Method Article

用于同步光遗传学调制和电神经记录的光驱阵列

DOI:

10.3791/63460

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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

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

在这里，我们提出了一种光学系统的制备方法，该系统具有用于光传输的光纤和用于神经记录的电极阵列。表达通道视紫红质-2的转基因小鼠的 体内 实验表明，该系统在同时进行光遗传学刺激和电生理记录方面具有可行性。

Abstract

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在过去十年中，光遗传学由于其独特的选择性神经调节或监测能力，已成为研究神经信号的重要工具。由于特定类型的神经元细胞可以被基因修饰以表达视蛋白，因此光遗传学能够对选定的神经元进行光学刺激或抑制。光遗传学的光学系统已经取得了一些技术进步。最近，有人提出将用于光传递的光波导与电生理记录相结合，以同时监测对光遗传学刺激或抑制的神经反应。在这项研究中，开发了一种植入式光驱阵列（2x2光纤），并嵌入了多通道电极。

使用发光二极管（LED）作为光源，并集成了微细结构微透镜阵列，以在光纤尖端提供足够的光功率。光驱阵列系统包括一次性部分和可重复使用部分。一次性部件具有光纤和电极，而可重复使用部分具有用于光控制和神经信号处理的LED和电子电路。除了光驱植入手术、光遗传学刺激和电生理神经记录的程序外，在随附的视频中还介绍了植入式光驱阵列系统的新颖设计。 体内 实验的结果成功地显示了由小鼠海马兴奋神经元的光刺激引起的时间锁定神经尖峰。

Introduction

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记录和控制神经活动对于理解大脑在神经网络中和细胞水平上的功能至关重要。传统的电生理记录方法包括使用微量移液管的膜片钳1、2、3、4和使用微肺电极5、6、7、8的细胞外记录。作为一种神经调节方法，电刺激经常被用来通过神经元细胞的直接或间接去极化来直接刺激局灶性大脑区域。然而，电学方法无法区分用于记录或刺激的神经元细胞类型，因为电流向各个方向扩散。

作为一项新兴技术，光遗传学开创了一个新的时代，了解神经系统是如何工作的9，10，11，12，13，14<....

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Protocol

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动物护理和外科手术由梨花女子大学机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准（编号:20-029）。

1. 光驱阵列的制备（图1 和 图2）

  1. 将光纤与微透镜阵列连接。
    1. 去除光纤的钝化涂层，并使用精密光纤切割器将其切割成5毫米长的碎片。
    2. 将光纤浸入透明UV树脂中，并将光纤放在微透镜阵列上。
    3. 使用紫外灯固化树脂。
    4. 使用环氧树脂将微透镜阵列连接到3D打印外壳。
  2. 对齐全氟烷氧基 （PFA） 涂层钨丝。
    1. 将 4 条 30 mm 长的 PFA 钨丝和 1 根银线焊接到 5 针 1.27 mm 间距母连接器上。使用银丝作为参比电极。
    2. 将 1.27 mm 间距母连接器连接到头台前置放大器。
    3. 小心地将钨丝穿过硅通过孔（图1B），以帮助钨电极的精细对准。
    4. 将对齐的钨丝切割成比光纤长度短 1 mm 的钨丝。
    5. 使用环氧树脂将连接器连接到3D打印外壳。
    <....

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Results

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光驱系统被成功制造，以提供足够的光功率来激活靶神经元。钨电极的精细对准是通过微加工硅通过孔实现的。当施加50 mA电流时，在光纤尖端测得的光强度为3.6 mW/mm2 。微透镜将光效提高了3.13 dB。由于微透镜阵列增强了光耦合，因此施加的电流大约是在没有微透镜阵列系统的情况下实现相同光强度所需的电流的一半。由于LED在电流更大的情况下产生更多的热量，因此采用微透镜阵列来降低器件的热量显然是有利的。4个电极在1 kHz频率下的平均阻抗为71.39 kΩ，足以检测动作电位。此外，光驱阵列包括一次性和可重复使用的部件，以降低成本并最大限度地减少植入的总重量。一次性部件的重量约为0.58克。

使用CaMKIIα::ChR2小鼠直接刺激表达ChR2的神经元，并成功记录诱发的神经尖峰，如图 6所示。我们显示了整个记录的具有精确条件的波形，包括中间2 s的导光周期（图6A）。从原始数据信号中进行尖峰排序是使用定制的 MATLAB 源代码进行的。在整理出.......

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Discussion

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验证了该系统同时进行光遗传学刺激和电生理记录的可行性（图6）。光刺激过程中的大尖峰是与光刺激同时发生的光电伪影（图6A）。这在红色虚线矩形波形的放大视图中很明显（图6A）。如图 6A所示，从记录的波形中可以清楚地分辨出光电伪影，并清楚地识别出海马信号通路的光遗传学刺激所引起的神经元反应。 图6B，C 表示尖峰数，清晰地显示了刺激效果。 图6A 是用于获取 图6B，C中直方图的波形之一，因为记录结果是从8个重复的记录会话中获得的。

图6A 显示了.......

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Disclosures

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作者没有利益冲突需要披露。

Acknowledgements

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这项研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的人体增强融合技术研发计划的支持，由科学和信息通信技术部（NRF-2019M3C1B8090805）资助，并由韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）资助（编号:2019R1A2C1088909）。我们感谢韩国大田KAIST生物科学系的Lee Seung-Hee实验室为转基因小鼠提供了优质小鼠。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
5 针连接器NW3HD127K1.27 mm （.050"） 间距
BovieFine Science Tools（F.S.T）18010-00高温烧灼套件
数据采集软件Intan Technologies， LLCUSB 接口板软件与 RHD USB 接口板配合使用
Dental CementLang Dental Manufacturing Company， Inc.1223CLR在喷射义齿修复包中使用喷射液体和粉末
Digital Manipulator ArmStoelting Co.51904/51906左、右 每个数字机械手臂，3 轴，附加
凝胶泡沫Cutanplast标准 （70*50*10 mm）具有止血效果的无菌可再吸收明胶海绵
Headstage 前置放大器Intan Technologies， LLCRHD 16 通道记录 Headstages
加热垫Stoelting Co.53800R加热器 X1 带老鼠加热垫
LEDOSLONGB CS8PM1.13λ 典型值 470 nm， 可视角度 80 °C;， 正向电压 2.85 V
MATLABMathWorks， Inc.R2019a
微型夹具SURGIWAY12-1002-04直型，Serre-fine DIEFFENBACH droite 3.5 cm
光纤Thorlabs， Inc.FT200UMT0.39 NA， Ø 200 µm 芯多模光纤，高 OH，用于 300 - 1200 nm
PFA 涂层钨丝A-M 系统定制订购的棒型，Ø 101.6 μm （.004"）
光电二极管ThorlabsS121C
功率计Thorlabs Inc.PM100D
精密切肉刀FITELS326纤维切片工具
PrismGraphPad5.01 版
手术刀羽毛™#20刀刀片配有100毫米长的手术刀手柄
螺丝Nasa韩国不锈钢直径：1.2毫米，长度：3毫米
银线Nilaco CorporationAG-401265Ø 200 µm
Stereotaxic FxrameStoelting Co.51500D数字新标准立体定位，大鼠和小鼠
缝合ETHICONW9106缝合尺寸：4-0，长度：75 厘米，线径：4-0
凡士林联合利华 PLC原装100% 纯凡士
Wave_ClusN/AN/A
#C3314 鼠类动物手术林 https://github.com/csn-le/wave_clus

References

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  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....

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