Method Article

동시 광유전학적 변조 및 전기 신경 기록을 위한 광섬유 어레이

DOI:

10.3791/63460

⸱

September 1st, 2022

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Electronic and Electrical Engineering, Ewha Womans University, 2Graduate Program in Smart Factory, Ewha Womans University, 3Department of Electrical and Computer Engineering, Seoul National University, 4Graduate School of Engineering Practice, Seoul National University, 5Department of Brain and Cognitive Sciences, Ewha Womans University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기에서는 광 전달을위한 광섬유와 신경 기록을위한 전극 어레이가있는 옵트로드 시스템의 제조 방법을 제시합니다. 채널로돕신-2를 발현하는 트랜스제닉 마우스를 이용한 생체내 실험은 광유전학적 자극 및 전기생리학적 기록을 동시에 위한 시스템의 실현가능성을 보여준다.

Abstract

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지난 십 년 동안, 광유전학은 선택적 신경 조절 또는 모니터링의 독특한 능력으로 인해 신경 신호 전달의 조사에 필수적인 도구가되었습니다. 특정 유형의 뉴런 세포가 옵신 단백질을 발현하도록 유전적으로 변형될 수 있기 때문에, 광유전학은 선택된 뉴런의 광학 자극 또는 억제를 가능하게 한다. 광유전학을 위한 광학 시스템에는 몇 가지 기술적 진보가 있었다. 최근에, 광전달을 위한 광학 도파관과 전기생리학적 기록을 결합하여 광유전학적 자극 또는 억제에 대한 신경 반응을 동시에 모니터링하는 것이 제안되었다. 이 연구에서, 이식형 옵트로드 어레이(2x2 광섬유)가 내장된 다채널 전극으로 개발되었다.

발광 다이오드(LED)를 광원으로 사용하였고, 광섬유의 팁에 충분한 광 전력을 제공하기 위해 미세제작된 마이크로렌즈 어레이가 집적되었다. 옵트로드 어레이 시스템은 일회용 부분과 재사용 가능한 부분을 포함한다. 일회용 부품에는 광섬유와 전극이 있으며 재사용 가능한 부분에는 광 제어 및 신경 신호 처리를위한 LED 및 전자 회로가 있습니다. 이식형 옵트로드 어레이 시스템의 신규한 설계는 옵트로피드 이식 수술, 광유전학적 광 자극, 및 전기생리학적 신경 기록의 절차 이외에 수반되는 비디오에 도입된다. 생체 내 실험의 결과는 마우스의 해마 흥분성 뉴런으로부터의 빛 자극에 의해 유발되는 시간 고정 신경 스파이크를 성공적으로 보여주었습니다.

Introduction

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신경 활동을 기록하고 제어하는 것은 뇌가 신경망과 세포 수준에서 어떻게 기능하는지 이해하는 데 필수적입니다. 통상적인 전기생리학적 기록 방법은 마이크로피펫을 사용하는 패치 클램프 1,2,3,4 및 미세신경 전극(5,6,7,8)을 이용한 세포외 기록을 포함한다. 신경 조절 방법으로서, 전기 자극은 신경 세포의 직접 또는 간접적 탈분극을 통해 초점 뇌 영역을 직접 자극하기 위해 자주 사용되어 왔다. 그러나, 전기적 방법은 전류가 모든 방향으로 확산되기 때문에 기록 또는 자극을 위한 뉴런 세포 유형을 구별할 수 없다.

신흥 기술로서, 광유전학은 신경계가어떻게 작동하는지 이해하는 새로운 시대를 열었습니다 9,10,11,12,13,14,15,16.

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Protocol

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동물 관리 및 외과 수술은 이화여자대학교 기관동물보호이용위원회(IACUC)의 승인을 받았다(제20-029호).

1. 옵트로드 어레이의 제조(도 1 및 도 2)

  1. 마이크로렌즈 어레이로 광섬유를 부착합니다.
    1. 광섬유의 패시베이션 코팅을 제거하고 정밀 광섬유 절단기를 사용하여 5mm 길이의 조각으로 자릅니다.
    2. 광섬유를 투명한 UV 수지에 담그고 광섬유를 마이크로 렌즈 어레이 위에 놓습니다.
    3. UV 램프를 사용하여 수지를 경화하십시오.
    4. 에폭시를 사용하여 마이크로렌즈 어레이를 3D 프린트된 하우징에 부착합니다.
  2. 퍼플루오로알콕시(PFA) 코팅 텅스텐 와이어를 정렬합니다.
    1. 30mm 길이의 PFA 텅스텐 와이어 4개와 은선 1개를 5핀, 1.27mm 피치 암 커넥터에 납땜합니다. 은선을 기준 전극으로 사용하십시오.
    2. 1.27mm 피치 암 커넥터를 헤드스테이지 프리앰프에 연결합니다.
    3. 텅스....

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Results

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옵트로드 시스템은 표적 뉴런을 활성화시키기에 충분한 광력을 제공하기 위해 성공적으로 제조된다. 텅스텐 전극의 미세 정렬은 구멍을 통해 미세 제작 된 실리콘을 통해 달성됩니다. 측정된 광도는 50mA 전류가 인가될 때 광섬유 팁에서 3.6mW/mm2 입니다. 마이크로 렌즈는 광 효율을 3.13dB까지 높였습니다. 광 커플링을 향상시키는 마이크로렌즈 어레이로 인해, 인가된 전류는 마이크로렌즈 어레이 시스템 없이 동일한 광도를 달성하는 데 필요한 전류의 약 절반이다. LED가 더 많은 전류로 더 많은 열을 발생시키기 때문에 장치의 열을 낮추기 위해 마이크로 렌즈 어레이를 사용하는 것이 분명히 유리합니다. 4개의 전극의 평균 임피던스는 1kHz 주파수에서 71.39kΩ이었으며, 이는 동작 전위의 검출을 위해 충분히 낮았다. 또한, 옵트로드 어레이는 비용을 절감하고 이식의 총 중량을 최소화하기 위해 일회용 및 재사용 가능한 부품을 포함한다. 일회용 부품의 무게는 ~ 0.58g입니다.

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Discussion

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광유전학적 자극 및 전기생리학적 기록의 동시 구축을 위한 시스템의 타당성이 검증되었다(도 6). 광 자극 동안 큰 스파이크는 광 자극과 동시에 발생하는 광전 아티팩트입니다 (그림 6A). 이것은 빨간색 점선 사각형의 파형을 확대 한 뷰에서 분명합니다 (그림 6A). 도 6A에 도시된 바와 같이, 광전기 아티팩트는 기록된 파형으로부터 명확하게 분류될 수 있었고, 해마 신호 경로의 광유전학 자극에 의해 유도된 뉴런 반응이 명확하게 식별되었다. 도 6B,C는 자극 효과를 명확하게 보여주는 스파이크의 수를 나타낸다. 도 6A는 도 6B, C에서 히스토그램을 얻기 위해 사용된

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 공개 할 이해 상충이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

본 연구는 한국과학기술정보통신부(NRF-2019M3C1B8090805)가 후원하는 한국연구재단(NRF-2019M3C1B8090805)을 통한 인간증강을 위한 융합기술 R&D 프로그램의 지원을 받았으며, 한국연구재단(MSIT)이 후원하는 한국연구재단(NRF) 보조금(제2019R1A2C1088909호)의 지원을 받았다. 형질전환 생쥐를 친절하게 제공해주신 KAIST 한국생명과학부 이승희 연구실에 감사드립니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
5핀 커넥터NW3HD127K1.27mm(.050") 피치
BovieFine Science Tools(F.S.T)18010-00고온 소작 키트
데이터 수집 소프트웨어Intan Technologies, LLCUSB 인터페이스 보드 소프트웨어RHD USB 인터페이스 보드와 함께 작동
Dental CementLang Dental Manufacturing Company, Inc.1223CLR제트 리퀴드 및 파우더 사용 제트 의치 수리 패키지
디지털 매니퓰레이터 암Stoelting Co.51904/51906왼쪽, 오른쪽 각 디지털 매니퓰레이터 암, 3축, 애드온
젤 폼CutanplastStandard (70*50*10 mm)지혈 효과가 있는 멸균 재흡수성 젤라틴 스폰지
Headstage PreamplifierIntan Technologies, LLCRHD 16채널 녹음 Headstages
Heating PadStoelting Co.53800R쥐 가열 패드가 있는 스톨팅 설치류 워머 X1
LEDOSLONGB CS8PM1.13λ typ. 470 nm, 시야각 80 °C;, 순방향 전압 2.85 V
MATLABMathWorks, Inc.R2019a
마이크로 클램프SURGIWAY12-1002-04스트레이트 타입, Serre-fine DIEFFENBACH droite 3.5cm
광섬유Thorlabs, Inc.FT200UMT0.39 NA, Ø 200 &마이크로; m 코어 다중 모드 광섬유, 300 - 1200 nm
PFA 코팅 텅스텐 와이어AM 시스템사용자 정의 주문유형, Ø 101.6 μ m (.004")
포토다이오드ThorlabsS121C
파워 미터Thorlabs Inc.PM100D
정밀 절단기FITELS326섬유 슬라이서 도구
프리즘GraphPad5.01 버전
메스깃털&트레이드;#20100mm 길이의 메스 블레이드
나사 Nasa Korea스테인리스 스틸직경: 1.2 mm, 길이: 3 mm
실버 와이어The Nilaco CorporationAG-401265Ø 200 µ m
입체택시 FxrameStoelting Co.51500D디지털 새로운 표준 입체 택시, 쥐 및 마우스
봉합사ETHICONW9106봉합사 크기 : 4-0, 길이 : 75cm, 와이어 직경 : 4-0
바셀린유니레버 PLC오리지널100 % 순수 바셀린
Wave_ClusN / Ahttps://github.com/csn-le/wave_clus
#C3314 로드

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wang, Y., Liu, Y. Z., Wang, S. Y., Wang, Z. In vivo whole-cell recording with high success rate in anaesthetized and awake mammalian brains. Molecular Brain. 9 (1), 86(2016).
  2. Segev, A., Garcia-Oscos, F., Kourrich, S. Whole-cell patch-clamp r....

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