Optrode Array per la modulazione optogenetica simultanea e la registrazione neurale elettrica

Summary

Qui, presentiamo il metodo di fabbricazione di un sistema optrode con fibre ottiche per l'erogazione della luce e un array di elettrodi per la registrazione neurale. Esperimenti in vivo con topi transgenici che esprimono channelrhodopsin-2 mostrano la fattibilità del sistema per la stimolazione optogenetica simultanea e la registrazione elettrofisiologica.

Abstract

Durante l'ultimo decennio, l'optogenetica è diventata uno strumento essenziale per lo studio della segnalazione neurale grazie alla sua capacità unica di modulazione o monitoraggio neurale selettivo. Poiché tipi specifici di cellule neuronali possono essere geneticamente modificati per esprimere proteine opsina, l'optogenetica consente la stimolazione ottica o l'inibizione dei neuroni selezionati. Ci sono stati diversi progressi tecnologici nel sistema ottico per l'optogenetica. Recentemente, è stato proposto di combinare la guida d'onda ottica per l'erogazione della luce con la registrazione elettrofisiologica per monitorare contemporaneamente le risposte neurali alla stimolazione o all'inibizione optogenetica. In questo studio, è stato sviluppato un array optrode impiantabile (fibre ottiche 2x2) con elettrodi multicanale incorporati.

Un diodo a emissione luminosa (LED) è stato impiegato come sorgente luminosa e un array di microlenti microfabbricati è stato integrato per fornire una potenza luminosa sufficiente sulla punta delle fibre ottiche. Il sistema optrode array comprende la parte monouso e la parte riutilizzabile. La parte monouso ha fibre ottiche ed elettrodi, mentre la parte riutilizzabile ha il LED e i circuiti elettronici per il controllo della luce e l'elaborazione del segnale neurale. Il nuovo design del sistema di array optrode impiantabile viene introdotto nel video di accompagnamento oltre alla procedura della chirurgia di impianto optrodo, alla stimolazione della luce optogenetica e alla registrazione neurale elettrofisiologica. I risultati degli esperimenti in vivo hanno mostrato con successo picchi neurali bloccati nel tempo evocati dagli stimoli luminosi dei neuroni eccitatori dell'ippocampo dei topi.

Introduction

La registrazione e il controllo dell'attività neurale è essenziale per capire come funziona il cervello in una rete neurale e a livello cellulare. I metodi di registrazione elettrofisiologica convenzionali includono il patch clamp 1,2,3,4 utilizzando una micropipetta e la registrazione extracellulare utilizzando elettrodi microneurali 5,6,7,8. Come metodo di neuromodulazione, la stimolazione elettrica è stata spe....

Protocol

Le procedure chirurgiche e di cura degli animali sono state approvate dall'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) presso la Ewha Womans University (n. 20-029).

1. Preparazione di un array optrode (Figura 1 e Figura 2)

1. Collegare le fibre ottiche con l'array di microlenti.
   1. Rimuovere il rivestimento di passivazione della fibra ottica e tagliarlo in pezzi lunghi 5 mm utilizzando una mannaia in fibra ottica di precisione.
   2. Immergere la fibra ottica nella resina UV trasparente e posizionare le fib....

Results

Il sistema optrode è fabbricato con successo per fornire una potenza luminosa sufficiente per attivare i neuroni bersaglio. L'allineamento fine degli elettrodi di tungsteno si ottiene attraverso il silicio microfabbricato attraverso i fori. L'intensità luminosa misurata è di 3,6 mW/mm² sulla punta della fibra ottica quando viene applicata una corrente di 50 mA. I microlenti hanno aumentato l'efficienza luminosa di 3,13 dB. A causa dell'array di microlenti, che migliora l'accoppiamento della luce, la corrente a.......

Discussion

È stata verificata la fattibilità del sistema per la stimolazione optogenetica simultanea e la registrazione elettrofisiologica (Figura 6). I grandi picchi durante la stimolazione della luce sono artefatti fotoelettrici che si verificano contemporaneamente alla stimolazione della luce (Figura 6A). Questo è chiaro nella vista ingrandita della forma d'onda nel rettangolo tratteggiato rosso (Figura 6A). Come mostrato nella

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Connettore a 5 pin	NW3	HD127K	passo da 1,27 mm (.050")
Bovie	Fine Science Tools (FST)	18010-00	Kit di cauterizzazione ad alta temperatura
Software di acquisizione dati	Intan Technologies, LLC	Software della scheda di interfaccia USB	Funziona con la scheda di interfaccia USB RHD
Dental Cement	Lang Dental Manufacturing Company, Inc.	1223CLR	Utilizzare Jet Liquid e polvere nel pacchetto di riparazione della protesi dentaria a getto
Manipolatore digitale Braccio	Stoelting Co.	51904/51906	Sinistra, Destra ogni braccio manipolatore digitale, 3 assi, schiuma
gel	Cutanplast	Standard (70*50*10 mm)	Spugna di gelatina sterile riassorbibile con effetto emostatico
Preamplificatore per headstage	Intan Technologies, LLC		RHD 16-Channel Recording Headstages
Heating Pad	Stoelting Co.	53800R	Scaldaroditori X1 con termoforo per ratti
LED	OSLON	GB CS8PM1.13	λ tip. 470 nm, angolo di visione 80 gradi, tensione diretta 2,85 V
MATLAB	MathWorks, Inc.	R2019a
Micro Morsetto	SURGIWAY	12-1002-04	Tipo dritto, Serre-fine DIEFFENBACH droite 3,5 cm
Fibra ottica	Thorlabs, Inc.	FT200UMT	0,39 NA, Ø 200 µ m Core fibra ottica multimodale, OH elevato per 300 - 1200 nm
PFA-rivestito filo di tungsteno	A-M Sistema	ordinato su ordinazione	, - Oslash; 101.6 &; m (.004")
Fotodiodo	Thorlabs	S121C
misuratore	di potenza Thorlabs Inc.	PM100D
Mannaia di precisione	FITEL	S326	Utensile per affettare fibra
Prisma	GraphPad	5.01 versione
Scalpel	Feather™	#20	Lama per bisturi con vite per manico per bisturi lunga 100 mm
	Nasa Korea	in acciaio inossidabile	diametro: 1,2 mm, lunghezza: 3 mm
Filo d'argento	The Nilaco Corporation	AG-401265	Ø 200 &; m
Stereotassico Fxrame	Stoelting Co.	51500D	Sutura digitale stereotassica, ratto e topo
	ETHICON	W9106	dimensione della sutura: 4-0, lunghezza: 75 cm, diametro del filo: 4-0
vaselina	Unilever PLC	Vaselina Wave_Clus originale	100% pura
N	/A	N/A