Neuromodulation induite par les ultrasons à l’aide d’un système de réseau de microélectrodes

Résumé

Source : Liang, R. et al., Neuromodulation par ultrasons focalisés de cultures neurales humaines in vitro dans des réseaux de microélectrodes multipuits. J. Vis. Exp. (2024)

Cette vidéo démontre la méthode d’induction de la modulation de l’activité neuronale dans des neurones humains cultivés dérivés d’iPSC dans un réseau de microélectrodes multipuits, ou système MEA, à l’aide d’un transducteur à ultrasons focalisés.

Protocole

1. Préparation des matériaux

1. Aspirez le milieu de culture et utilisez-le pour remplir un seul puits dans une plaque de culture de neurones à 24 puits avec un réseau de microélectrodes (MEA) intégré (Figure 1A).
2. Stérilisez l’interface du parafilm, l’élastique et le cône d’ultrasons focalisés (FUS) avec sa membrane en caoutchouc avec de l’éthanol à 70 % pendant 10 min, et placez-les dans la hotte pour un assemblage ultérieur.
3. Dégazer 300 mL d’eau déminéralisée et 50 mL de gel de couplage. Centrifuger l’eau et le gel à 160 x g pendant 5 min pour éviter d’induire une cavitation dans le milieu de couplage.
   note: La source originale des cellules souches pluripotentes induites humaines (HiPSC) provient de lignées cellulaires GM01582 et CIPS. En moyenne, une densité de 5 x 10⁴ motoneurones et de 2,5 x 10⁴ astrocytes par puits peut être atteinte.

2. Connexion et configuration des périphériques

1. Fixez le cône FUS à la sonde à l’aide de vis et scellez le cône avec une membrane en caoutchouc flexible dans une hotte stérile ventilée. Remplissez le cône avec l’eau dégazée et désionisée (DG-DI) à partir de l’étape 1.3, et assurez-vous de l’absence de bulles dans le cône pour éviter la cavitation.
2. Utilisez une tige filetée personnalisée pour fixer le support imprimé en 3D à un cadre (Figure 1B). Positionnez le cadre de manière à ce que la tête du transducteur FUS se trouve au-dessus du puits qui sera stimulé.
3. À l’aide d’un élastique, fixez le parafilm au-dessus du puits sur la plaque MEA à 24 puits contenant le milieu et les HiPSC.
4. Préparez le système FUS en connectant l'électronique du pilote dorsal du transducteur à ultrasons, dans ce cas, la puissance de sortie du transducteur (TPO), à une prise de courant de 100-240 V et en connectant le réseau correspondant au TPO et au transducteur FUS. Le réseau d’adaptation assure un couplage électrique efficace entre le transducteur et le TPO.
5. Connectez le système MEA à une prise de courant (100-240 V) (Figure 2B, connexion 5). Connectez le port de synchronisation du système MEA au TPO (Figure 2B, connexion 3). Cette connexion synchronisera l’acquisition de données par le système MEA avec la stimulation FUS.
6. Placez la plaque MEA à 24 puits dans le système MEA et retirez le couvercle pour permettre un contact direct entre le transducteur et le puits. Placez le transducteur à une distance de 5 à 10 mm au-dessus de la plaque du puits pour laisser de la place au gel de couplage dégazé, comme décrit à l’étape 3.2 (figure 2A et figure 1B).

3. Stimulation et acquisition du signal neuronal

1. Définissez les paramètres FUS sur le panneau de commande TPO (Tableau 1).
2. Appliquez le gel de couplage sur le parafilm et abaissez le transducteur FUS dans le gel de couplage, en assurant le contact avec le gel avec un minimum de bulles d’air (Figure 1A).
3. Démarrez l’enregistrement du système MEA en cliquant sur le bouton Démarrer de l’interface utilisateur.
4. Démarrez la sonication FUS en appuyant sur le bouton en bas à droite du TPO (Figure 2A, Étiquette 7), et attendez au moins 5 minutes entre chaque série de sonications pour permettre aux neurones de revenir à un état de base.
5. Utilisez l’impulsion de déclenchement générée par le système FUS pour aligner la séquence de stimulation FUS sur l’enregistrement MEA (Figure 1B, connexion 3).

Tableau 1 : Paramètres des ultrasons focalisés (FUS) définis sur le TPO

paramètre	valeur
Puissance maximale/canal	1.200 W
Réel	0,749 W/canal
ISPPA	10.79 W/cm2
ISPTA	0,05 W/cm2
Longueur de rafale	0,100 seconde
fréquence	250,00 kHz
foyer	39.800 millimètre
période	20.000 ms
minuteur	60.000 secondes

Résultats

Figure 1 : Neuromodulation FUS avec un réseau de microélectrodes multipuits (MEA). (A) Schéma de la configuration de la neuromodulation FUS avec un MEA multi-puits. Les ondes acoustiques générées par le transducteur FUS se propagent à travers un cône FUS rempli d’eau dégazée et sont couplées à l’aide d’un gel à ultrasons. Le parafilm est fixé au puits à l’aide d’un élastique p...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Système MEA	Axion Biosystem Inc.	Maestro Edge	Taux d’échantillonnage : 11500 Hz
Plaque MEA	Axion Biosystem Inc.	CytoView MEA	Électrode et puits : 16 électrodes dans 24 puits
Interface de plaque de puits	Amcor Inc.	Parafilm PM996 ; Réf. P7793	Epaisseur : 127 μm
Réservoir de CO2 et régulateur pour la culture	AirGas Inc./ Harris Inc.	Référence 9296NC	Concentration : 5 %
Milieux de culture	ThermoFisher Inc.	Laminine ; 23017-015	Concentration : 1 μg/mL
Neurones HiPSC	Peprotech	CIPS et GM01582 dérivés ; 450-10	Concentration : 10 ng/mL (voir Taga et coll. [2021]13)
transducteur	Sonic Concepts Inc.	CTX250 ; 008	Fréquence centrale : 250 kHz
Réseau de jumelage	Sonic Concepts Inc.	CTX250 ; Référence NFS102v2	Impédance : 50 Ω
Puissance de sortie du transducteur (TPO)	Sonic Concepts Inc.	Version 4.1 ; 020	Fréquence : de 250 kHz à 2,5 MHz
membrane	McMaster Inc.	Caoutchouc de silicone ; 5542N115	Épaisseur : 0.0127 cm
Gel d’accouplement	Laboratoire Parker Inc.	Aquasonic 100 ; B08DDWG GXB	Viscosité : 130 000 à 185 000 flics
Connexion au support de sonde	McMaster Inc.	Tige filetée Steal ; 90322A661	Longueur : 1-1/2" de long
hydrophone	Sonic Concepts Inc.	Y-104 ; 009	Gamme : 50 kHz à 1,9 MHz
Réservoir d’eau	Sonic Concepts Inc.	Wt	Taille : 30 cm x 30 cm x 30 cm
Unité de conditionnement d’eau	Sonic Concepts Inc.	WCU ; SN006	Vitesse d’écoulement : 50 mL/s maximum
oscilloscope	Rohde-Schwarz Inc.	RTC1002	Fréquence d’échantillonnage : jusqu’à 50 MHz
étape	Sonic Concepts Inc.	MicroStage ; 2	Précision : 1 μm
Plaque thermochromique	TIPTEMP Inc.	Feuille de cristaux liquides ; TLCSEN337	Plage : 22–24 °C
ordinateur	Microsoft Surface	Surface Pro	Processeur i5 1035G4 : 3,7 GHz
Logiciel de transfert de données	Mathworks Inc.	MATLAB	Version 2021b
Logiciel de traitement	Fondation du logiciel Python	python	Édition 3.7.10