Optroden-Array zur simultanen optogenetischen Modulation und elektrischen neuronalen Aufzeichnung

Summary

Hier stellen wir das Herstellungsverfahren eines Optrode-Systems mit optischen Fasern für die Lichtabgabe und einem Elektrodenarray für die neuronale Aufzeichnung vor. In-vivo-Experimente mit transgenen Mäusen, die Kanalrhodopsin-2 exprimieren, zeigen die Machbarkeit des Systems für die gleichzeitige optogenetische Stimulation und elektrophysiologische Aufzeichnung.

Abstract

In den letzten zehn Jahren ist die Optogenetik aufgrund ihrer einzigartigen Fähigkeit zur selektiven neuronalen Modulation oder Überwachung zu einem wesentlichen Werkzeug für die Untersuchung neuronaler Signale geworden. Da bestimmte Arten von neuronalen Zellen genetisch verändert werden können, um Opsin-Proteine zu exprimieren, ermöglicht die Optogenetik die optische Stimulation oder Hemmung der ausgewählten Neuronen. Es gab mehrere technologische Fortschritte im optischen System für die Optogenetik. Vor kurzem wurde vorgeschlagen, den Lichtwellenleiter für die Lichtabgabe mit elektrophysiologischer Aufzeichnung zu kombinieren, um gleichzeitig die neuronalen Reaktionen auf optogenetische Stimulation oder Hemmung zu überwachen. In dieser Studie wurde ein implantierbares Optrode-Array (2x2 optische Fasern) mit eingebetteten Mehrkanalelektroden entwickelt.

Eine Leuchtdiode (LED) wurde als Lichtquelle verwendet, und ein mikrofabriziertes Mikrolinsenarray wurde integriert, um eine ausreichende Lichtleistung an der Spitze der optischen Fasern bereitzustellen. Das optrode Array-System besteht aus dem Einwegteil und dem Mehrwegteil. Der Einwegteil verfügt über optische Fasern und Elektroden, während der wiederverwendbare Teil über die LED und die elektronische Schaltung für die Lichtsteuerung und die neuronale Signalverarbeitung verfügt. Das neuartige Design des implantierbaren Optrode-Array-Systems wird im begleitenden Video zusätzlich zum Ablauf der Optrode-Implantationschirurgie, der optogenetischen Lichtstimulation und der elektrophysiologischen neuronalen Aufzeichnung vorgestellt. Die Ergebnisse von In-vivo-Experimenten zeigten erfolgreich zeitgebundene neuronale Spikes, die durch die Lichtreize von Hippocampus-erregenden Neuronen von Mäusen hervorgerufen wurden.

Introduction

Die Aufzeichnung und Kontrolle der neuronalen Aktivität ist unerlässlich, um zu verstehen, wie das Gehirn in einem neuronalen Netzwerk und auf zellulärer Ebene funktioniert. Herkömmliche elektrophysiologische Aufzeichnungsmethoden umfassen die Patch-Klemme 1,2,3,4 mit einer Mikropipette und die extrazelluläre Aufzeichnung mit mikroneuralen Elektroden 5,6,7,8^. Als Neuromodulationsmethode wurde die elektrische Stim....

Protocol

Die Tierpflege und chirurgischen Eingriffe wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) an der Ewha Womans University (Nr. 20-029) genehmigt.

1. Vorbereitung eines optrode Arrays (Abbildung 1 und Abbildung 2)

1. Befestigen Sie optische Fasern mit dem Mikrolinsenarray.
   1. Entfernen Sie die Passivierungsbeschichtung der optischen Faser und schneiden Sie sie mit einem Präzisions-Glasfaserspalt in 5 mm lange Stücke.
   2. Tauchen Sie die optische Faser in das klare UV-Harz und legen Sie die optischen ....

Results

Das optrode-System wurde erfolgreich hergestellt, um eine ausreichende Lichtleistung zur Aktivierung der Zielneuronen bereitzustellen. Die feine Ausrichtung der Wolframelektroden wird durch das mikrofabrizierte Silizium über die Löcher erreicht. Die gemessene Lichtintensität beträgt 3,6 mW/mm² an der Lichtwellenleiterspitze, wenn 50 mA Strom angelegt wird. Die Mikrolinse erhöhte die Lichtausbeute um 3,13 dB. Aufgrund des Mikrolinsenarrays, das die Lichtkopplung verbessert, beträgt der angelegte Strom etwa die .......

Discussion

Die Machbarkeit des Systems zur gleichzeitigen optogenetischen Stimulation und elektrophysiologischen Aufzeichnung wurde nachgewiesen (Abbildung 6). Die großen Spikes während der Lichtstimulation sind photoelektrische Artefakte, die gleichzeitig mit der Lichtstimulation auftreten (Abbildung 6A). Dies wird in der gezoomten Ansicht der Wellenform im rot gestrichelten Rechteck deutlich (Abbildung 6A). Wie in Abbild.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
5-poliger Steckverbinder	NW3	HD127K	Rastermaß 1,27 mm (0,050")
Bovie	Fine Science Tools (F.S.T)	18010-00	Hochtemperatur-Kauterkit
Datenerfassungssoftware	Intan Technologies, LLC	USB-Schnittstellenplatinensoftware	Arbeiten Sie mit der RHD USB-Schnittstellenkarte
Dental Cement	Lang Dental Manufacturing Company, Inc.	1223CLR	Verwenden Sie Jet Liquid und Pulver im Reparaturpaket für Jet-Prothesen
Digital Manipulator Arm	Stoelting Co.	51904/51906	Links, Rechts je Digitaler Manipulatorarm, 3-Achsen, Add-On
Gel	Foam Cutanplast	Standard (70*50*10 mm)	Steriler, resorbierbarer Gelatineschwamm mit hämostatischer Wirkung Headstage
Preamplifier	Intan Technologies, LLC		RHD 16-Kanal Recording Headstages
Heating Pad	Stoelting Co.	53800R	Stoelting Nagetierwärmer X1 mit Rattenheizkissen
LED	OSLON	GB CS8PM1.13	lambda; typ. 470 nm, Abstrahlwinkel 80 Grad, Durchlassspannung 2.85 V
MATLAB	MathWorks, Inc.	R2019a
Mikroklemme	SURGIWAY	12-1002-04	Gerade Ausführung, Serre-fein DIEFFENBACH droite 3,5 cm
Optische Faser	Thorlabs, Inc.	FT200UMT	0,39 NA, Ø 200 &Mikro; m Core Multimode Optische Faser, High OH für 300 - 1200 nm
PFA-beschichteter Wolframdraht	A-M System	Sonderanfertigung	Stabtyp, Ø 101,6 μ m (.004")
Fotodiode	Thorlabs	S121C
Leistungsmesser	Thorlabs Inc.	PM100D
Präzisions-Hackbeil	FITEL	S326	Faserschneider Werkzeug
Prism	GraphPad	5.01 Version
Skalpell	Feder&Handel;	#20	Skalpellklinge mit 100mm langer Skalpellgriffschraube
	Nasa Korea	Edelstahl	Durchmesser: 1,2 mm, Länge: 3 mm
Silberdraht	The Nilaco Corporation	AG-401265	Ø 200 µ m
Stereotaktisches Fxrame	Stoelting Co.	51500D	Digital neue Standard-Stereotaxie, Ratten- und
Mausnaht	ETHICON	W9106	Nahtgröße: 4-0, Länge:75 cm, Drahtdurchmesser: 4-0
Vaseline	Unilever PLC	Original	100% reine Vaseline
Wave_Clus	N/A	N/A