このプロトコルには、トランスデューサーの製造、パラメータレポート作成、外科的処置、および自由移動マウスでの同時集束超音波ニューロモデュレーションおよびファイバー測光記録の運用ワークフロー全体の信号記録が含まれます。
方法論記事
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このプロトコルには、トランスデューサーの製造、パラメータレポート作成、外科的処置、および自由移動マウスでの同時集束超音波ニューロモデュレーションおよびファイバー測光記録の運用ワークフロー全体の信号記録が含まれます。
集束超音波ニューロモデュレーション(FUN)は、脳深部領域のニューロン回路の非侵襲的摂動に対する有望なアプローチです。これは、 in vivoで脳機能を監視するための既存のモダリティのほとんどと互換性があります。脳機能記録モダリティとの統合により、閉ループフィードバックで特定の脳機能の秩序と障害に対処できるだけでなく、FUN自体に関するメカニズムの洞察も得られます。ここでは、自由移動マウスでのFUNとファイバー測光GCaMP6s蛍光記録の同時適用のための、改良されたシンプルで信頼性が高く、堅牢なプロトコルを提供します。これには、適切なサイズの単一トランスデューサーの作製とマウスへの一時的な配置、およびトランスデューサーのスムーズな通過を容易にするための光ファイバーインプラントの安全な固定が含まれます。FUNとファイバー測光の組み合わせにより、脳深部領域におけるFUN時の神経回路応答を光学的に記録することができます。このプロトコルの効率性を実証するために、Thy1-GCaMP6sマウスを例として使用して、マウスが自由に動いている間のFUN中に視床前核の神経活動を記録しました。このプロトコルは、神経科学分野と生物医学超音波分野の両方でFUNの広範な使用を促進できると信じています。
集束超音波ニューロモデュレーション(FUN)は、有望で用途の広いニューロモデュレーションツールとして登場し、大きな可能性を秘めた脳機能と組織の探索を可能にしました1。FUNは、ピンポイントの精度で脳組織内の任意の位置に音響エネルギーを非侵襲的に供給することができます2.脳深部構造の神経活動を、高い時空間特異性で、安全かつ非侵襲的に一過性および可逆的に調節するその能力は、既存の臨床神経調節技術を補完する魅力的な属性を示しています3。効果的なFUNの実証は、ヒト被験者4,5,6と、小型7,8,9,10および大型種11,12,13,14,15,16,17を含むさまざまな動物モデルの両方で確認されています。
FUN中の神経活動モニタリングを通じて、FUNが特定の神経タイプに及ぼす影響を観察することにより、このプロセスの背後にあるメカニズムを掘り下げることができる18,19。遺伝的にコードされたカルシウム指標(GECI)に基づく繊維測光は、in vivo 20,21,22,23,24の細胞型特異的な集団活動を追跡するための汎用性の高い方法として、過去10年間で広く利用されるようになりました。したがって、FUNとファイバー測光を同時に適用することで、FUNの包括的な理解を大幅に深めることができます。それにもかかわらず、かさばる単一のトランスデューサーの使用はフレームへの固定を必要とするが、動物は麻酔を受け、定位固定装置フレーム7,19,25,26に固定される必要がある。このアプローチは、知覚、認知、行動評価に関連する特定の種類の実験には適していない可能性があります。マウスの動員を妨げることなく、FUNとファイバー測光の融合を容易にするプロトコルを確立することが重要である7。
この研究では、単一のトランスデューサの作成方法とマウスへの一時的な固定、およびトランスデューサ7,19,26のスムーズな通過を容易にするための光ファイバーインプラントの安全な固定をシームレスかつ優雅に補完するために、以前の研究で使用された洗練されたプロトコルを紹介します.これにより、研究者は、拘束されていないマウスの超音波によって調節された神経活動を記録することができます。私たちは、聴覚の交絡27を減らすために、正弦波エンベロープなどのより滑らかなエンベロープを選択しました。このプロトコルの実現可能性は、FUN中に自由行動マウスの視床前核における神経活動の同時記録によって確認されます。これは、トランスデューサーのエネルギーが神経調節を達成するのに十分であり、光ファイバーインプラントとトランスデューサーの固定方法がそれらの安定性を確保できることを実証しています。
すべての手順と動物の取り扱いは、NSFCの倫理ガイドラインに準拠し、広東情報科学技術研究所の施設動物管理および使用委員会の承認されたプロトコル要件に準拠していました。
1. トランスデューサーの準備
2. FUNのレポートパラメータ
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)3.手術のための動物の準備
4. 外科的処置
5.刺激と信号の記録
マウスの視床前核の位置に対応する、トランスデューサー表面から3.4 mm離れたXY平面とXZ平面の自由音場の音圧分布を図2B、Cに示します。これらの測定値は、XYドメインとXZドメインのハイドロフォンスキャンによって取得されました。トランスデューサー表面から3.4 mm離れたXY平面とXZ平面の経頭蓋音場の音圧分布を図2D,Eに示します。測定された自由音圧は730 kPaであり、測定された経頭蓋音圧は500 kHzの中心周波数で580 kPaです。測定された頭蓋骨の厚さは平均して約0.2mmです。分散関係はほぼ線形であると仮定するため、頭蓋骨の減衰係数は19.98dB/cmMHzです。重量が約1.66gの軽量トランスデューサーにより、マウスは簡単に動くことができ、FUN下でのマウスの応答挙動とモーショントレイルの観察が容易になります。
光ファイバ信号はFUN(図4B、D)で記録され、エンベロープはそれぞれ正方形と正弦波です。実験には5匹の雄マウスを使用しました。正方形は300 ms持続し、連続正弦波は471 ms持続したため、2つの異なるFUNで合計エネルギーが同じであることを確認できます(図4A、C)。光ファイバー信号の増強は、神経活動の増加を示しています。FUNの下では神経応答が速く、トランスデューサーが十分なエネルギーと優れた集束能力を持っていることを示唆しています。

図1:トランスデューサーの製造工程。 これには、圧電シートをワイヤに接続し、それをパッケージ化することが含まれます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:超音波探触子の超音波フィールド測定のセットアップと特性評価。 (A) 超音波フィールド測定のセットアップには、ハイドロフォン、モーターシステム、制御ソフトウェア、信号発生器、オシロスコープが含まれます。 (B、D) 自由音場および経頭蓋音場での超音波トランスデューサー測定の概略図と、横方向および縦方向の音場測定の結果。 (C、E) トランスデューサーの焦点位置における横方向の音場の図で、赤い線は-3 dB位置の音場を示しています。 (F、G) トランスデューサーのハイドロフォンによって測定された出力の波形図。赤い破線のボックス内の領域と青い破線のボックス内の領域は、それぞれ波形が安定した振幅に達するまでの期間と、最後のトランスデューサのリンギング周期を表しています。オレンジ色の破線のボックス内の領域は、pとして示されている圧力振幅の計算に使用される波形の安定した部分 を表しています。

図3:計算ソフトウェアと超音波パラメータ。(A) 自家製の超音波パラメータ計算インターフェース。MI、Isppa、Ispta を計算しました。インターフェースは https://github.com/HQArrayLab/Ultrasound_Parameter_Caculation から取得できます。(B) 超音波圧力波形の概略図。正弦波パルスエンベロープと長方形のパルスエンベロープが使用されます。周期(T)は、動作周波数の1サイクルの持続時間を表します。単一の連続超音波処理として知られるパルスは、パルス持続時間(PD)と呼ばれる指定された期間持続します。通常、パルスはパルス列と呼ばれる順序で繰り返されます。パルス列内の2つの連続するパルス間の時間間隔は、パルス繰り返し間隔(PRI)と呼ばれ、パルス繰り返し周波数(PRF)の逆数として計算されます。パルス列と呼ばれるパルスのシーケンス全体には、パルス列の持続時間と呼ばれる特定の持続時間があります。インターバル時間とは、1 回の試行の期間を意味します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:FUN中のファイバー測光の信号。(A、C) 正方形(B)と正弦波(D)で囲まれた超音波パラメータ。 (B、D) (A)と(C)のFUN中のファイバー測光信号。緑の影はFUNの持続時間です。実線は平均で、青と赤の濃淡は記録された信号の平均と標準偏差です。実験には5匹の雄マウスを使用しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
このアプローチは、FUNと光測光記録を組み合わせたもので、マウスの脳機能や in vivo FUNメカニズムの解明を可能にします。トランスデューサーの作製から外科的処置まで、完全な運用プロセスの概要が示されているため、研究者はフィールド外から独立してFUNを行うことができます。
プロトコルの重要な側面の1つは、光学インプラントがトランスデューサーにスムーズに挿入され、頭蓋骨を横切る歯科用セメントが脳への超音波浸透に十分に薄く、光学インプラントが実験中に外れるのを防ぐために頭蓋骨にしっかりと接続され、トランスデューサーのエネルギー出力が効果的な神経調節に十分であることを確認することです。インプラントを囲む歯科用セメントの厚さは、トランスデューサーの穴の直径以下である必要があります。したがって、トランスデューサーの製造プロセスと手術の両方に同じポリプロピレンパイプを使用することをお勧めします。ポリプロピレンパイプは歯科用セメントに付着しないため、インプラントの周囲に歯科用セメントを成形するために選択され、サイドカットでポリプロピレンパイプの取り外しが容易になります。
電気生理学的記録と光測光記録は、生体内での脳活動を監視するために一般的に利用されている技術であり、高い時間空間分解能を提供します。しかし、電気生理学的記録は、電極に直接付着したニューロンからの発火活動信号を捕捉します。超音波は電極を直接振動させ、不必要な交絡効果を誘発する可能性があります。幸いなことに、侵襲性の低いファイバー測光技術は、その下のニューロンの活動を捕捉し、インプラント7,19,26に対する超音波振動の交絡効果を減らすことができる。その結果、自由運動マウスにおける集束超音波ニューロモデュレーションとファイバーフォトメトリー記録を同時に行う技術により、超音波ニューロモデュレーションのin vivoメカニズムの研究が可能になり、麻酔の干渉なしにマウスの行動応答を観察することができます。
しかし、ファイバー測光の空間分解能は、細胞内および微小回路24の活性を監視することができないため、制限されている。さらに、ニューロンの活動によって生成される電気信号を直接記録しないため、ニューロンの活動を間接的に表現します。
著者には、開示すべき利益相反はありません。
この研究は、中国国家自然科学基金会(32371151)、広東省高レベルイノベーション研究所(2021B0909050004)、香港研究助成評議会共同研究基金(C5053-22GF)、一般研究基金(15224323および15104520)、香港イノベーション技術基金(MHP / 014/19)、香港理工大学(G-SACDおよび1-CDJM)からの内部資金によって部分的にサポートされています。 遼寧省自然科学基金-国家ロボット工学研究所の共同公開基金(2022-KF-22-03)。著者は、香港理工大学の生命科学大学研究施設(ULS)および行動およびシステム神経科学大学研究施設(UBSN)からの施設と技術サポートに感謝します。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1ml使い捨てシリンジ | DOUBLE-DOVE1ml | 注射針 | |
| 26ゲージ針 | Jin mao | JM-J02 | 針 |
| 70%エタノール | ドンデアルコール | 0.7 | |
| アルコール | Dong de alcohol | 0.75 | トランスデューサー表面のバ |
| ヨネットナット | コネクターRisym | 75-5 | ワイヤーのもう一方の端は超音波励起装置銅 |
| リング | に接続されていますGuowei金属材料 | 外径、壁厚さ、高さ(8mm、0.2mm、8mm) | |
| 使い捨てシリンジ | DOUBLE-DOVE | 1ml | の外側保護ケースエポキシ樹脂の吸入は、銅パイプ |
| の両面テープ | 3M | 3M55236 | それはトランスデューサーとワイヤーを固定するために使用され、エポキシ銀接着剤が乾燥する前に動かないようにするために使用されます |
| はんだごて | ビ | クター868A+ | はんだ付けされたワイヤーはBNC |
| エポキシ樹脂接着剤 | クラフト | K9741 | に接続されていますトランスデューサ |
| エポキシ銀ペースト | Vonroll | CB-052 | ワイヤーは圧電セラミックシートの正極と負極に取り付けられ、抵抗は低く保たれています |
| フェーダー | JOQO | YP-7021 | |
| ガス麻酔器 | RWD | R500 | の麻酔に使用されます |
| 正方形のガラス | 80mm * 80mm | 圧電セラミックとワイヤーを配置するための一時的な操作面を使用して、ガラスプレートの表面を両面テープケ | |
| タミン/キシラジンでコーティングできます | Shutai/shengxin | Zoletil 50/2ml*10 | マウス |
| の医療用カップリング剤 | Bestman | 120g | 接触媒質は、超音波信号を伝導する媒体として機能します |
| マウス | Bai shi tong | GCaMp6 | 被験者 |
| 科軟膏 | Yun Zhi | 0.5% x 2.5 g x1 | 失明を防ぐために目の領域を湿らせます |
| 圧電プレート | Jiaming電子工場 | 直径、細孔、厚さ(7mm、3mm、3.56mm) | 電気エネルギーは超音波 |
| ポリプロピレンパイプ | Baihaoパイプ工場 | 外径、内径、長さ(3mm、2mm、500mm) | エポキシ樹脂が穴を塞ぎ、穴を離れるのを防ぎます |
| ポビドン-ヨウ素 | lefeke | 500ml | 消毒 |
| ファイバーの信号記録 | Thinker Tech Nanjing Biotech | 3色シングルチャンネル光ファイバー記録システム | 記録ファイバー測光信号 |
| 定位固定フレーム | RWD | 68805 | マウスの頭を固定し、脳領域をローカライズします |
| 無菌生理食塩水 | Shijiazhuang si yao | 500ML,4.5g | 溶媒として、超音波の薬物刺激を溶解します |
| ディープブレイン | テクノロジーDB-USNM | に安定した入力を提供します | |
| 秦伯市 | 1718 | マウスワイヤーの重量を量 | |
| Jinpengケーブル | ファクトリー0.3mm2 | Voltageはトランスデューサーに供給されます |