Optrode Array para modulación optogenética simultánea y grabación neuronal eléctrica

Summary

Aquí, presentamos el método de fabricación de un sistema optrode con fibras ópticas para la entrega de luz y una matriz de electrodos para la grabación neuronal. Los experimentos in vivo con ratones transgénicos que expresan canalrodopsina-2 muestran la viabilidad del sistema para la estimulación optogenética simultánea y el registro electrofisiológico.

Abstract

Durante la última década, la optogenética se ha convertido en una herramienta esencial para la investigación de la señalización neuronal debido a su capacidad única de modulación o monitoreo neuronal selectivo. Como tipos específicos de células neuronales pueden modificarse genéticamente para expresar proteínas opsina, la optogenética permite la estimulación óptica o la inhibición de las neuronas seleccionadas. Ha habido varios avances tecnológicos en el sistema óptico para la optogenética. Recientemente, se propuso combinar la guía de onda óptica para la entrega de luz con el registro electrofisiológico para monitorear simultáneamente las respuestas neuronales a la estimulación o inhibición optogenética. En este estudio, se desarrolló una matriz optrode implantable (fibras ópticas 2x2) con electrodos multicanal integrados.

Se empleó un diodo emisor de luz (LED) como fuente de luz, y se integró una matriz de microlentes microfabricadas para proporcionar suficiente potencia de luz en la punta de las fibras ópticas. El sistema optrode array comprende la parte desechable y la parte reutilizable. La parte desechable tiene fibras ópticas y electrodos, mientras que la parte reutilizable tiene el LED y los circuitos electrónicos para el control de la luz y el procesamiento de la señal neuronal. El novedoso diseño del sistema de matriz optrode implantable se introduce en el video adjunto, además del procedimiento de la cirugía de implantación optrode, la estimulación optogenética de la luz y el registro neuronal electrofisiológico. Los resultados de los experimentos in vivo mostraron con éxito picos neuronales bloqueados en el tiempo evocados por los estímulos de luz de las neuronas excitadoras del hipocampo de ratones.

Introduction

Registrar y controlar la actividad neuronal es esencial para comprender cómo funciona el cerebro en una red neuronal y a nivel celular. Los métodos convencionales de registro electrofisiológico incluyen la pinza de parche ^1,2,3,4 utilizando una micropipeta y el registro extracelular utilizando electrodos microneurales 5,6,7,8. Como método de neuromodulación, la estimulación eléctrica se ha utilizado con frecuencia....

Protocol

El cuidado de los animales y los procedimientos quirúrgicos fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) en la Universidad de Mujeres Ewha (no. 20-029).

1. Preparación de una matriz optrode (Figura 1 y Figura 2)

1. Conecte fibras ópticas con la matriz de microlentes.
   1. Retire el recubrimiento de pasivación de la fibra óptica y córtelo en trozos de 5 mm de largo con una cuchilla de fibra óptica de precisión.
   2. Sumerja la fibra óptica en la resina UV transparente y coloque la....

Results

El sistema optrode se fabrica con éxito para proporcionar suficiente potencia de luz para activar las neuronas objetivo. La alineación fina de los electrodos de tungsteno se logra a través del silicio microfabricado a través de los agujeros. La intensidad de luz medida es de 3,6 mW/mm² en la punta de la fibra óptica cuando se aplica una corriente de 50 mA. La microlente aumentó la eficiencia lumínica en 3,13 dB. Debido a la matriz de microlentes, que mejora el acoplamiento de luz, la corriente aplicada es apro.......

Discussion

Se verificó la viabilidad del sistema de estimulación optogenética simultánea y registro electrofisiológico (Figura 6). Los grandes picos durante la estimulación de la luz son artefactos fotoeléctricos que ocurren al mismo tiempo que la estimulación de la luz (Figura 6A). Esto queda claro en la vista ampliada de la forma de onda en el rectángulo discontinuo rojo (Figura 6A). Como se muestra en la Figura 6A

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Conector de 5 pines	NW3	HD127K	1,27 mm (0,050")
Bovie	Fine Science Tools(F.S.T)	18010-00 Software de adquisición de	kit de cauterización de alta temperatura
	Intan Technologies, LLC	Software de la placa de interfaz USB	Trabaje con la placa de interfaz USB RHD
Cemento dental	Lang Dental Manufacturing Company, Inc.	1223CLR	Utilice el líquido y el polvo a chorro en el paquete de reparación de dentaduras postizas a chorro
Brazo manipulador digital	Stoelting Co.	51904/51906	Izquierda, Derecha cada uno Brazo Manipulador Digital, 3 Ejes, Espuma de
Gel	Cutanplast	Standard (70*50*10 mm)	Esponja de gelatina reabsorbible estéril con efecto hemostático
Preamplificador de Headstage	Intan Technologies, LLC		RHD Cabezal de grabación de 16 canales
Almohadilla térmica	Stoelting Co.	53800R	Calentador de roedores de almacenamiento X1 con almohadilla térmica para ratas
LED	OSLON	GB CS8PM1.13	λ typ. 470 nm, Ángulo de visión 80 °, Tensión directa 2.85 V
MATLAB	MathWorks, Inc.	R2019a
Micro Clamp	SURGIWAY	12-1002-04	Tipo recto, Serre-fino DIEFFENBACH droite 3,5 cm
Fibra óptica	Thorlabs, Inc.	FT200UMT	0,39 NA, Ø 200 µ Fibra óptica multimodo de núcleo m, alto OH para alambre
de tungsteno recubierto de PFA	Sistema A-M Tipo de	pedido por encargo	, Ø 101.6 μ m (.004")
Fotodiodo	Thorlabs	S121C
medidor	de potencia Thorlabs Inc.	PM100D
Cuchilla de precisión	FITEL	S326	Herramienta de corte de fibra
Prisma	GraphPad	versión 5.01
Bisturí	Feather™	#20	Hoja de bisturí con tornillo de mango de bisturí de 100 mm de largo
	Nasa Korea	acero inoxidable	diámetro: 1,2 mm, longitud: 3 mm
Alambre de plata	The Nilaco Corporation	AG-401265	& Oslash; 200 µ m
Fxrame estereotáxico	Stoelting Co.	51500D	estereotáxica, rata y ratón estándar digital
	ETHICON	W9106	tamaño de sutura: 4-0, longitud:75 cm, diámetro del alambre: 4-0
Vaselina	Unilever PLC Vaselina	Original	100% pura vaselina
Wave_Clus	N/A	N/A