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Este protocolo describe cada paso necesario para construir un ACG funcional tanto para uso agudo como crónico. El proceso descrito es personalizable a las necesidades del investigador, por lo que es una opción accesible y económica para monitorear neuronas individuales durante meses. El protocolo demuestra la viabilidad de registrar tanto la actividad robusta de una sola unidad a los pocos minutos de la implantación en un animal anestesiado, como a lo largo de cuatro meses en un animal despierto y de comportamiento, lo que ilustra el potencial de estos CFEA para estudiar los cambios a corto y largo plazo en las respuestas neuronales.
Los pasos del protocolo descritos han sido probados a fondo y mejorados con el tiempo para producir un procedimiento eficiente que se puede completar rápidamente, a un bajo costo marginal (< $ 100.00), con la capacidad de registrar unidades individuales inequívocas, densa y estable durante meses. Los pasos de construcción se pueden completar en menos de un día y producirán señales electrofisiológicas que son comparables a cualquier matriz comercial líder. Los CFEA también tienen una huella mucho más pequeña (el haz de fibras de 16 canales tiene un diámetro de ~ 26 μm) que las matrices comerciales similares, y su biocompatibilidad las hace adecuadas para el uso a largo plazo13. Es importante destacar que hay varios pasos e instrucciones críticas que deben seguirse para producir un CFEA funcional con un rendimiento comparable.
Debido a la fragilidad de las fibras de carbono, deben manejarse con el máximo cuidado. Manipularlos con pinzas afiladas u otras herramientas puede provocar la rotura de las fibras. Además, es importante construir los CFEA en un espacio con movimiento de aire limitado para que las fibras no se desvanezcan. Al quemar la parte posterior de las fibras, el encendedor solo necesita moverse en un movimiento de ida y vuelta muy brevemente, durante aproximadamente 1 s. Los pasos que siguen a esta eliminación del aislamiento son cruciales para construir un electrodo con canales de trabajo. Las puntas flameadas deben introducirse en la plantilla sin ningún contacto adicional. Luego, al llenar el lavabo con cemento dental, es importante que el cemento se aplique cuidadosamente y llene completamente los canales y el recipiente del embudo, cerrando las aberturas sin llenarlas. El cemento dental debe curarse completamente con luz UV antes de continuar. Una vez que esto se haya completado, se debe inyectar pintura plateada en cada canal hasta que esté completamente lleno, pero sin derramarse. Este es el paso más variable en el proceso. Cualquier llenado excesivo puede producir diafonía entre canales, y un llenado insuficiente puede provocar una falla en la conexión. Si no puede inyectar pintura plateada con una aguja de 25 G, es probable que la solución sea demasiado viscosa y, en este caso, se puede agregar una pequeña cantidad de diluyente de pintura para crear una solución más fluida. Una vez que se llenan todos los canales y se inserta el conector del cabezal, es importante permitir que la matriz se cure durante 24 h antes de asegurar el conector con cemento dental. Descubrimos que el hecho de no hacerlo redujo el número de canales conectados. La aplicación de una cantidad generosa de cemento dental también es importante para que el conector no se desconecte al interactuar con el sistema de adquisición de señal. Si se desprenden, es posible intentar la reconexión con el llenado repetido de canales con pintura plateada, pero el usuario debe probar los valores de impedancia del CFEA para evaluar el número de canales conectados. Permitir que el cemento dental se cure durante la noche también sirve para prevenir posibles desprendimientos.
La medición de la impedancia del electrodo proporcionará una estimación precisa de los canales conectados. Esto se puede hacer después de sumergir los cables de tierra y referencia y las puntas de fibra de carbono en PBS. Hemos observado que una alta impedancia (>15 MΩ) es indicativa de un canal abierto y no conectado. Antes de inyectar corriente y galvanoplastia, un canal conectado puede tener un rango de valores de impedancia que deberían disminuir significativamente con este proceso. El número promedio de canales conectados (impedancia < 4 MΩ después de la inyección de corriente) por electrodo de 16 canales fue de 12,96 ± 2,74 (promedio ± SD; N = 48 electrodos). Se probaron varios tiempos de galvanoplastia, y 30 s produjeron un aislamiento de señal superior entre los sitios de grabación(Figura 5). Si bien se ha establecido bien que PEDOT-pTS12,24,25,26 y PEDOT-TFB21 proporcionan opciones confiables para preparar sitios de grabación de fibra de carbono, encontramos que el chapado con oro, un método probado y confiable para galvanoplastia electrodos para implantación crónica27,28 , aumentó la facilidad de implantación y evitó que las puntas de los electrodos se aglutinaran. Al producir valores de impedancia final de menos de 0,2 MΩ en promedio, este método resulta comparable a los valores alcanzados utilizando PEDOT-TFB21 y PEDOT-pTS26.
Al implantar la matriz de microelectrodos, es importante seguir visualmente la inserción de las puntas de fibra de carbono bajo el microscopio. La inserción exitosa debe ser evidente, sin flexión de las fibras. Si las fibras parecen estar pandeándose, es poco probable que entren con éxito en el cerebro. En este caso, el ángulo de la sonda debe ajustarse para un segundo intento. Este proceso puede continuar hasta que la inserción de la sonda sea exitosa. Una vez que el electrodo está a la profundidad deseada, hemos encontrado que esperar al menos 30 minutos permitirá que la sonda se conforme con la adquisición óptima de la señal (grabaciones agudas).
Los CFEA descritos, además de su pequeña huella y biocompatibilidad, ofrecen una alternativa robusta y personalizable a las matrices comerciales debido a su facilidad de construcción y bajo costo. La mayor limitación a los CFEA detallados en este protocolo es su escalabilidad. Debido a la naturaleza manual de su construcción, escalar a diseños con cientos de sitios de grabación puede no ser práctico. Además, los avances en la fabricación de matrices de microelectrodos utilizando nanotecnología permitirán registros de población a mayor escala que los métodos descritos aquí. Sin embargo, este protocolo ofrece accesibilidad CFEA a los laboratorios interesados en la fabricación de electrodos de fibra de carbono. No observamos pérdida de estabilidad o disminución de la robustez en la amplitud del pico durante la duración de los experimentos crónicos de 120 días, como lo indica un canal único representativo típico de nuestras observaciones en esa escala de tiempo(Figura 6A-E). Además, los CFEA muestran la capacidad de actividad persistente de una sola unidad, ya que cuatro unidades individuales permanecieron discernibles 11 meses después de la implantación enratones (Figura 6G,H). También es posible obtener grabaciones estables de una sola unidad de forma aguda(Figura 7),lo que ofrece una ventaja sobre muchos otros electrodos comerciales para el estudio de neuronas individuales en períodos cortos de tiempo. En el futuro, el desarrollo de estas sondas flexibles y biocompatibles con diámetros mínimos permitirá el estudio de procesos complejos. Estas herramientas proporcionarán una utilidad sustancial en el avance de la tecnología neuronal, incluidas las aplicaciones en interfaces cerebro-máquina (IMC), que requieren estabilidad continua a largo plazo29.