オープンソースツールキット:神経記録用のベンチトップカーボンファイバーマイクロ電極アレイ
2021年10月29日
ここでは、神経および脳における 生体内で 記録するためのカスタマイズ可能な炭素繊維電極アレイの作製方法論について説明する。
炭素繊維電極は、ニューロンよりも小さく、最小限の損傷しか行わない。さらに、ベンチトップに最小限の特殊機器で製造できます。この手法の主な利点は、そのシンプルさです。
これにより、ユーザーはクリーンルームの経験なしでニューラル配列を構築およびカスタマイズできます。炭素繊維を操作し、銀エポキシを配置することはトリッキーで重要です。これらの2つの部分は、多くの練習と細かい運動制御を必要とします。
最初の日は常に最悪ですが、練習では、約1週間後に機能的なニューラル配列を構築します。まず、はんだごてを摂氏 315 度に設定します。すべてのはんだ付けパッドにフラックスを適用します。
フレックスアレイの背面パッドに小さなはんだの山を形成し、コネクタの両側にピンをはんだ付けします。固定したら、はんだごての先端を前面ピンの間にそっと押し込み、背面の残りの接続部をはんだ付けします。はんだ付けに時間がかかる場合は、追加のフラックス層を適用してから、ピンの最前列をボードにはんだ付けします。
100%イソプロピルアルコールと短い毛ブラシで余分なフラックスをきれいにしてください。次に、敷き詰められたエポキシをシリンジでゆっくりと押し込み、ベベル側を下向きにピンの上に置き、はんだ付けされた接続部を封入する。エポキシを基板の裏側に細く線を敷き、コネクタの端に引っ張って固定します。
ガラスのプーラーとフィラメントで毛細血管を作ります。引っ張ったガラスキャピラリーを切断して、その先端がアレイの痕跡の間に収まるようにします。次に、銀エポキシの約1対1の比率をプラスチック皿にすくい、2つの綿の先端のアプリケーターの木の端でそれを混ぜる。
混合後にアプリケーターを破棄します。炭素繊維束の端から2~4ミリメートルを、かみそりの刃でプリンター用紙に切ります。束の上にラミネート紙をそっと引っ張り、繊維と束を分離します。
次に、引っ張られた毛細血管の端に少しエポキシを取ります。そして、ボードの端にある他のすべてのトレースの間に静かに適用し、ギャップを埋めます。各エポキシトレースに1本の炭素繊維を置き、テフロンコーティングピンセットを使用します。
次に、きれいに引っ張られたキャピラリーで炭素繊維を調整し、フレックスアレイボードの端部に垂直にし、エポキシの下に埋めます。アレイを木製のブロックの上に置き、繊維化された端部がブロックの端に張り出しました。木製のブロックとアレイを摂氏140度で20分間焼き、銀エポキシを硬化させ、繊維を所定の位置にロックします。
銀エポキシが2本以上の繊維を一緒にショートさせる場合は、きれいなガラスキャピラリーを使用して、ボードから静かに掻き取ることができます。完成したボードを、隆起したプラットフォームを備えた箱に保管し、ボードの繊維化された端部を吊り下げ、繊維の破損を防ぎます。きれいな毛細管で露出した痕跡にUVエポキシの小さな液滴を塗布し、痕跡が完全に覆われるまで液滴を加え続けます。
UVエポキシをUVペンで2分間硬化させ、ボードの反対側に繰り返します。ステレオスコープレチクルと外科用ハサミで繊維を1ミリメートルに切断します。電気的接続を確認するには、ポテンショスタットをゼロボルトに5秒間設定し、記録された信号を安定させます。
ポテンショスタットを使用して、各ファイバに対して1キロヘルツのインピーダンススキャンを実行します。ポテンショスタット関連ソフトウェアを介して測定値を記録します。その後、ビーカー内の脱イオン水に繊維を3回浸漬し、すすぎます。
パリレンCを地面からそっとこすり落とし、ピンセットでボード上の基準線を拭き取ります。次に、カミソリの刃で絶縁された銀線を2本の5センチメートルの長さに切断します。一方の端から2〜3ミリメートル、反対側の端から約10ミリメートルのワイヤを断熱解除します。
次に、はんだごてを摂氏315度に加熱し、ワイヤに小さなフラックスを塗布します。ボード上の各電気生理学ワイヤに2~3ミリメートルのワイヤを挿入し、ワイヤの上部にはんだを塗布します。プローブを冷やした後、プローブを裏返してワイヤーの裏側に少しはんだを付けます。
背面のはんだマウンドから突き出ている露出したワイヤを切り取ります。アレイを収納ボックスに入れ、ワイヤを曲げてファイバから離し、ワイヤを粘着テープに固定して、ファイバワイヤの相互作用の可能性を防ぎます。チップのSEM画像を使用して、露出した炭素の長さとチップの形状を決定しました。
はさみカット繊維は先端形状に一貫性がなく、パリレンCが端に折り畳まれています。NDYAGレーザーカットファイバーは、記録部位領域、形状、インピーダンスにおいて一貫したままです。ブロートーチされた繊維は、最大の電極サイズ、および形状変動性および鋭利な先端をもたらす。
平均して、140マイクロメートルの炭素が再暴露された。UVレーザーカット繊維は、先端から露出した120マイクロメートルの炭素を示し、ブロートーチファイバーに似ていた。得られたインピーダンスは、電気生理学的記録のための範囲内であった。
NDYAGレーザーカットファイバーは、表面積は最小でしたが、インピーダンスは最高でした。続いてブロートーチとUVレーザーカット繊維が続きます。しかし、いずれの場合も、PEDOT:pTSコーティングされた繊維は110キロオームの閾値を下回りました。
ラットモーター皮質に同時に移植された長さ2ミリメートルの4本のUVレーザー治療繊維からの急性記録は、すべての繊維にわたって3つの単位を示し、安価なUVレーザーによる繊維の処理が他の切断方法に類似していることを示唆した。このプロトコルを試みるときは、炭素繊維を装着するときに、大きくてきれいなスペースを確保してください。十分な操縦スペースがないため、誤ってすべてのファイバーをテーブルから一掃するのは簡単です。
これらのアレイは現在、脳からの信号ユニットの記録に適しています。これらの建築技術により、ミシガン大学のバーンズ博士のグループが報告し、ケースウェスタンリザーブ大学のChiel博士のグループが細胞内を報告することができました。
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概要
この記事では、神経と脳の生体内記録に使用されるカスタマイズ可能な炭素繊維電極アレイの製造方法について説明します。製造プロセスの簡単さにより、研究者はクリーンルームの経験がなくても神経アレイを作成できます。
主要な研究要素
科学の分野
- 神経科学
- 電気生理学
背景
- 炭素繊維電極はニューロンよりも小さいです。
- 組織へのダメージが最小限です。
- 最小限の専門機器で製造できます。
- この技術はクリーンルームの経験がない研究者にもアクセス可能です。
研究の目的
- カスタマイズ可能な神経電極アレイを作成する手法を提供すること。
- 研究者のための電極製造プロセスを簡素化すること。
- 生体内記録技術のアクセシビリティを向上すること。
使用された方法
- 炭素繊維電極アレイの製造。
- 電極組立のための銀エポキシの使用。
- 炭素繊維の手動操作。
- 正確な配置のための微細運動制御の練習。
主な結果
- 説明された手法により、神経アレイのカスタマイズが可能になります。
- 練習により、ユーザーは電極の作成に成功できます。
- この技術は記録中に組織へのダメージを最小限に抑えます。
- 様々な環境での研究者にとってアクセシビリティが向上します。
結論
- カスタマイズ可能な炭素繊維電極アレイは効果的に製造できます。
- プロセスの簡単さにより、神経科学研究でのより広範な使用が促進されます。
- さらなる練習により、電極配置の精度を向上させることができます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This benchtop carbon fiber microelectrode array fabrication method enables rapid, low-cost prototyping of neural recording tools without cleanroom dependency, supporting early-stage target validation in neuroscience drug discovery. By reducing fabrication barriers, it accelerates iterative design cycles for electrode geometry optimization, directly impacting preclinical model fidelity and mechanistic de-risking of CNS-targeted therapeutics. The approach enhances translational continuity by allowing in vivo signal acquisition from peripheral and central nervous systems using accessible, customizable hardware.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of neural circuit hypotheses through precise, minimally invasive extracellular recording in disease-relevant systems.
- Operational Value: Supports rapid iteration of electrode design to optimize signal-to-noise ratio for target engagement assays.
- Translational Value: Facilitates functional validation of neuromodulatory targets in vivo, improving predictive confidence for CNS drug candidates.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative electrophysiological readouts (e.g., 1 kHz impedance, unit detection) suitable for high-content screening of compound effects on neural activity.
- Operational Value: Enables standardization of recording arrays across labs via documented benchtop protocol, improving reproducibility in phenotypic screening campaigns.
- Translational Value: Supports development of assay-ready neural interfaces for evaluating drug-induced changes in firing patterns or network synchrony.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: UV laser-cut fibers demonstrated in vivo neural signal recording in rat motor cortex, validating disease-relevant system applicability.
- Operational Value: Arrays accommodate individuated electrodes, enabling chronic implantation studies and longitudinal biomarker tracking in preclinical models.
- Translational Value: Bridges discovery and preclinical workflows by providing a scalable path from benchtop fabrication to in vivo efficacy testing.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target hypothesis testing through lead optimization, where electrophysiological readouts inform compound selection and preclinical advancement decisions.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by enabling direct measurement of neural activity as a functional biomarker of target modulation.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs (impedance, single-unit resolution) that allow comparison of test compound effects on neural excitability.
- Analytics: Potentiostat-based impedance scanning and signal stabilization provide objective, analyzable data for structure-activity relationship modeling.
- Translational Research: Demonstrated in vivo recording capability supports continuity to preclinical efficacy and safety studies.
- Enterprise Reuse: Protocol leverages widely available tools (soldering iron, UV pen, glass puller), enabling cross-site standardization and technology transfer.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in target validation by providing direct neural activity measurements in intact tissue.
- Operational Value: Eliminates cleanroom bottleneck, lowering cost and lead time for custom neural probe fabrication.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision confidence through early, human-relevant functional data acquisition.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of CNS candidates based on electrophysiological target engagement profiles.
Implementation Considerations
- Requires fine motor control and practice for reliable fiber placement and epoxy encapsulation.
- Depends on access to a Parylene C deposition machine for insulation, which may be outsourced.
- Necessitates standardization of tip optimization method (e.g., UV laser) to ensure consistent impedance and recording performance.
- Involves manual steps that may limit throughput without automation of fiber alignment and epoxy dispensing.
- Performance depends on proper curing of silver and UV epoxies to prevent signal drift or fiber detachment.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:49
Soldering the Connector to the Circuit Board
1:50
Fiber Population
3:34
Insulating the Carbon Fibers and Checking Electrical Connections
4:27
Connecting Ground and Reference Wires
5:35
Results: Validation of Carbon Fiber Microelectrode Array
7:06
Conclusion
