מערך Optrode לאפנון אופטוגנטי סימולטני והקלטה עצבית חשמלית

Youjin Lee; Daeho Ryu; Saeyeong Jeon; Yena Lee; Yoon Kyung Cho; Chang-Hyeon Ji; Yong-Kweon Kim; Sang Beom Jun

doi:10.3791/63460

Method Article

מערך Optrode לאפנון אופטוגנטי סימולטני והקלטה עצבית חשמלית

DOI:

10.3791/63460

⸱

September 1st, 2022

Youjin Lee*¹^,² , Daeho Ryu*³ , Saeyeong Jeon³ , Yena Lee¹ , Yoon Kyung Cho¹ , Chang-Hyeon Ji¹^,² , Yong-Kweon Kim³^,⁴ , Sang Beom Jun¹^,²^,⁵

¹Department of Electronic and Electrical Engineering, Ewha Womans University, ²Graduate Program in Smart Factory, Ewha Womans University, ³Department of Electrical and Computer Engineering, Seoul National University, ⁴Graduate School of Engineering Practice, Seoul National University, ⁵Department of Brain and Cognitive Sciences, Ewha Womans University

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן אנו מציגים את שיטת הייצור של מערכת אופטרודה עם סיבים אופטיים להעברת אור ומערך אלקטרודות להקלטה עצבית. ניסויי In vivo עם עכברים מהונדסים המבטאים את channelrhodopsin-2 מראים את ההיתכנות של המערכת לגירוי אופטוגנטי סימולטני ורישום אלקטרופיזיולוגי.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

במהלך העשור האחרון, אופטוגנטיקה הפכה לכלי חיוני לחקר אותות עצביים בשל יכולתה הייחודית של אפנון או ניטור עצבי סלקטיבי. מכיוון שניתן להנדס גנטית סוגים מסוימים של תאי עצב כדי לבטא חלבוני אופסין, אופטוגנטיקה מאפשרת גירוי אופטי או עיכוב של תאי העצב שנבחרו. היו מספר התקדמות טכנולוגית במערכת האופטית לאופטוגנטיקה. לאחרונה הוצע לשלב את מדריך הגל האופטי להעברת אור עם הקלטה אלקטרופיזיולוגית כדי לעקוב בו זמנית אחר התגובות העצביות לגירוי אופטוגנטי או לעיכוב. במחקר זה פותח מערך אופטרודות מושתל (2x2 סיבים אופטיים) עם אלקטרודות רב-ערוציות משובצות.

דיודה פולטת אור (LED) שימשה כמקור אור, ומערך מיקרולנים מיקרו-דחוסים שולב כדי לספק עוצמת אור מספקת בקצה הסיבים האופטיים. מערכת מערך האופטרודות כוללת את החלק החד פעמי ואת החלק הניתן לשימוש חוזר. לחלק החד פעמי יש סיבים אופטיים ואלקטרודות, בעוד שלחלק הניתן לשימוש חוזר יש את ה- LED והמעגלים האלקטרוניים לבקרת אור ועיבוד אותות עצביים. העיצוב החדשני של מערכת מערך האופטרודים המושתל מוצג בסרטון הנלווה בנוסף להליך של ניתוח השתלת אופטרודה, גירוי אור אופטוגנטי ורישום עצבי אלקטרופיזיולוגי. התוצאות של ניסויי in vivo הראו בהצלחה קוצים עצביים נעולים בזמן המתעוררים על ידי גירויי האור מתאי עצב מעוררים בהיפוקמפוס של עכברים.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

רישום ושליטה בפעילות עצבית חיוניים להבנת האופן שבו המוח מתפקד ברשת עצבית וברמות התאית. שיטות הקלטה אלקטרופיזיולוגיות קונבנציונליות כוללות את מהדק^המדבקה 1,2,3,4 באמצעות מיקרופיפט והקלטה חוץ-תאית באמצעות אלקטרודות מיקרונורליות ^5,6,7,8. כשיטת נוירומודולציה, גירוי חשמלי שימש לעתים קרובות כדי לעורר ישירות אזור מוח מוקדי באמצעות דה-פולריזציה ישירה או עקיפה של תאי עצב. עם זאת, השיטה החשמלית אינה יכולה להבחין בין סוגי תאים....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הטיפול בבעלי חיים וההליכים הכירורגיים אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC) באוניברסיטת Ewha Womens (מס ' 20-029).

1. הכנת מערך אופטרודה (איור 1 ואיור 2)

חברו סיבים אופטיים למערך המיקרולנים.
1. הסר את ציפוי הפאסיביציה של הסיב האופטי וחתך אותו לחתיכות באורך 5 מ"מ באמצעות קליבר סיבים אופטיים מדויק.
2. טבלו את הסיבים האופטיים בשרף ה-UV הצלול והניחו את הסיבים האופטיים על מערך המיקרולנים.
3. לרפא את השרף באמצעות מנורת UV.
4. חברו את מערך המיקרולנים למארז המודפס בתלת-ממד באמצע....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מערכת optrode מיוצרת בהצלחה כדי לספק מספיק כוח אור כדי להפעיל את נוירוני המטרה. היישור העדין של אלקטרודות הטונגסטן מושג באמצעות הסיליקון המיקרו-פבריקטי דרך החורים. עוצמת האור הנמדדת היא 3.6 mW/mm² בקצה הסיב האופטי כאשר מופעל זרם של 50 mA. המיקרולנים הגדילו את יעילות האור ב-3.13 dB. בשל מערך המיקרולנים, המשפר את צימוד האור, הזרם המופעל הוא כמחצית מהזרם הנדרש כדי להשיג את אותה עוצמת אור ללא מערכת מערך המיקרולנס. מכיוון שהנורית מייצרת יותר חום עם יותר זרם, ברור שיש יתרון להשתמש במערך המיקרולנים להורדת החום של המכ.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ההיתכנות של המערכת לגירוי אופטוגנטי סימולטני ולרישום אלקטרופיזיולוגי אומתה (איור 6). הקוצים הגדולים במהלך גירוי האור הם ממצאים פוטואלקטריים המתרחשים במקביל לגירוי האור (איור 6A). זה ברור בתצוגה המוגדלת של צורת הגל במלבן המקווקו האדום (איור 6A). כפי שניתן לראות באיור 6A, ניתן היה למיין בבירור את הממצאים הפוטו-אלקטרוניים מצורות הגל המתועדות, והתגובות העצביות המושרות על-ידי גירוי האופטוגנטיקה של מסלול האות.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה נתמך על ידי תוכנית המו"פ הטכנולוגית המתכנסת להגדלת האדם באמצעות קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF), במימון משרד המדע וה-ICT (NRF-2019M3C1B8090805), ונתמך על ידי מענק של קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF) במימון ממשלת קוריאה (MSIT) (מס ' 2019R1A2C1088909). אנו מודים למעבדה של סונג-הי לי במחלקה למדעי הביולוגיה, KAIST, טג'און, קוריאה, על שסיפקה בחביבות את העכברים המהונדסים.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
מחבר 5 פינים	NW3	HD127K	גובה 1.27 מ"מ (.050 אינץ')
Bovie	Fine Science Tools (FST)	18010-00	ערכת קוטריה בטמפרטורה גבוהה
תוכנה לרכישת נתונים	Intan Technologies, LLC	תוכנת לוח ממשק USB	עבוד עם לוח ממשק USB RHD
מלט דנטלי	Lang Dental Manufacturing Company, Inc.	1223CLR	השתמש בנוזל סילון ואבקה בחבילת תיקון תותבות סילון
מניפולטור דיגיטלי זרוע	Stoelting Co.	51904/51906	שמאל, ימין כל זרוע מניפולטור דיגיטלית, 3 צירים, תוסף
קצף ג'ל	Cutanplast	סטנדרטי (705010 מ"מ)	ספוג ג'לטין סטרילי נספג מחדש עם אפקט המוסטטי
Headstage Preamplifier	Intan Technologies, LLC	#C3314	RHD 16-Channel הקלטה Headstages
כרית חימום	Stoelting Co.	53800R	סטולינג מחמם מכרסמים X1 עם כרית חימום עכברושים
LED	OSLON	GB CS8PM1.13	λ טיפוסי 470 ננומטר, זווית צפייה 80 °, מתח קדימה 2.85 V
MATLAB	MathWorks, Inc.	R2019a
מיקרו מהדק	SURGIWAY	12-1002-04	סוג ישר, Serre-fine DIEFFENBACH droite 3.5 ס"מ
סיבים	אופטיים Thorlabs, Inc.	FT200UMT	0.39 NA, ואוסלאש; 200 ומיקרו; m סיבים אופטיים מולטי-מוד ליבה, OH גבוה עבור 300 - 1200 ננומטר
חוט טונגסטן מצופה PFA	מערכת A-M	בהזמנה אישית	, Ø 101.6 μ m (.004 אינץ')
פוטודיודה	Thorlabs	S121C
מד כוח	Thorlabs Inc.	PM100D
קליבר דיוק	FITEL	S326	כלי פורס סיבים
פריזמה	GraphPad	5.01 גרסת
אזמל	נוצה וסחר;	#20	להב אזמל עם בורג ידית אזמל באורך 100 מ"מ
	נירוסטה	של נאס"א קוריאה	: 1.2 מ"מ, אורך: 3 מ"מ
חוט כסף	The Nilaco Corporation	AG-401265	Ø 200 ומיקרו; m
Stereotaxic Fxrame	Stoelting Co.	51500D	דיגיטלי חדש סטריאוטקסי, תפר עכברוש ועכבר
	ETHICON	W9106	גודל תפר: 4-0, אורך: 75 ס"מ, קוטר חוט: 4-0
וזלין	יוניליוור PLC	מקורי	100% ג'לי נפט טהור
Wave_Clus	N / A	N / A https://github.com/csn-le/wave_clus

סוג מוט קוטר

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wang, Y., Liu, Y. Z., Wang, S. Y., Wang, Z. In vivo whole-cell recording with high success rate in anaesthetized and awake mammalian brains. Molecular Brain. 9 (1), 86(2016).
Segev, A., Garcia-Oscos, F., Kourrich, S. Whole-cell patch-clamp r....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

מערך Optrode לאפנון אופטוגנטי סימולטני והקלטה עצבית חשמלית

In This Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles