Method Article

Optrode Array voor gelijktijdige optogenetische modulatie en elektrische neurale opname

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

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

Hier presenteren we de fabricagemethode van een optrode-systeem met optische vezels voor lichtafgifte en een elektrode-array voor neurale opname. In vivo experimenten met transgene muizen die channelrhodopsine-2 tot expressie brengen, tonen de haalbaarheid van het systeem voor gelijktijdige optogenetische stimulatie en elektrofysiologische registratie.

Abstract

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

In het afgelopen decennium is optogenetica een essentieel hulpmiddel geworden voor het onderzoek naar neurale signalering vanwege het unieke vermogen van selectieve neurale modulatie of monitoring. Omdat specifieke soorten neuronale cellen genetisch kunnen worden gemodificeerd om opsine-eiwitten tot expressie te brengen, maakt optogenetica optische stimulatie of remming van de geselecteerde neuronen mogelijk. Er zijn verschillende technologische ontwikkelingen geweest in het optische systeem voor optogenetica. Onlangs werd voorgesteld om de optische golfgeleider voor lichtafgifte te combineren met elektrofysiologische opname om tegelijkertijd de neurale reacties op optogenetische stimulatie of remming te volgen. In deze studie werd een implanteerbare optrode array (2x2 optische vezels) ontwikkeld met ingebedde meerkanaals elektroden.

Een light-emitting diode (LED) werd gebruikt als lichtbron en een microgefabriceerde microlensarray werd geïntegreerd om voldoende lichtkracht te leveren aan de punt van de optische vezels. Het optrode array systeem bestaat uit het wegwerpdeel en het herbruikbare deel. Het wegwerponderdeel heeft optische vezels en elektroden, terwijl het herbruikbare deel de LED en elektronische circuits heeft voor lichtregeling en neurale signaalverwerking. Het nieuwe ontwerp van het implanteerbare optrode array-systeem wordt geïntroduceerd in de bijbehorende video naast de procedure van de optrode-implantatiechirurgie, optogenetische lichtstimulatie en de elektrofysiologische neurale opname. De resultaten van in vivo experimenten toonden met succes time-locked neurale spikes opgeroepen door de lichtprikkels van hippocampale exciterende neuronen van muizen.

Introduction

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

Het registreren en controleren van neurale activiteit is essentieel om te begrijpen hoe de hersenen functioneren in een neuraal netwerk en op cellulair niveau. Conventionele elektrofysiologische opnamemethoden omvatten de patchklem 1,2,3,4 met behulp van een micropipette en extracellulaire opname met behulp van microneurale elektroden 5,6,7,8. Als neuromodulatiemethode is elektrische stimulatie vaak gebruikt om e....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

De dierverzorging en chirurgische procedures werden goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) van de Ewha Womans University (nr. 20-029).

1. Voorbereiding van een optrode array (figuur 1 en figuur 2)

  1. Bevestig optische vezels met de microlensarray.
    1. Verwijder de passiveringscoating van de optische vezel en snijd deze in stukken van 5 mm lang met behulp van een precisie optische vezelmes.
    2. Dompel de optische vezel in de heldere UV-hars en plaats de optische vezels op de microle....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Het optrode-systeem is met succes gefabriceerd om voldoende lichtkracht te leveren om de doelneuronen te activeren. De fijne uitlijning van de wolfraamelektroden wordt bereikt door het gemicrofabriceerde silicium via de gaten. De gemeten lichtintensiteit is 3,6 mW/mm2 aan de optische vezelpunt wanneer 50 mA stroom wordt toegepast. De microlens verhoogde de lichtefficiëntie met 3,13 dB. Vanwege de microlensarray, die de lichtkoppeling verbetert, is de toegepaste stroom ongeveer de helft van de stroom die nodig .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

De haalbaarheid van het systeem voor gelijktijdige optogenetische stimulatie en elektrofysiologische registratie werd geverifieerd (figuur 6). De grote pieken tijdens lichtstimulatie zijn foto-elektrische artefacten die tegelijkertijd met de lichtstimulatie plaatsvinden (figuur 6A). Dit is duidelijk te zien in de ingezoomde weergave van de golfvorm in de rode rechthoek met stippelen (figuur 6A). Zoals te zien is in

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

De auteurs hebben geen belangenconflicten te onthullen.

Acknowledgements

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

Dit onderzoek werd ondersteund door convergent technology R&D Program for Human Augmentation via de National Research Foundation of Korea (NRF), gefinancierd door het ministerie van Wetenschap en ICT (NRF-2019M3C1B8090805), en ondersteund door een subsidie van de National Research Foundation of Korea (NRF) gefinancierd door de Koreaanse overheid (MSIT) (nr. 2019R1A2C1088909). We bedanken het laboratorium van Seung-Hee Lee bij het Department of Biological Sciences, KAIST, Daejeon, Korea, voor het vriendelijk leveren van de transgene muizen.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
5-pin ConnectorNW3HD127K1.27 mm (.050") pitch
BovieFine Science Tools(F.S.T)18010-00High Temperature Cautery Kit
Data Acquisition SoftwareIntan Technologies, LLCUSB Interface Board softwareWork with the RHD USB Interface Board
Dental CementLang Dental Manufacturing Company, Inc.1223CLRUse Jet Liquid and powder in jet denture repair package
Digital Manipulator ArmStoelting Co.51904/51906Left, Right each Digital Manipulator Arm, 3-Axes, Add-On
Gel FoamCutanplastStandard (70*50*10 mm)Sterile re-absorbable gelatin sponge with a haemostatic effect
Headstage PreamplifierIntan Technologies, LLC#C3314RHD 16-Channel Recording Headstages
Heating PadStoelting Co.53800RStoelting Rodent Warmer X1 with Rat Heating Pad
LEDOSLONGB CS8PM1.13λ typ. 470 nm, Viewing angle 80 °, Forward voltage 2.85 V
MATLABMathWorks, Inc.R2019a
Micro ClampSURGIWAY12-1002-04Straight type, Serre-fine DIEFFENBACH droite 3.5 cm
Optical FiberThorlabs, Inc.FT200UMT0.39 NA, Ø 200 µm Core Multimode Optical Fiber, High OH for 300 - 1200 nm
PFA-Coated Tungsten WireA-M SystemCustom orderedRod type, Ø 101.6 μm (.004")
PhotodiodeThorlabsS121C
power meterThorlabs Inc.PM100D
Precision cleaverFITELS326Fiber slicer tool
PrismGraphPad5.01 version
ScalpelFeather™#20Scalpel blade with 100mm long Scalpel Handle
screwNasa Koreastainless steeldiameter: 1.2 mm, length: 3 mm
Silver WireThe Nilaco CorporationAG-401265Ø 200 µm
Stereotaxic FxrameStoelting Co.51500DDigital new standard stereotaxic, rat and mouse
sutureETHICONW9106suture size: 4-0, length:75 cm, wire diameter: 4-0
VaselineUnilever PLCOriginal100% pure petroleum jelly
Wave_ClusN/AN/Ahttps://github.com/csn-le/wave_clus

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....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Optrode ArrayOptogenetic ModulationNeural RecordingOptical StimulationElectrophysiological RecordingLED Light SourceMicrolens ArrayStereotactic SurgerySpike SortingWireless Optogenetics

Related Articles