בניית מיקרו-אלקטרוניקה פוטנציאלית לשדה מקומי עבור הקלטות in vivo ממבני מוח מרובים בו זמנית
14 במרץ 2022
הפרוטוקול הנוכחי מתאר את בנייתם של מערכי מיקרו-אלקטרוניקה מותאמים אישית לתיעוד פוטנציאל שדה מקומי in vivo ממבנים מוחיים מרובים בו-זמנית.
חוקרים צריכים לעתים קרובות לתעד פוטנציאל שדה מקומי ממבנים מרובים בו זמנית. תכנון המיקרו-אלקטרוניקה הקל שלנו מאפשר לנו להקליט LFPs מכמה מבני מוח בעומקים שונים בו זמנית. מיקרו-אלקטרוניקה הזמינים באופן מסחרי לעיתים קרובות חסרים גמישות ואינם מאפשרים להקליט ממבנים מוחיים מרובים.
עיצוב המיקרו-אלקטרוניקה שלנו מאפשר לשנות בקלות את הבנייה כך שתתאים לכל מבנה רצוי. התחילו על ידי לקיחת חוט כרום ניקל מצופה דיאנה בקוטר 50 מיקרומטר. הדביקו קצה אחד של החוט לחלק האחורי של הרציף ועטפו את החוט שלוש פעמים סביב הידית הקרובה ביותר על הרציף.
מתחו את החוט סביב הידית השנייה הרחוקה ביותר כדי ליצור שתי לולאות בין הידיות. עוטפים את החוט שלוש פעמים נוספות סביב הידית הראשונה כדי לתקן את החוט במקומו ולהדביק את הקצה בחלק האחורי של הפלטפורמה. הניחו את פסי המתח מתחת לחוטים כשהסרט עטוף סביבם.
באמצעות מיקרוסקופ ומלקחיים עדינים, יוצרים מרווח של שלושה מילימטרים בין החוטים כדי ליצור מיקרו-אלקטרוניקה של גרעין תלת-אלקטרודות קליפת המוח, הגחון-לרוחב, או מרווח של 4.5 מילימטרים כדי ליצור מיקרו-אלקטרוניקה סטריאלית-נידרלית. אם נעשה שימוש בהגדלה במיקרוסקופ, הקפד לחשב ולהתאים את ההבדל בהגדלה ואת המרחק בפועל בין החוטים. חתכו ארבע חתיכות קטנות של פלסטיק בעובי 0.5 מילימטרים ברוחב של כשישה מילימטרים ובגובה של שלושה מילימטרים.
יש למרוח דבק על הפלסטיק. מניחים את חתיכות הפלסטיק במרחק של כסנטימטר אחד מאמצע החוט, שנמצא במרחק של סנטימטר אחד ממוט המתח. מסירים עודפי דבק עם צמר גפן.
לאחר שהדבק מתייבש, חותכים את החוט באמצעות מספריים עדינים. חותכים ארבעה צינורות זכוכית באורך שבעה מילימטרים באמצעות ערכה זמינה מסחרית ומחדירים את חוט האלקטרודה לצינורות הזכוכית. שים את הדבק בבסיס צינורות הזכוכית כדי לחבר אותם לפלסטיק.
יש להמתין עד שהדבק יתייבש, ואז לחתוך את צינורות הזכוכית והחוטים באמצעות אזמל. השתמשו בדבק-על כדי לחבר פלסטיק בסדר הרצוי של אזורי המטרה. מרחו שרף אפוקסי סביב הפלסטיק כדי לקשור את האלקטרודות זו לזו.
קחו חוט עבה ועשו לולאה בקצה אחד, טבלו את הלולאה בתמיסת האפוקסי והניחו אותה על הפלסטיק, תוך הבטחה שהחוט העבה שוכב שטוח כך שהחוט הזה יכול לשמש כידית. חותכים את החוט לשני סנטימטרים. קבץ את החוטים וגרד מילימטר אחד של הקצוות המבודדים עם אזמל.
לכופף את האלקטרודות קליפת המוח ולהפריד את החוטים. באמצעות מלקחיים עדינים, צור לולאה בקצה כל חוט. החזיקו אוזניות עם 10 פינים עם המוסטאט והשתמשו בקצה העץ של ספוגית צמר גפן כדי למרוח כמויות מינימליות של שטף על הפינים.
באמצעות קצה העץ של ספוגית הכותנה, יש למרוח שטף על לולאות החוטים. הלחימו את לולאות החוטים לאוזניות עם 10 פינים. ייבשו את האוזניות כדי למנוע קצר חשמלי בין הפינים.
יש ליטול חוט דק של כ-0.05 עד 0.008 אינץ' עבור חוטי ייחוס וקרקע ולהפשיט את הפלסטיק מקצה אחד. צור לולאה בקצה השני של החוט. הלחימו את הצד המופשט של חוטי הייחוס וההארקה לפינים המתאימים להם.
כשהוא אוחז בחוט העבה, מורחים מלט קרניופלסטי סביב המיקרו-אלקטרוניקה, במיוחד כאשר החוטים מתחברים לפינים. הימנעו מלגעת בקצוות האלקטרודה הממשיים עם המלט. לאחר שהמלט מתייבש, מניחים שרף אפוקסי בבסיס צינורות הזכוכית, חוטי מיקרו-אלקטרוניקה סטריאליים וסביב האלקטרודה כולה.
הימנעו מלגעת באלקטרודה מסתיימת בשרף אפוקסי. הקלטות פוטנציאליות שדה מקומיות בוצעו מקליפת המוח הקדם-מוטורית הימנית, ה-VL השמאלי, הסטריאטום וה-SNR. תחילת ההתקף זוהתה כסטייה של עקבות המתח לפחות פי שניים מקו הבסיס.
מתווה ספקטרום ההספק מציג את התפלגות התדרים עבור ההקלטות הפוטנציאליות המקומיות המוקלטות. ניתן להשוות בין איחורים בהתקף בין כל מבנה בדיוק של אלפית השנייה. דופק זרם הופעל בסוף ההקלטות כדי לסמן ולאשר את מיקום קצות האלקטרודות היוצרות את הנגע.
אם המיקרו-אלקטרוניקה בנויה עבור מבנים מוחיים שונים, זכרו לשנות את המרווחים בין החוטים בהתאם לקואורדינטות הסטראוטקטיות של המבנה הרצוי. מניחים את אלקטרודות המבנה העמוק לתוך צינורות הזכוכית ומתאימים את אורכי המיקרו-אלקטרוניקה. לאחר מכן, חברו את הפלסטיק בהזמנה הנדרשת.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג פרוטוקול לבנייה של מערכי מיקרו-אלקטרודות מותאמים אישית, המסוגלים להקליט פוטנציאלי שדה מקומיים (LFPs) in vivo ממספר מבני מוח בו-זמנית. המתודולוגיה מגבירה את הגמישות בהשוואה למיקרו-אלקטרודות הזמינות מסחרית, ומאפשרת הקלטות סימולטניות בעומקים שונים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- אלקטרופיזיולוגיה
- מדעי המוח
- נוירופיזיולוגיה
רקע
- הקלטת פוטנציאליים מקומיים (LFPs) ממבני מוח שונים היא קריטית למחקר במדעי המוח.
- מיקרו-אלקטרודות קיימות עלולות להגביל את יכולות ההקלטה ממספר מבנים במקביל.
- התכנון שואף להתגבר על מגבלות אלו באמצעות בנייה הניתנת להתאמה אישית.
- מחקר זה מתמקד בתכנון אלקטרודות משופר לצורך איסוף נתונים יעיל.
מטרת המחקר
- פיתוח מערכת מיקרו-אלקטרודות ורסטילית להקלטות in vivo.
- מתן אפשרות להקלטות סימולטניות מאזורי מוח מרובים.
- אספקת מערך גמיש למחקרים אלקטרופיזיולוגיים.
שיטות שהשתמשו בהן
- השיטה כוללת בנייה של מיקרו-אלקטרודות מחוטי ניקל-כרום במימדים מוגדרים.
- סידורי המטרות מותאמים על בסיס קואורדינטות סטריאוטקטיות.
- ההוראות המפורטות כוללות טיפול בחוטים, טכניקות הדבקה והלחמה למכשירי ראש.
- האלקטרודות מתוכננות לעומקים שונים של המוח כדי לשפר את יכולות ההקלטה.
- האלקטרודות מעוגנות באמצעות צמנט לקרניופלסטיקה ושרף אפוקסי לצורך יציבות.
תוצאות עיקריות
- המיקרו-אלקטרודות שנבנו רשמו ביעילות LFPs באזורי מוח מרובים.
- המחקר הדגים מדידה מדויקת של סטיית מתח המצביעה על תחילת פרכוס.
- התוצאות מראות פוטנציאל לניתוח השוואתי של זמני השהייה של פרכוסים בין מבנים שונים.
- אישור מיקום האלקטרודה באמצעות פולס זרם מסומן משפר את הדיוק.
מסקנות
- מחקר זה מבסס שיטה ליצירת מערכי מיקרו-אלקטרודות הניתנים להתאמה אישית עבור מחקרים in vivo.
- המבנה הגמיש מאפשר הקלטות ממוקדות מאזורי מוח שונים, ובכך מעשיר את נתוני המחקר.
- הממצאים תורמים להבנה טובה יותר של פעילות נוירונלית הקשורה לפרכוסים ולתופעות נוירופיזיולוגיות אחרות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הקלטה בו-זמנית in vivo של פוטנציאלים מקומיים (LFPs) ממספר מבני מוח היא קריטית להסרת סיכונים מכניסטיים ולתיקוף מטרות בתהליכי גילוי בתחום הנוירו-פארמה. מערכי מיקרו-אלקטרודות הניתנים להתאמה אישית מאפשרים איסוף מדויק של נתונים אלקטרופיזיולוגיים ממספר אזורים, ובכך תומכים בביטחון חיזוי בקבלת החלטות בשלבים מוקדמים עבור תיקי פיתוח של תרופות למערכת העצבים המרכזית (CNS). גישה גמישה זו נותנת מענה למגבלות של מערכים מסחריים, ובכך משפרת את הרצף התרגומי משלב הגילוי ועד למחקר הפרה-קליני.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר חקירה של תפקוד מעגלים עצביים במספר אזורי מוח בזמן אמת.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי מתן אפשרות להשוואה ישירה של דפוסי פעילות במהלך אירועים רלוונטיים למחלה.
- מסייע בתיקוף פונקציונלי של מטרות על ידי ביסוס מתאם בין חתימות LFP לבין התערבויות פרמקולוגיות או גנטיות.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay Development)
- מספקת פלטפורמה לפיתוח ותיקוף של בדיקות אלקטרופיזיולוגיות עם פלטים כמותיים ברזולוציה של מילי-שניות.
- מאפשרת הקלטות רב-אתריות הניתנות לשחזור כדי להגדיר תנאי בדיקה סטנדרטיים בין ניסויים שונים.
- תומכת בסריקת תרכובות לבחינת השפעות ספציפיות לאזורים על פעילות עצבית.
מחקר תרגומי ופקליני
- מיישר מודלים פרה-קליניים עם נקודות קצה של מעגלים עצביים הרלוונטיים למחלה בבני אדם.
- מאפשר גילוי ותיקוף של ביומרקרים במבנים שונים עבור מחקרים תרגומיים.
- תומך בקידום מותאם סיכון באמצעות אספקת נתונים עצביים השוואתיים ואמינים על פני אזורי מוח שונים.
אינטגרציה של תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
שיטה זו של מיקרו-אלקטרודות הניתנות להתאמה אישית משלבת שלבים החל מגילוי מוקדם ועד לתיקוף פרה-קליני, ובכך מאפשרת בדיקה רציפה של היפותזות והמשכיות של נתונים.
- ביולוגיה של גילוי: מסייעת במיפוי של מעגלים עצביים המונחה על ידי היפותזות ובבירוש מסלולים.
- סריקה: מספקת מדדי LFP כמותיים וניתנים לשחזור לצורך הערכת תרכובות.
- אנליטיקה: מספקת נתוני מתח ותדר ברזולוציה גבוהה להשוואה סטטיסטית בין תנאים ואזורים שונים.
- מחקר תרגומי: מגשרת בין שלבי הגילוי לשלבים הפרה-קליניים על ידי מתן אפשרות לסנכרון של סממנים ביולוגיים ותיקוף נקודות סיום בין מינים שונים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה פלטפורמה מודולרית וסתגלתית לתוכניות מחקר מגוונות של ה-CNS.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתיקוף מטרות ב-CNS.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) של תהליכי עבודה אלקטרופיזיולוגיים.
- ערך אסטרטגי: משפר את איכות קבלת ההחלטות לגבי המשך התקדמות (go/no-go) ואת יעילות ההון על ידי מתן אפשרות לאיסוף נתונים חסון ממספר אזורים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים ובקידום של נכסי CNS.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בניתוח סטריאוטקסי ובהרכבת מיקרו-אלקטרודות.
- נדרש גישה לכלים מדויקים, מיקרוסקופים ומערכות להקלטה אלקטרופיזיולוגית.
- דורש סטנדרטיזציה קפדת בין צוותים של פרוטוקולי בנייה והצבה של אלקטרודות.
- ניתן להתאמה למגוון מודלים של מכרסמים ולאזורי מוח שונים על ידי התאמת קואורדינטות סטריאוטקסיות ותצורת האלקטרודות.
- מגבלות פוטנציאליות כוללות שונות במיקום האלקטרודות וצורך בטיפול זהיר לשמירה על איכות ההקלטה.
