采样网络（ 图7a）

Discussion

一个直接的问题，通常发生关于我们描述的过程的成功率。对于高成功率的准备是必不可少的。移液器必须有尖端的孔，它们足以记录细胞生物。过滤该溶液内，以避免堵塞移液器也是重要的。非常干净的，新鲜的拉移液管是另一种要求。甲二项式分布，可用于理解这些问题如何影响最终产率的最简单的模型。它是合理的期望实验者有经验和适当的设备，以达到80％或以上的记录与视觉反馈的单个神经元中签率。初学者可以有望实现低得多的成功率，特别是如果重要的准备步骤被忽略。如何将这些翻译率在每个实验记录细胞的数量可以看出，在图10中 。同时在补丁蛤的数量进一步增加PED的神经元将可能需要操纵器的小型化和程序，而这又需要大量的关注细节的可靠性提高，而且是完全可行的。

这里介绍了系统的通用性仍在探索和新的应用经常被发现，特别是在细胞外信号和个别神经元活动⁷之间关系的探索。解剖学因素成为作为记录单元之间的距离增加更重要。然而，这个系统绝对可以让远程和层间连接的地方调查的连接保持不变下的切片过程。

微操作机器人控制

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
显微镜	Olympus	BX51WI	40X 浸没物
纵器	Luigs Neumann	SM-5	使用串行协议
放大器	Axon Instruments MultiClamp	700B	SDK 使用
相机	Till Photonics	VS 55	BNC 模拟输出
图像采集卡	数据转换	DT3120	SDK 使用
示波器	Tektronix	TDS 2014	串行通信
数据采集	InstruTECH	ITC 1600
数据采集	National Instruments	PCI-6221	库 二手 （.dll）
压力阀	SMC	SMC070C-6BG-32
压力传感器	霍尼韦尔	24PCDFA6G
膜片泵	Schego	Optimal