Optrode Array voor gelijktijdige optogenetische modulatie en elektrische neurale opname
1 september 2022
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.
Dit protocol omvat het fabriceren op optrode-systeem voor gelijktijdige optogenetische stimulatie en elektrofysiologische registratie. Het voorgestelde LED-gebaseerde systeem verbetert de efficiëntie van de lichtkoppeling via een microlensarray. Een LED-lichtbron heeft een eenvoudige verlichtingsinstallatie dan een laserlichtbron, zodat het systeem gemakkelijk toepasbaar is op het draadloze systeem.
Optogenetica is een padtechniek voor het begrijpen van de pathologie van neurologische ziekten en behandelingsmechanismen. Optogenetica kan worden toegepast om dwarslaesie, epilepsie, de ziekte van Parkinson en de ziekte van Alzheimer te behandelen. Ons LED-gebaseerde apparaat kan verder worden geïmplementeerd als een draadloos systeem met verschillende voordelen, zoals lage systeemcomplexiteit, kosteneffectiviteit en een laag stroomverbruik.
Sluit eerst de vrouwelijke connector van 1,27 millimeter aan op de voorversterker van het hoofdpodium. Plaats de LED in de 3D-geprinte behuizing. Meet de lichtintensiteit aan het einde van de optische vezelpunt met behulp van een fotodiode.
Dompel de wolfraamelektroden en optische vezels gedurende 15 minuten onder in alcohol en droog ze aan de lucht. Scheer de hoofdhuid en plaats de verdoofde muis in het stereotactische frame. Plaats de kop in het stereotactische frame en steek oorstaven in de meatus.
Schakel het thermische verwarmingskussen in dat is ingebed in het stereotactische frame in en houd de lichaamstemperatuur op 37 graden Celsius tijdens de chirurgische ingrepen. Pas de incisiebalk aan voor het instellen van de hoogte van de incisiebalk en span de neusklem tegen de snuit aan. Bedek de ogen met vaseline om uitdroging te voorkomen.
Til de huid in het hoofd op met een tang, beveilig een injectieruimte en injecteer 1% lidocaïne onder de hoofdhuid. Voer een sagittale incisie uit met behulp van een scalpel en een fijne schaar. Houd de ingesneden huid vast met een microlamp om de zichtbaarheid van het operatiegebied te vergroten.
Verwijder het botvlies met wattenstaafjes. Als er bloedingen zijn, dichtschroeien van de schedel met behulp van een bovie om de bloedvaten te verzegelen. Reinig de schedel met zoutoplossing en markeer de craniotomieplaatsen met behulp van een manipulatorarm.
Boor een gat boven het cerebellum en plaats een schroef voor de grond. Gebruik een precisieschroef om de grondschroef 0,5 millimeter diep te maken totdat deze de bovenkant van het cerebellum bereikt. Boor het gemarkeerde gebied en verwijder een stuk van de schedel met een tang.
Buig een 26-gauge naaldpunt met de klok mee in een hoek van 120 graden en stel het hersengebied bloot door de schuine kant van de naald naar boven gericht in te brengen. Bevestig de optrode-array in de manipulatorarm en ga dicht bij het blootgestelde gebied staan. Plaats langzaam de optrode array en sluit de grondschroef aan op de zilverdraad die aan het systeem is bevestigd.
Plaats gelschuim tussen de blootgestelde hersenen en het apparaat om chemicaliën te beschermen tegen direct contact met de hersenen. Breng voorzichtig tandcement aan op de schedel om het apparaat te bevestigen en het gelschuim te bedekken. Voordat het tandcement volledig is uitgehard, scheidt u de hoofdhuid als deze aan het tandcement is bevestigd.
Trek aan de ingesneden huid met een tang om het verharde tandcement te bedekken en hecht de hoofdhuid. Plaats de verdoofde muis in het stereotactische frame. Stel het recept voor de lichtpuls in op een inschakelduur van 4% in een frequentie van 10 Hertz.
Stel de lichtstimulatie gedurende twee seconden in tijdens de neurale opname. Verwijder de plastic afdekking en bevestig het bovenste deel van de lichttoevoersystemen met de herbruikbare LED in circuits. Sluit de voorversterker van de koptrap aan op de geïmplanteerde vijfpolige connector.
Open de software en stel de softwarefilters in. Klik vervolgens op de bemonsteringsfrequentie van de versterker en stel deze in. Klik vervolgens op Bandbreedte wijzigen.
Stel de lagere bandbreedte van de versterker en de hogere bandbreedte van de versterker in. Controleer software DAC High-Pass Filter. Open Spike Scope en controleer neurale signalen met behulp van de spanningsdrempel.
Klik op Stoppen en opnemen. Laad de verkregen gegevens met MATLAB en controleer onbewerkte gegevens. Voer vervolgens spike-sorteercode uit die het wave clust-algoritme bevat.
Controleer gesorteerde pieken in rasterplot. Plot nu het tellen van spikes en controleer opgeroepen spikes tijdens lichtstimulatie. De figuur toont hele geregistreerde golfvormen met exacte omstandigheden, inclusief twee seconden licht op periode in het midden.
Het aantal opgeroepen individuele neurale pieken na elke lichtstimulatiepuls nam aanzienlijk toe in vergelijking met de basislijn met verschillende tijdbakken van twee seconden en 0,2 seconden. De figuur toont een spike histogram voor elk kanaal voor, tijdens en na lichtstimulatie. De inzetfiguur geeft de locatie van de geïmplanteerde optrode-array aan.
Verder toont de ingezoomde versie een spike histogram met een tijdbak van 100 milliseconden. De blauwe balk geeft de periode weer waarin het LED-lampje brandde om de respons op te nemen. Om de artefactruis van het LED-aandrijfstroomproces te minimaliseren, moet het systeem worden ontworpen om voldoende afstand tussen het elektrosignaalpad en het LED-circuit te garanderen.
Het voorgestelde LED-gebaseerde optrode-systeem kan de verschillende neurosignalering onderzoeken die verband houden met het gedrag van dieren, omdat het optogenetische stimulatie kan leveren en de opgeroepen neuroresponsen kan registreren. Een LED optrode array is compatibel met de draadloze optogenetica-interface, die kan worden gebruikt in vrij bewegend dieronderzoek.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een nieuw optrode-systeem dat optische vezels voor lichtlevering en een elektrodenarray voor neurale opname integreert. De haalbaarheid van dit systeem wordt aangetoond door in vivo-experimenten uitgevoerd op transgene muizen die channelrhodopsin-2 tot expressie brengen, waardoor gelijktijdige optogenetische stimulatie en elektrofysiologische opname mogelijk is.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Elektrofysiologie
- Optogenetica
Achtergrond
- Optogenetica is een techniek voor het begrijpen van neurologische ziekten.
- De studie heeft tot doel de neurale opnamecapaciteiten te verbeteren.
- Draadloze systemen zijn cruciaal voor bredere toepassingen in optogenetica.
- LED's bieden voordelen ten opzichte van lasers in termen van eenvoud en kosten.
Doel van de studie
- Om een efficiënt optrode-systeem te fabriceren voor lichtstimulatie en -opname.
- Om neurale reacties gerelateerd aan optogenetische lichtstimulatie te onderzoeken.
- Om de toepasbaarheid van het systeem bij vrij bewegende dieren aan te tonen.
Gebruikte methoden
- Een op LED's gebaseerd optrode-systeem werd ontwikkeld voor gelijktijdige werking.
- Transgene muizen die channelrhodopsin-2 tot expressie brengen, dienden als biologisch model.
- In vivo-experimenten omvatten chirurgische procedures om het apparaat te positioneren.
- Meting van lichtintensiteit en verschillende chirurgische manipulaties werden uitgevoerd.
- Gegevensverzameling, inclusief neurale spike-sortering en -analyse, werd uitgevoerd met behulp van MATLAB.
Belangrijkste resultaten
- De studie toont verbeterde geïnduceerde neurale spikes tijdens lichtstimulatie vergeleken met baseline.
- Significante toenames in individuele neurale spikes na lichtpulsen werden geregistreerd.
- Het toont de potentie van dit systeem om neurosignalering gekoppeld aan gedragsreacties te bestuderen.
- Het systeem minimaliseert artefactruis door zijn ontwerp en configuratie.
Conclusies
- Deze studie toont aan dat het op LED's gebaseerde optrode-systeem optogenetische stimulatie en neurale opname effectief combineert.
- De bevindingen tonen potentie voor toepassing in het onderzoek van verschillende neurobiologische fenomenen.
- Implicaties omvatten onderzoek naar pathologie en behandelingsmechanismen van neurologische aandoeningen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Simultaneous optogenetic modulation and electrical neural recording address a critical need for real-time, cell-type-specific interrogation of neural circuits in preclinical neuroscience and neuropharma R&D. This integrated optrode array platform enables precise mapping of neural response to targeted stimulation, supporting mechanistic de-risking and predictive confidence in early-stage CNS target validation. The approach enhances translational continuity by providing quantitative, time-locked neural activity data in disease-relevant animal models.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct testing of therapeutic hypotheses by linking optogenetic modulation to electrophysiological outcomes.
- Supports functional target validation through selective activation or inhibition of genetically defined neuronal populations.
- Facilitates mechanistic de-risking by correlating neural circuit activity with candidate intervention.
- Provides quantitative, time-resolved data to inform portfolio triage decisions.
Screening & Assay Development
- Delivers validated, reproducible neural readouts for downstream compound screening workflows.
- Standardizes assay conditions by integrating optical and electrical modalities in a single implantable device.
- Enables high-fidelity, quantitative measurement of evoked neural spikes for reliable compound evaluation.
- Supports scalability and platform reuse across multiple CNS targets and models.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical neural activity measurements with disease-relevant endpoints in animal models.
- Provides continuity from discovery through preclinical validation by enabling in vivo functional readouts.
- Reduces translational risk by supporting biomarker alignment and mechanistic understanding.
- Facilitates risk-adjusted advancement decisions based on quantitative neural response data.
Pipeline & Workflow Integration
This optrode array platform integrates into the discovery-to-preclinical continuum, bridging early mechanistic studies and translational validation in CNS research.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling selective neural modulation and recording.
- Screening: Provides reproducible, quantitative neural activity outputs for assay development and compound screening.
- Analytics: Delivers time-locked spike data and statistical outputs for condition comparison and decision support.
- Translational Research: Connects in vivo neural activity to disease models, supporting biomarker and endpoint alignment.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, reusable platform adaptable to diverse CNS targets and animal models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in CNS target validation.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of neural recording workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by providing robust functional data.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of CNS programs based on quantitative neural endpoints.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optogenetics, electrophysiology, and animal surgery for device implantation and data acquisition.
- Needs instrumentation for precise light delivery, neural signal amplification, and spike sorting analytics.
- Demands cross-team standardization of stimulation protocols and data analysis pipelines.
- Adaptable to various rodent models expressing opsins, but may require protocol optimization for different brain regions or cell types.
- Artifact minimization strategies are necessary to separate optical stimulation artifacts from true neural signals.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
1:13
Preparation of an Optrode Array
1:39
Presurgical Preparation of Animal and Implantation Surgery
3:45
Setting Parameters and Conducting Optogenetic Stimulation, Electrophysiological Recording, and Data Analysis
4:55
Results: Electrophysiological Recording
5:40
Conclusion
