Optrode Array pour la modulation optogénétique simultanée et l’enregistrement neuronal électrique

Summary

Ici, nous présentons la méthode de fabrication d’un système optrode avec des fibres optiques pour la livraison de lumière et un réseau d’électrodes pour l’enregistrement neuronal. Des expériences in vivo avec des souris transgéniques exprimant la channelrhodopsine-2 montrent la faisabilité du système pour la stimulation optogénétique simultanée et l’enregistrement électrophysiologique.

Abstract

Au cours de la dernière décennie, l’optogénétique est devenue un outil essentiel pour l’étude de la signalisation neuronale en raison de sa capacité unique de modulation ou de surveillance neuronale sélective. Comme des types spécifiques de cellules neuronales peuvent être génétiquement modifiés pour exprimer les protéines d’opsine, l’optogénétique permet la stimulation optique ou l’inhibition des neurones sélectionnés. Il y a eu plusieurs avancées technologiques dans le système optique pour l’optogénétique. Récemment, il a été proposé de combiner le guide d’ondes optique pour la livraison de lumière avec l’enregistrement électrophysiologique pour surveiller simultanément les réponses neuronales à la stimulation ou à l’inhibition optogénétique. Dans cette étude, un réseau d’optrode implantable (2x2 fibres optiques) a été développé avec des électrodes multicanaux intégrées.

Une diode électroluminescente (LED) a été utilisée comme source lumineuse et un réseau de microlentilles préfabriquées a été intégré pour fournir une puissance lumineuse suffisante à l’extrémité des fibres optiques. Le système optrode array comprend la partie jetable et la partie réutilisable. La partie jetable a des fibres optiques et des électrodes, tandis que la partie réutilisable a la LED et les circuits électroniques pour le contrôle de la lumière et le traitement du signal neuronal. La nouvelle conception du système implantable optrode array est présentée dans la vidéo d’accompagnement en plus de la procédure de la chirurgie d’implantation optrode, de la stimulation lumineuse optogénétique et de l’enregistrement neuronal électrophysiologique. Les résultats d’expériences in vivo ont montré avec succès des pics neuronaux verrouillés dans le temps évoqués par les stimuli lumineux des neurones excitateurs de l’hippocampe de souris.

Introduction

L’enregistrement et le contrôle de l’activité neuronale sont essentiels pour comprendre le fonctionnement du cerveau dans un réseau neuronal et au niveau cellulaire. Les méthodes d’enregistrement électrophysiologique conventionnelles comprennent la pince de patch 1,2,3,4 à l’aide d’une micropipette et l’enregistrement extracellulaire à l’aide d’électrodes microneurales ^5,6,7,8. En tant que méthode de neuromodulati....

Protocol

Les soins aux animaux et les interventions chirurgicales ont été approuvés par l’Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) de l’Ewha Womans University (n° 20-029).

1. Préparation d’un réseau d’optrode (Figure 1 et Figure 2)

1. Fixez des fibres optiques avec le réseau de microlentilles.
   1. Retirez le revêtement de passivation de la fibre optique et coupez-le en morceaux de 5 mm de long à l’aide d’un couperet à fibre optique de précision.
   2. Trempez la fibre optique dans la résine UV transparente et plac....

Results

Le système optrode est fabriqué avec succès pour fournir une puissance lumineuse suffisante pour activer les neurones cibles. L’alignement fin des électrodes en tungstène est obtenu grâce au silicium microfabriqué via les trous. L’intensité lumineuse mesurée est de 3,6 mW/^mm2 à l’extrémité de la fibre optique lorsque du courant de 50 mA est appliqué. Les microlentilles ont augmenté l’efficacité lumineuse de 3,13 dB. En raison du réseau de microlentilles, qui améliore le couplage de la lumière, le courant appli.......

Discussion

La faisabilité du système de stimulation optogénétique simultanée et d’enregistrement électrophysiologique a été vérifiée (figure 6). Les gros pics lors de la stimulation lumineuse sont des artefacts photoélectriques se produisant en même temps que la stimulation lumineuse (Figure 6A). Cela est clair dans la vue agrandie de la forme d’onde dans le rectangle pointillé rouge (Figure 6A). Comme le montre la figure .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Connecteur à 5 broches	NW3	HD127K	Pas de 1,27 mm (.050")
Bovie	Fine Science Tools(F.S.T)	18010-00	Kit de cautérisation à haute température
Logiciel d’acquisition de données	Intan Technologies, LLC	Logiciel de carte d’interface USB	avec la carte d’interface USB RHD
Dental Cement	Lang Dental Manufacturing Company, Inc.	1223CLR	Utilisez du jet de liquide et de la poudre dans l’ensemble de réparation de prothèses dentaires
à jet Bras manipulateur numérique	Stoelting Co.	51904/51906	Gauche, Droite chaque Bras manipulateur numérique, 3 axes, Add-On
Gel Foam	Cutanplast	Standard (70*50*10 mm)	Éponge de gélatine stérile réabsorbable à effet hémostatique
Headstage Preamplifier	Intan Technologies, LLC		RHD 16-Channel Recording Headstages
Heating Pad	Stoelting Co.	53800R	Stoelting Rodent Warmer X1 avec coussin chauffant pour rats
LED	OSLON	GB CS8PM1.13	&lambda ; typ. 470 nm, Angle de vision 80 ° ;, Tension directe 2.85 V
MATLAB	MathWorks, Inc.	R2019a
Micro Clamp	SURGIWAY	12-1002-04	Type droit, Serre-fine DIEFFENBACH droite 3,5 cm
Fibre Optique	Thorlabs, Inc.	FT200UMT	0,39 NA et Oslash ; 200 et micro ; Fibre optique multimode à noyau m, haute OH pour fil
de tungstène revêtu de PFA	Système A-M	commandé sur mesure	, Ø ; 101.6 &mu ; m (.004")
Photodiode	Thorlabs	S121C
capteur	de puissance Thorlabs Inc.	PM100D
Couperet de précision	FITEL	S326	Outil de découpe de fibre
Prism	GraphPad	5.01 version
Scalpel	Feather&trade ;	#20	Lame de scalpel avec vis de poignée de scalpel de 100 mm de long
	acier inoxydable	Nasa Korea	: 1,2 mm, longueur : 3 mm
Fil d’argent	The Nilaco Corporation	AG-401265	& Oslash ; 200 & micro ; m
Stereotaxic Fxrame	Stoelting Co.	51500D	Digital nouvelle suture stéréotaxique, rat et souris standard
	ETHICON	W9106	taille de la suture : 4-0, longueur : 75 cm, diamètre du fil : 4-0
Vaseline	Unilever PLC	Original	100 % vaseline
Wave_Clus	N/A	N/A