מערך Optrode לאפנון אופטוגנטי סימולטני והקלטה עצבית חשמלית

פרוטוקול זה כולל ייצור של מערכת optrode עבור גירוי אופטוגנטי סימולטני והקלטה אלקטרופיזיולוגית. המערכת המוצעת מבוססת LED משפרת את יעילות צימוד האור באמצעות מערך מיקרולנס. למקור אור LED יש תאורה פשוטה המוגדרת מאשר מקור אור לייזר, כך שהמערכת ישימה בקלות למערכת האלחוטית.

אופטוגנטיקה היא טכניקת נתיב להבנת הפתולוגיה של מחלות נוירולוגיות ומנגנוני טיפול. ניתן ליישם אופטוגנטיקה לטיפול בפגיעה בחוט השדרה, אפילפסיה, מחלת פרקינסון ומחלת אלצהיימר. ניתן ליישם את ההתקן מבוסס ה-LED שלנו עוד יותר כמערכת אלחוטית עם מספר יתרונות, כגון מורכבות מערכת נמוכה, עלות-תועלת וצריכת חשמל נמוכה.

ראשית, חברו את המחבר הנקבי בגובה 1.27 מילימטרים לקדם-מהאמפליפייר של שלב הראש. מקם את נורית ה- LED במארז המודפס בתלת-ממד. מדוד את עוצמת האור בקצה קצה הסיב האופטי באמצעות פוטודיודה.

יש לטבול את אלקטרודות הטונגסטן והסיבים האופטיים באלכוהול למשך 15 דקות ולייבש אותם באוויר. גילחו את עור הראש והניחו את העכבר המרומם במסגרת הסטריאוטקטית. מקמו את הראש בתוך המסגרת הסטריאוטקטית והכניסו מוטות אוזניים לתוך הבשר.

הפעילו את משטח החימום התרמי המוטמע במסגרת הסטריאוטקטית ושמרו על טמפרטורת הגוף ב-37 מעלות צלזיוס לאורך כל ההליכים הכירורגיים. התאם את מוט החתך לקביעת גובה מוט החתך והידק את מהדק האף כנגד החוטם. כסו את העיניים בג'לי נפט כדי למנוע יובש.

הרימו את העור בראש עם מלקחיים, הבטיחו מקום הזרקה והזיקו 1% לידוקאין מתחת לקרקפת. בצע חתך sagittal באמצעות אזמל ומספריים עדינים. החזיקו את העור המעוגל במיקרו-רמה כדי להרחיב את הנראות של האזור הכירורגי.

מסירים את הפריוסטאום באמצעות צמר גפן. אם יש דימום, צרב את הגולגולת באמצעות בובי כדי לאטום את כלי הדם. נקו את הגולגולת עם מלח וסמנו את אתרי הגולגולת באמצעות זרוע מניפולטור.

קודחים חור מעל המוח הקטן ומחדירים בורג לקרקע. באמצעות בורג מדויק, לשים את בורג הקרקע 0.5 מילימטרים עמוק עד שהוא מגיע לחלק העליון של המוח הקטן. קודחים את האזור המסומן ומוציאים חתיכה מהגולגולת עם מלקחיים.

כופפו קצה מחט של 26 מדים בכיוון השעון בזווית של 120 מעלות וחשפו את אזור המוח על ידי החדרת הצד המשופע של המחט הפונה כלפי מעלה. תקן את מערך האופטרודה בזרוע המניפולטור והתקרב לאזור החשוף. הכניסו באיטיות את מערך האופטרודות וחברו את בורג ההארקה לחוט הכסף המחובר למערכת.

החדירו קצף ג'ל בין המוח החשוף לבין המכשיר כדי להגן על כימיקלים מפני מגע ישיר עם המוח. יש למרוח בזהירות מלט דנטלי על הגולגולת כדי לתקן את המכשיר ולכסות את קצף הג'ל. לפני שהמלט הדנטלי מוקשה לחלוטין, הפרד את הקרקפת אם היא מחוברת למלט הדנטלי.

משכו את העור המעוגל במלקחיים כדי לכסות את המלט הדנטלי הקשוח ותפרו את הקרקפת. מקם את העכבר המרדים במסגרת הסטריאוטקטית. הגדר את מתכון פולס האור למחזור עבודה של 4% בתדר הרץ של 10.

הגדר את גירוי האור למשך שתי שניות במהלך ההקלטה העצבית. הורידו את כיסוי הפלסטיק והצמידו את החלק העליון של מערכות העברת האור עם הנורית הרב-פעמית במעגלים. חברו את המקדם-מהאמפליפייר של שלב הראש למחבר בעל חמשת הפינים המושתלים.

פתח את התוכנה והגדר את מסנני התוכנה. לאחר מכן, לחץ והגדר קצב דגימת מגבר. לאחר מכן לחץ על שנה רוחב פס.

הגדר מגבר רוחב פס תחתון ורוחב פס עליון של מגבר. בדוק את מסנן DAC High-Pass של התוכנה. פתח את טווח הספייק ובדוק אותות עצביים באמצעות סף מתח.

לחץ על עצור והקלט. טען את הנתונים שנרכשו באמצעות MATLAB ובדוק נתונים גולמיים. לאחר מכן הפעל קוד מיון ספייק המכיל אלגוריתם גוש גלים.

בדוק קוצים ממוינים בעלילת רסטר. כעת מתווה ספירת קוצים ובודק קוצים מעוררים במהלך גירוי קל. האיור מציג צורות גלים שלמות שנרשמו עם תנאים מדויקים, כולל שתי שניות אור על התקופה באמצע.

מספר הקוצים העצביים האינדיבידואליים המתעוררים בעקבות כל דופק של גירוי אור גדל באופן משמעותי בהשוואה לנקודת ההתחלה עם סלים שונים של שתי שניות ו-0.2 שניות. האיור מציג היסטוגרמה של ספייק עבור כל ערוץ לפני, במהלך ואחרי גירוי האור. הנתון המוטבע מציין את מיקומו של מערך האופטרודה המושתל.

יתר על כן, הגרסה המוגדלת מציגה היסטוגרמה של ספייק עם סל זמן של 100 אלפיות השנייה. הסרגל הכחול מייצג את פרק הזמן שבו נורת ה-LED דולקת כדי לתעד את התגובה. כדי למזער את רעשי החפץ מתהליך זרם הנהיגה של LED, יש לתכנן את המערכת כך שתבטיח מרחק מספיק בין מסלול האותות החשמליים למעגל ה-LED.

מערכת האופטרודה המוצעת המבוססת על LED יכולה לחקור את האיתותים העצביים השונים הקשורים להתנהגות בעלי חיים מכיוון שהיא יכולה לספק גירוי אופטוגנטי ולתעד את התגובות העצביות המעוררות. מערך LED optrode תואם לממשק האופטוגנטיקה האלחוטית, שניתן להשתמש בו במחקר חופשי בבעלי חיים.