螺旋神经节神经元外植体培养及电多电极阵列

根据世界卫生组织的数据，全球有 3.6 亿人患有听力损失，对职业和私人生活产生了深远的影响。助听器可以恢复中度听力损失的感觉功能;然而，对于最严重的情况，最有效的治疗选择是一种称为人工耳蜗 （CI） 的假体装置。CI 包含一个由多达 24 个电极组成的线性电极阵列，通过手术插入耳蜗的鼓膜。电极直接刺激螺旋神经节神经元，形成听觉神经 ¹。

全球植入了超过 300,000 台设备，CI 是非常成功的医疗植入物，是有史以来报道的最具成本效益的手术之一。尽管取得了成功，但人工耳蜗仍然存在局限性，例如与生理听力相比，频率分辨率降低。这可能导致在群体或嘈杂环境中进行有效沟通的缺陷，以及破译非常复杂的声音（如音乐）的能力不足。这种频率分辨率降低可能是由于 CI 电极和螺旋神经节神经元之间的间隙，导致刺激大群神经元。这个间隙在数百微米的范围内 ^2,3。消除这个间隙将有助于刺激每个电极的较小神经元群，从而提高设备的频率分辨率和整体性能 ⁴。

为了研究电极和神经元之间间隙的影响以及各种优化刺激方案的效果，我们开发了一种基于多电极阵列 （MEA） 上 SGN 的非侵入性电生理表征的体外生物测定法 ⁵。此外，MEA 可以很容易地修改以改变电极形状、大小、材料和表面粗糙度，以优化神经元-电极界面。以下是从小鼠螺旋神经节神经元培养物中可重复地获得记录并评估对上述参数的依赖性的分步协议。

动物护理和实验是根据瑞士当地政府（AMT献给Landwirtschaft UND NATUR德冠德伯尔尼，瑞士）的指导方针进行。

1.准备实验方案

1. 准备外基质（ECM）涂布液（见材料表，6点）:在冰上解冻ECM组合。稀释在基本培养基中的细胞外基质混合物1:10（无神经营养因子或胎牛血清（FBS）），并储存在冰上。
2. 准备培养基（见材料表 ，1点）:准备不含有FBS或脑源性神经营养因子（BDNF）的Neurobasal介质的股票。补充只添加到细胞培养物之前，新鲜的FBS（10％）和BDNF（5毫微克/毫升）的Neurobasal介质。
3. 准备细胞外液（见材料表 ，2点）。

多边环境协定2.清洗灭菌

图1E）68电极。每个电极的大小为40×40微米²为200微米的从中心到中心的间隔。电极是由铂制成。的电极是通过由氧化铟锡的电路连接到相应的触点。此电路由SU-8的一个5微米的层绝缘。请参阅材料表上提供的详细信息。其他的MEA的布局可以是适合于这些实验。

1. 为新的MEA:通过在70％乙醇中浸渍30秒冲洗它们，并用蒸馏水洗涤30秒。在层流罩的工作。
2. 让用于在层流罩30分钟在MEA干燥。
3. 把每个MEA到个体无菌培养皿（35毫米×10毫米），并用箔片封口。多边环境协定可存放待用。
4. 二手MEAS:孵育含有1ml酶SOLUT的培养皿（35毫米×10毫米）的多边环境离子（见材料表 ，6点）O / N上轨道摇床在室温除去生物材料。然后继续按步骤2.1。
   注:用橡胶覆盖的提示，钳子小心处理多边环境协定。

3.多边环境协定的文化实验的制备

1. 去除密封箔和离开MEA在培养皿（35毫米×10毫米），用于在整个实验。
2. 涂层具有在1.1中制备的溶液中的MEA:使用冷200μl的枪头（储存在-20℃）以吸取50微升涂布液到每个MEA中，覆盖整个电极面积。
3. 允许的MEA涂覆30分钟到1小时在室温。
4. 除去用吸管的涂布溶液。应用100微升培养基的补充有10％FBS和5NG / ml的BDNF和离开它在RT直至镀敷组织。
5. 将含有涂层多边环境协定成一个大的培养皿（94毫米×16毫米）2培养皿，并添加含1.5第三小培养皿毫升磷酸盐缓冲盐水（PBS）中加湿。
   注意:添加含PBS的小皮氏培养皿（步骤3.5）是至关重要的显著最小化培养基的蒸发。

4，螺旋神经节解剖

注:总可以剥离层流罩外完成（步骤4.1到4.4）。对于精细解剖无菌条件下（层流罩）是强制性的（步骤4.5）。

1. 动物实施安乐死（5-7日龄小鼠）断头，恕不另行麻醉。
2. 通过用70％乙醇喷雾消毒的头部。
3. 通过保持头，切开皮肤，并与沿矢状线尖锐/锐利剪刀颅骨之间的连接。
4. 矢状切头骨和使用锋利的/钝的剪刀取出大脑。
5. 从头骨切割颞骨并放置在那些含有无菌冰冷的Hanks'平衡盐溶液（HBSS）的培养皿。
6. 使用dissec化显微镜，用细镊子解剖鼓泡和隔离内耳。
7. 除去耳蜗的骨，使用细镊子。
8. （SV）一起用钳持螺旋神经节（SG）和SV的基部，并慢慢地从底座解开SV -to-顶点取下螺旋韧带和血管纹
9. 隔离尔蒂（OC）的机关，SG和蜗轴（ 图1A - C）
10. 通过用钳子夹持SG和所述OC的基部和慢慢展开从基站至顶点所述OC分开的SG和蜗轴所述OC。
11. 从螺旋神经节切横向外植体（直径为200〜500微米）仍然附连到使用镊子和微型手术刀蜗轴（ 图1D）。

5.螺旋神经节外植体培养多边环境协定

1. 广场旁电极先前与10准备的MEA两个螺旋神经节外植体0微升培养基。
2. 放置Corti器从电极面积约5mm远。
3. 使用镊子的外植体和Corti器的针上的MEA，同时避免损坏组织。
4. 小心地将的MEA进入培养箱并培养在37℃和5％的CO _2。第二天，在视觉上检查该外植体已经附着到MEA。
   注:如果植还没有连接的O / N，他们很少会做这样在接下来的日子里。业主立案法团被放在毗邻文化的营养/神经营养支持。
5. 加入100微升每日10％FBS和BDNF的含有连续5天的培养基。
6. 在第6天加入含10％FBS和5NG / ml的BDNF和文化组织额外13天培养液2毫升。

6.电生理记录调查自发和电极刺激相关活动

1. 与细胞外洗MEA文化，使lution在步骤1.3制得，在RT。
2. 干用纸巾接触并安装在MEA的设置MEA。
   注:要保持文化潮湿的安装过程中，加外解决了文化的一小滴。
3. 加入300微升细胞外溶液和记录之前等待10分钟，以允许系统稳定。
4. 从通过按下记录所有电极2分钟记录自发活动/获得该软件的按钮，并确定记录电极。
5. MEA电极刺激:选择合适的软件刺激的幅度/时间/形状，适用于多种电极连续描述^13。基础上选择的那些表示自发性活动的电极（如在步骤6.4）。从所有剩余的电极记录。
6. 要排除刺激伪迹，从同一个电极刺激的10倍。如果培养进行响应的至少8出10倍，它可以被假定为在电极刺激诱发的积极响应。
7. 以确定背景噪声，应用河豚毒素（TTX）到cultureat浓度1μM的，阻断电压门控钠通道和记录为2分钟。使用此执行尖峰检测（7.1和7.2）。

7.数据分析

注意:数据分析已经详细在^图6和⁵如前所述。在这项研究中使用的软件的细节见材料表 ，7点。

1. 使用合适的软件检测自发活动对于采用基于标准差和随后的鉴探测器每个电极。此过程在⁶进行说明。活动出现快速电压瞬变（<5毫秒）。
2. 选择分析每个实验处理samples.Adapt的阈值时，TTX假positiv区分导致在没有活动的阈值e和假阴性检测。
3. 使用适当的软件按照标准方法（ - C见图2A）观察各电极的检测神经元活性为栅格图。
4. 确定并通过总结的10毫秒的滑动窗口内的所有检测到的事件，由1毫秒步骤错开显示总的网络活动。
5. 通过使用合适的分析软件显示的原始数据检测刺激诱发活性。离线手动识别单个尖峰。单尖峰出现快速电压瞬变，刺激神器（箭头图2E）后发生。一个例子示于图2E。
6. 根据实验，分析响应电极的数量，实现了响应所需要的阈值，每电极和感兴趣⁵其他参数动作电位的数目。

8.组织固定和入境事务处unohistochemistry

注:染色工艺会破坏MEA。见试剂材料表 （4点）。

1. 录音后直接清洗与文化37℃的温PBS三次。丢弃PBS中，并应用4％多聚甲醛（PFA）（在PBS中），预热至37℃10分钟。
   注意:PFA是有毒的。在化学罩与根据指引适当的保护和丢弃的解决方案的工作。
2. 洗培养物三次，用PBS，并用2％牛血清白蛋白（BSA）的PBS（0.01％的Triton-X100）2小时阻塞。
3. 添加第一抗体（抗βIII微管蛋白，TUJ抗体）的PBS（2％BSA和0.01％的Triton-X100）稀释，并离开O / N在4℃。用PBS洗涤培养三次。
   注意:从现在起保持样品在黑暗中尽可能经常以最小化二次荧光标记的抗体的漂白。
4. 添加二次抗体，在PBS中稀释（2％BSA的D 0.01％的Triton-X100），并孵育1至2小时在RT。染细胞核添加1:10,000的DAPI（1毫克/毫升的库存）10分钟。
5. 用PBS洗三次，向后安装样本，以薄盖玻片（24×50毫米^2）使用安装介质（见材料表 ，4点）。图像使用带有5倍和20倍的放大倍率荧光显微镜。

图1总结了组织分离，制备和文化上的MEA的过程。我们表明组织剥离的连续步骤以分离从科尔蒂（OC）和血管纹（SV）的器官感觉上皮螺旋神经节（SG）和所附螺旋韧带（ 图1的 - C）。螺旋神经节外植体（3-4号）切断与微型剪刀从神经节， 如图1D示意性示出，并放置在MEA（ 图1E），在电极所占的面积（2.2 平方毫米）。所述OC被放置在接近时，电极表面的外侧。培养物的生长可在一段时间（ 图1G）进行监测。该协议的示意图见图1楼 。电生理学活性可以后6天培养的，其与延长培养时间增加来检测。我们recommend评估18天文化即产生显著更高的数字记录电极相比，较早的时间点5。

图1.细胞培养的准备。（A）新鲜解剖小鼠内耳。白色虚线表示耳蜗的位置，黑虚线表示前庭区域。除去耳蜗骨壁的后（B）的小鼠内耳。耳蜗匝由白虚线表示。 （C）螺旋神经节（SG）和蜗轴，尔蒂（OC）和血管纹（SV）和螺旋韧带的器官的解剖后显示。 （D）SG和OC解剖和SG外植体的制备{图改编自5经批准从出版商}示意图。在此研究中使用的多电极阵列（E）的示意图。重新编码电极在中心矩形网格组织占据为2.2mm 2的面积。 4接地电极和侧面接触所示。文化协议（F）示意图。录音是在18天（G）代表的图片（亮场图像），并在第1天，第6和18比例尺= 400微米文化监视MEA SG外植体方案执行。 请点击此处查看大图这个数字。

自发活动可以在MEA进行检测和显示为栅格图，其中的情节的每一行代表一个检测秒杀。示（在图不同的颜色）从几个电极检测自发性活动的代表性示例示出（ 图2A，2B和2C）。

图2D）的双相脉冲的代表性示例，5响应电极（红色迹线）和无应答的电极（蓝色迹线）示于图2E。对于这些实验被用于刺激和所有其它电极用于记录一个电极。单动作电位的刺激伪迹（黑色箭头）后，出现了1毫秒。在MEA可以在该过程的结束，以评估在电极区域中的神经元突起的覆盖进行免疫染色。用于刺激在绿色在图2F所示的电极，并以红色指示的电极用于记录响应（ 图2E）。

图2. MEA数据记录。（A </ STRONG>）六出于63电极呈现自发活动的原始记录的痕迹。尖峰检测之后图2A的六个电极的（B）的光栅图。每个条形代表一个动作电位。包括所有电极（如A和B）活动（c）光栅地块从63电极（通道数0-63）2分入账。 （D）一种双相刺激具有80微秒的总持续时间为80微安振幅被用于从一个电极（E58 图2F）培养的刺激。 （E）从电极58示出的动作电位（红色迹线）刺激后获得的原始数据曲线的代表性例子或无刺激后的反应（蓝色迹线）（黑色箭头头部）。 （F）在MEA免疫染色的神经元标记TUJ（绿色）螺旋神经节文化在实验形象化神经月底电极面积的最终覆盖{图改编自5与出版商批准}。用于刺激电极58以绿色指示，响应电极用红色表示。比例尺= 50微米。 请点击此处查看该图的放大版本。

最后，MEA设置允许为研究可能的电极表面改性可以增加记录灵敏度。两种市售的MEA电极在该研究中使用两种不同的铂表面:灰色铂（灰铂），其中包括一个150纳米厚的Pt层（阻抗:400KΩ/ 1千赫）的和黑色铂（黑，铂），由铂的电化学沉积在微制造工艺（20KΩ/ 1千赫阻抗）结束时获得的。详情请参阅材料表 （6点）。

图VS黑色铂电极灰色3.比较两个类型的电极（灰色和黑色的Pt）进行比较，通过使用12个独立的MEA文化，6各MEA类型相映成趣。 （A）重的总数每个实验应的电极被示出。 （B）的振幅的阈值，以引起反应，使用在6个独立的MEA实验30-35独立电极对测量被示出。数据显示为平均值+/- SD。 （学生t检验P <0.001）， 请点击此处查看该图的放大版本。

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