慢性および急性イン ビボ 記録用炭素繊維微小電極アレイの構築と実装
2021年8月5日
本プロトコルは、マウス(Mus musculus)およびフェレット(ムステラ・プトリウス・フロ)を複数の脳領域から慢性および急性の生体内電気生理学的記録に対して炭素繊維微小電極アレイを構築する手順を説明する。各ステップは、マイクロ電極アレイ移植に生炭素繊維を購入した後、微小電極アレイ構築に重点を置いて詳細に説明される。
ここで説明するベンチトップの構造は、ニューロンの密集したクラスターからの記録を可能にし、時間の経過とともにそれらのニューロンの多くを従う数少ない現在利用可能な電極技術の1つです。炭素繊維マイクロ電極アレイは、構築するために安価です。彼らは小さく、生体適合性があり、脳と一緒に移動し、健康で安定した録音を可能にします。
炭素繊維は非常に薄く、最初は見るのが非常に難しいです。しかし、彼らと一緒に働いて数日後、彼らは操作しやすくなります。まず、カセットの2つの長い側面に両面テープを敷き、テープの端をカセットの内側の端に合わせます。
炭素繊維操作ツールを準備するには、30ゲージ針の周りに接着剤フィルムの小片を包み、フィルムと鋭いが柔軟なポイントを形成します。次に、個々の繊維を焼いた束から分離し、2〜3ミリメートルの距離を保つカセットの短い側と平行に置きます。各カセットに20~30本の繊維を取り付けた後、二重棒テープの上に透明なテープを敷いて所定の位置に繊維を密封し、充填されたカセットをカセットホルダーに入れる。
炭素繊維マイクロ電極アレイを組み立てるには、各接地線をジグのコネクタ端の適切なチャネルを通して給電を開始し、両端が等しい長さになるまで続けます。その後、ジグ上でそれらを確保するために一緒にそれらをねじる。UV硬化した歯科用セメントを適用してワイヤを固定し、ワイヤが供給される場所から開水路内で歯科用セメントを取得しないようにします。
UV硬化杖を使用して、20秒間歯科用セメントを硬化させ、コネクタの端、洗面器、漏斗先端が見えるように治具と悪徳を揃えます。次に、じょうごがユーザーから離れ、コネクタがユーザーに向かって終了するように、ジグの向きを設定します。次に、25ゲージの針先を潜在的な繊維除去部位のカセットに対してスライドさせ、カセットから単一の炭素繊維を切断します。
炭素繊維工具を使用して繊維の切り込み自由端を保持し、針を使用して、カセットから繊維のもう一方の端を切り取ります。その後、再び炭素繊維ツールを使用して、一方の端がツールから約1センチメートルの長さになるように炭素繊維を拾います。繊維付属の炭素繊維工具を使用して、ジグの中央流域から漏斗片を通して繊維の短い端を供給します。
繊維の長さの大部分が通るまで、ジグ漏斗を通して繊維を供給し続けます。炭素繊維ツールを使用して、利用可能なチャネルを通してファイバーの背面部分を供給します。約5ミリメートルの繊維が突き出るまで背中を通して供給し続けるか、必要に応じてサイズにカットします。
コネクタ端の絶縁を取り外すために、露出した繊維の上に炎を渡すために、標準的なスパークホイールライターを使用し、その後、炎の繊維部分が今、ジグの背面から突き出ないようにしながら、チャネル内に炎の繊維部分が供給されます。海口と漏斗の開口部をカバーし、全体の流域を埋めるために、治具の洗面体繊維にUV硬化歯科セメントを適用します。副から治具を取り外し、漏斗が下向きになるように治具を配った後、コネクタの端点を上に向けて治具を固定します。
針に銀のプリントを充填し、歯科用セメントで止まるまで針を1つのチャネルに慎重に挿入します。チャネルを塗料で満たすには、チャネルから針を取り外しながらゆっくりと注射器を押し下げ、綿の先端アプリケーターを塗料シンナーに浸し、任意の塗料のジグ表面のベースをきれいにします。次に、ピンをチャンネルに合わせて適切な方向にヘッドステージコネクタを挿入します。
ヘッドステージコネクタがまっすぐ直立し、可能な限り治具に流され、ヘッドステージコネクタが治具と出会うエッジに沿って歯科用セメントを塗布し、20秒間UV硬化して、ジグにヘッドステージコネクタを固定します。電極先端を所望の長さに切断するために、漏斗先端が完全に水没し、表面に正常に保持されるまで、電極を脱イオンまたは蒸留水のビーカーに下げます。次に、水から電極を取り除くことによって、個々の炭素繊維を一緒に持って来ます。
繊維がガイド面にフラッシュして、繊維を回転運動でメスで所望の長さに切断し、適切なアダプターを使用して電極を多電極インピーダンステスターに取り付け、インピーダンスをテストするように電極を置きます。電極先端を0.1モルPBSのマイクロ遠心分離管に約2ミリメートル下げ、マイクロ遠心分離管に接地線を挿入します。電極先端のインピーダンスを低減するには、選択した振幅と持続時間で正の電流を注入し、脱イオンまたは蒸留水で繊維を洗浄して洗浄します。
次に、金めっき液中で電気めっきを行い、電極束先端をめっき混合物中のマイクロ遠心チューブに約2ミリメートル下げ、接地線をマイクロ遠心チューブに挿入する。次に、電気めっきに適切なパラメータを設定します。電気めっき後に脱イオンまたは蒸留水で繊維を十分に洗い流してください。
調製した炭素繊維の代表的なSEM画像は、先端に濃縮された金めっき液を示した。金での繊維電気めっきは、記録に適したインピーダンスの減少をもたらした。初期切断後の300チャンネルからのインピーダンス値、正電流注入、および電気めっきは、各処理工程後のインピーダンス値の低下を示した。
適度な金の電気めっき期間は炭素繊維束の先端に小さく、丸みを帯びた沈着物を作り出した。また、成人マウスの雄マウスを自由に振る舞う後足皮質における安定な64チャネル電気生理活性を解析した。この結果は、記録品質、堅牢な単一ユニット検出、正規化されていないスパイク波形による経常的な一貫性、および安定したノイズフロアの一貫性を実証しました。
また、移植後11ヶ月経った生電圧は、堅牢な局所電界電位を示した。成人雌フェレットの一次視覚皮質から取得した急性16チャネル炭素繊維微小電極アレイ記録の代表例もここに示す。炭素繊維微小電極アレイは、脳内の近くのニューロンを長期間にわたって短期間または慢性的に記録することを可能にし、神経回路を理解するために不可欠です。
概要
このプロトコルは、マウスとフェレットの脳内での生体電気生理学的記録のためのカーボンファイバーマイクロエレクトロードアレイの構築を概説しています。この手順は、原材料からマイクロエレクトロードの埋め込みまで、詳細な手順を強調し、慢性的および急性記録のための安定性と生体適合性を確保します。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 電気生理学
- 神経科学
- マイクロエレクトロード技術
背景
- カーボンファイバーマイクロエレクトロードアレイは、神経細胞の密なクラスターからの記録を可能にします。
- このようなアレイは安価で、小さく、生体適合性があります。
- カーボンファイバーの柔軟性により、脳活動に合わせて動くことができ、記録の安定性を高めます。
- このプロトコルには、詳細な構築および組み立てガイドラインが含まれています。
研究の目的
- マイクロエレクトロードアレイを構築するための包括的な方法を提供すること。
- 自由行動中の動物での慢性的および急性神経記録を容易にすること。
- 電気生理学的記録の品質と安定性を向上させること。
使用された方法
- マイクロエレクトロードアレイの製造には、ベンチトップの構築プロセスが含まれます。
- 使用される生物モデルはマウスとフェレットで、複数の脳領域からデータを取得します。
- 詳細な手順には、ファイバーの準備、絶縁体の除去、インピーダンスを向上させるための電気めっきが含まれます。
- 重要なステップには、歯科用セメントのUV硬化とファイバー挿入の特定の向きが含まれます。
主要な結果
- 電気めっきによりインピーダンスが低下し、高品質の記録が可能になりました。
- 電気生理学的活動は一貫して時間とともに記録され、信頼性を示しました。
- 電極の先端に金の堆積物が見られ、記録の品質にプラスの影響を与えました。
結論
- このプロトコルにより、選択された脳領域からの安定した長期的な神経記録が可能になります。
- この方法は、信頼できる電気生理学的データを通じて神経ダイナミクスの理解を進めることをサポートします。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Carbon fiber microelectrode arrays address a critical bottleneck in neuroscience drug discovery: the inability to stably record from dense neuronal populations over extended periods. By enabling chronic, high-density single-unit recordings with minimal tissue damage, this technology improves target validation confidence and de-risks mechanistic studies in preclinical models. Its biocompatibility and long-term stability support translational continuity from discovery through lead optimization phases.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by recording single-unit activity from dense neuronal clusters in vivo.
- Operational Value: Provides stable, long-term neural recordings that reduce biological variability in target engagement studies.
- Predictive Value: Supports consistent noise floor and robust spike detection across months, improving confidence in preclinical efficacy signals.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative electrophysiological readouts (e.g., spike waveforms, LFP) suitable for assay standardization.
- Operational Value: Enables reproducible, high-channel-count recordings that support scalable screening of pharmacological modulators.
- Assay Readiness: Gold-plated tips yield low, stable impedances suitable for reliable compound screening in freely behaving models.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrated stable recordings in retrosplenial cortex for 11 months, supporting chronic disease model studies.
- Operational Value: Compatible with multiple species (mouse, ferret) and brain regions, enabling cross-model target validation.
- Predictive Value: Robust single-unit detection and LFP continuity improve translational biomarker alignment and risk-adjusted advancement decisions.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from early target validation through preclinical profiling, where stable neural readouts inform go/no-go decisions.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification via chronic single-unit recordings in relevant brain circuits.
- Screening: Enables assay-ready, high-density electrophysiological recordings for evaluating compound effects on neural activity.
- Analytics: Provides quantitative dependent variables (spike amplitude, waveform consistency, noise floor) for statistical comparison across treatment groups.
- Translational Research: Long-term recording stability supports continuity from acute screening to chronic preclinical validation.
- Enterprise Reuse: Bench-top fabrication and low cost enable reuse across projects and teams as a standardized neurophysiological platform.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by enabling unambiguous, stable single-unit detection over time.
- Operational Value: Standardized fabrication and impedance testing ensure reproducibility across laboratories and studies.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by reducing failure rates due to unstable neural recordings in preclinical studies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on reliable, longitudinal neural activity data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, electrophysiology, and stereotaxic surgery.
- Depends on UV curing systems, impedance testers, and electroplating setups for tip functionalization.
- Necessitates cross-team standardization of fiber handling, implantation protocols, and data analysis pipelines.
- Adaptation across models requires adjustments in array length, channel count, and insertion depth based on target anatomy.
- Practical limitations include initial difficulty in manipulating thin carbon fibers and need for precision in electroplating to avoid tip damage.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:42
Preparation of Carbon Fibers and Tools
1:25
Assembling the Carbon Fiber Microelectrode Array
4:20
Electrode-tip Preparation
5:44
Results: Construction and Implementation of Carbon Fiber Microelectrode Arrays for Recording Neural Activity
7:09
Conclusion
