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Spontane Netzhautwellen sind periodische Ausbrüche korrelierter Aktivität, die in der sich entwickelnden Netzhaut vor dem Einsetzen des Sehvermögens beobachtet wurden. Bei Mäusen verändern sich die Schaltkreise, die Netzhautwellen auslösen und ausbreiten, während der Entwicklung rapide und beginnen embryonal und enden mit der Augenöffnung (postnataler Tag 14)1. Mit der Entwicklung von Netzhautschaltkreisen ändern sich die raumzeitlichen Eigenschaften der Netzhautwellen dramatisch 2,3. Mehrere Studien belegen, dass diese spezifischen raumzeitlichen Eigenschaften die Entwicklung des visuellen Systems beeinflussen: Die asynchrone Aktivität zwischen den Augen bewirkt eine augenspezifische Segregation4, die Größe des Wellenbereichs leitet die Verfeinerung der retinotopen Axone in binokularen Hirnregionen 5,6, und die Ausbreitungsrichtung der Wellen wurde mit der Anweisung der Richtungsselektivitätsschaltkreise im Colliculus superior in Verbindunggebracht 3. Neben neuronalen Schaltkreisen sind Netzhautwellen für die Entwicklung der Durchlässigkeit des Blutgefäßsystems verantwortlich7. Darüber hinaus wurde entdeckt, dass die Netzhautwellen des Stadiums II das Auswachsen von rezeptiven Feldbereichen kontrollieren und in retinalen Ganglienzellen (RGCs) stabilisieren8. Entscheidend ist, dass aberrante Netzhautwellen während der Entwicklung die Grundlage für verschiedene neurologische Entwicklungsstörungen sein könnten, und in der Tat sind Netzhautwellen in einem Mausmodell des angeborenen Nystagmusabnormal 3. Angesichts ihrer entscheidenden Rolle bei der frühen Entwicklung des visuellen Systems und ihrer Auswirkungen auf Krankheiten besteht die Notwendigkeit, die raumzeitliche Dynamik von Netzhautwellen in jedem Alter und in jedem Tiermodell aufzuzeichnen.
Es gibt mehrere Methoden, um Netzhautwellen zu untersuchen. Sowohl die Einzelzell-Elektrophysiologie 9,10 als auch die Calcium-Bildgebung 11,12,13,14,15 haben zu bahnbrechenden Erkenntnissen über Schaltkreise und die Funktion von Netzhautwellen geführt. Hier konzentrieren wir uns auf Multielectrode Array Recordings (MEA), eine Methode, die seit der frühen Untersuchung von Netzhautwellenverwendet wird 16 und sich als Technik weiter verbessert hat2. MEAs ermöglichen die gleichzeitige extrazelluläre Aufzeichnung von Aktionspotentialen von Hunderten bis Tausenden von RGCs und ermöglichen es den Forschern, die Initiierung, Ausbreitung und Beendigung von Wellen zu verfolgen, ähnlich wie es mit der Kalziumbildgebung möglich ist. Da MEAs das Wirkungspotenzial von RGCs direkt erfassen, können MEAs verwendet werden, um verschiedene genetische Mausmodelle oder Nicht-Modellorganismen zu untersuchen, ohne dass die zusätzliche Komplikation durch die Einführung eines Kalziumindikators erforderlich ist. Gewebe kann auch direkt in der MEA kultiviert werden, was sehr lange Aufnahmezeiten ermöglicht. MEAs sind auch hochgradig skalierbar, wobei aktuelle Produkte bis zu sechs aktive MEAs gleichzeitig ermöglichen, was eine schnelle Beurteilung der Netzhaut ermöglichen und die Wirkstoffforschung katalysieren könnte. Die vielleicht größte Stärke von MEAs ist ihre Fähigkeit, viele Zellen mit einer hohen Abtastrate zu beproben, was es Laboren auf der ganzen Welt ermöglicht, schnell umfangreiche Datensätze zu erhalten, aber Fachwissen in der Nachbearbeitung erfordert.
Das Hauptziel dieses Protokolls ist es, ein detailliertes und reproduzierbares Protokoll für die Präparation von Netzhautgewebe und die Durchführung elektrophysiologischer Aufzeichnungen unter Verwendung eines Single-Well-High-Density-MEA-SYSTEMS (HD-MEA) bereitzustellen, um spontane Netzhautwellen ex vivo zu untersuchen. Diese Methode gewährleistet einen hohen Durchsatz und eine Langzeit-Datenerfassung und eignet sich daher für eine Vielzahl von entwicklungs- und krankheitsbezogenen Studien. Das neue, fortschrittliche CMOS-basierte HD-MEA-System, das >1.000 Elektrodenstellen gleichzeitig ermöglicht, bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen elektrophysiologischen Ansätzen. Sein Elektrodenarray mit hoher Dichte (26.400 Elektroden) ermöglicht präzise, gleichzeitige extrazelluläre Aufzeichnungen von bis zu 1.012 RGCs und erfasst feinskalige räumliche Aktivitätsmuster. Das Single-Well-Design bietet einheitliche Aufzeichnungsbedingungen17. Darüber hinaus ermöglicht dieses System mehrstündige Langzeitaufzeichnungen, die es ermöglichen, die Wellendynamik unter verschiedenen physiologischen und pharmakologischen Bedingungen ohne signifikante Signalverschlechterung zu untersuchen18. Durch die Bereitstellung eines Protokolls zielt diese Studie darauf ab, die HD-MEA-Technologie einem breiteren Publikum von Forschern in den Neurowissenschaften, der Augenheilkunde und der Sehwissenschaft zugänglich zu machen. Diese Methode stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Erforschung von Netzhautwellen dar und bietet neue Wege zur Untersuchung der frühen Entwicklung des visuellen Systems, der Krankheitsmechanismen und möglicher therapeutischer Interventionen.