Method Article

Matryca optrodowa do jednoczesnej modulacji optogenetycznej i elektrycznego zapisu neuronowego

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

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

Tutaj prezentujemy metodę wytwarzania systemu optycznego ze światłowodami do dostarczania światła i matrycą elektrod do rejestracji neuronowej. Eksperymenty in vivo na transgenicznych myszach z ekspresją rodopsyny-2 pokazują wykonalność systemu do jednoczesnej stymulacji optogenetycznej i zapisu elektrofizjologicznego.

Abstract

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

W ciągu ostatniej dekady, optogenetyka stała się podstawowym narzędziem do badania sygnalizacji neuronalnej ze względu na jej unikalną zdolność do selektywnej modulacji lub monitorowania neuronów. Ponieważ określone typy komórek neuronalnych mogą być genetycznie modyfikowane w celu ekspresji białek opsyny, optogenetyka umożliwia stymulację optyczną lub hamowanie wybranych neuronów. W systemie optycznym dla optogenetyki dokonano kilku postępów technologicznych. Niedawno zaproponowano połączenie falowodu optycznego do dostarczania światła z zapisem elektrofizjologicznym w celu jednoczesnego monitorowania reakcji neuronalnych na stymulację lub hamowanie optogenetyczne. W tym badaniu opracowano wszczepialną matrycę optrodową (światłowody 2x2) z wbudowanymi elektrodami wielokanałowymi.

Jako źródło światła zastosowano diodę elektroluminescencyjną (LED), a mikrofabrykowany układ mikrosoczewek został zintegrowany, aby zapewnić wystarczającą moc światła na końcu światłowodów. System optrode array składa się z części jednorazowego użytku i części wielokrotnego użytku. Część jednorazowa posiada światłowody i elektrody, natomiast część wielokrotnego użytku posiada diodę LED i obwody elektroniczne do sterowania światłem i przetwarzania sygnałów neuronowych. Nowatorski projekt wszczepialnego systemu matrycy optycznej został przedstawiony w dołączonym filmie jako dodatek do procedury operacji implantacji optrodowej, optogenetycznej stymulacji światłem i elektrofizjologicznego zapisu neuronowego. Wyniki eksperymentów in vivo z powodzeniem wykazały zablokowane w czasie skoki nerwowe wywołane przez bodźce świetlne z neuronów pobudzających hipokampa myszy.

Introduction

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

Rejestrowanie i kontrolowanie aktywności neuronalnej jest niezbędne do zrozumienia, jak funkcjonuje mózg w sieci neuronowej i na poziomie komórkowym. Konwencjonalne metody zapisu elektrofizjologicznego obejmują zacisk krosowy1,2,3,4 za pomocą mikropipety i zapis zewnątrzkomórkowy za pomocą elektrod mikroneuronowych5,6,7,8. Jako metoda neuromodulacji, stymulacja elektryczna jest często stosowana do bezpośredniej sty....

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

Protocol

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

Procedury opieki nad zwierzętami i zabiegi chirurgiczne zostały zatwierdzone przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt (IACUC) na Uniwersytecie Ewha Womans (nr 20-029).

1. Przygotowanie tablicy optrodowej (Rysunek 1 i Rysunek 2)

  1. Podłącz światłowody do układu mikrosoczewek.
    1. Usuń powłokę pasywacyjną światłowodu i pokrój go na kawałki o długości 5 mm za pomocą precyzyjnego tasaka do światłowodu.
    2. Zanurz światłowód w przezroczystej żywicy UV i umieść światłowody na układzie mikros....

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

Results

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

System optrode został pomyślnie skonstruowany, aby zapewnić wystarczającą moc światła do aktywacji docelowych neuronów. Dokładne wyrównanie elektrod wolframowych uzyskuje się dzięki mikrowytwarzanemu krzemowi przez otwory. Zmierzone natężenie światła wynosi 3,6 mW/mm2 na końcówce światłowodu przy przyłożeniu prądu 50 mA. Mikrosoczewka zwiększyła wydajność świetlną o 3,13 dB. Ze względu na układ mikrosoczewek, który wzmacnia sprzężenie światła, przyłożony prąd jest w przybliżeniu o połowę mniejszy niż prąd wyma.......

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

Discussion

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

Zweryfikowano możliwość jednoczesnej stymulacji optogenetycznej i zapisu elektrofizjologicznego systemu (ryc. 6). Duże skoki podczas stymulacji świetlnej to artefakty fotoelektryczne występujące w tym samym czasie co stymulacja światłem (ryc. 6A). Jest to wyraźnie widoczne w powiększonym widoku przebiegu w czerwonym przerywanym prostokącie (Rysunek 6A). Jak pokazano na rysunku 6A, artefakty fotoelektryc.......

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

Disclosures

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

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Acknowledgements

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

To badanie było wspierane przez Convergent Technology R&D Program for Human Augmentation przez National Research Foundation of Korea (NRF), finansowane przez Ministerstwo Nauki i ICT (NRF-2019M3C1B8090805) i wspierane przez grant National Research Foundation of Korea (NRF) finansowany przez rząd Korei (MSIT) (nr 2019R1A2C1088909). Dziękujemy laboratorium Seung-Hee Lee na Wydziale Nauk Biologicznych, KAIST, Daejeon, Korea, za uprzejme dostarczenie transgenicznych myszy.

....

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Złącze 5-pinoweNW3HD127Kraster 1,27 mm (0,050")
BovieFine Science Tools(FST)18010-00Zestaw do kauteryzacji wysokotemperaturowej
Oprogramowanie do akwizycji danychIntan Technologies, LLCOprogramowanie karty interfejsu USBPraca z płytą interfejsu USB RHD
Dental CementLang Dental Manufacturing Company, Inc.1223CLRUżyj płynu Jet i proszku w pakiecie do naprawy protez strumieniowych
Ramię manipulatora cyfrowegoStoelting Co.51904/51906Lewy, prawy każdy cyfrowy ramię manipulatora, 3-osiowe, dodatkowa
pianka żelowaCutanplastStandard (70*50*10 mm)Sterylna, wchłanialna gąbka żelatynowa z efektem hemostatycznym
Przedwzmacniacz czołowyIntan Technologies, LLC16-kanałowe nagrywanie RHD Headstages
Poduszka grzewczaStoelting Co.53800RStoelting Ocieplacz na gryzonie X1 z podkładką grzewczą dla szczurów
LEDOSLONGB CS8PM1.13λ typ. 470 nm, Kąt widzenia 80 °, Napięcie przewodzenia 2.85 V
MATLABMathWorks, Inc.R2019a
Mikro zaciskSURGIWAY12-1002-04Typ prosty, Serre-fine DIEFFENBACH droite 3,5 cm
ŚwiatłowódThorlabs, Inc.FT200UMT0,39 NA, Ø 200 &mikro; m Rdzeń Światłowód wielomodowy, wysoki OH dla
drutu wolframowego powlekanego PFASystem AMZamówienie niestandardowe Typpręta, Ø 101.6 μ m (.004")
FotodiodaThorlabsS121C
miernik mocyThorlabs Inc.PM100D
Precyzyjny tasakFITELS326Narzędzie do krajalnicy włókien
PrismGraphPad5.01 wersja
SkalpelFeather™#20Ostrze skalpela z uchwytem skalpela o długości 100 mm Śruba
stali nierdzewnejNasa Koreaśrednica: 1,2 mm, długość: 3 mm
Srebrny drutNilaco CorporationAG-401265Ø 200 µ m
Stereotaxic FxrameStoelting Co.51500DCyfrowy nowy standard stereotaktyczny szew dla szczurów i myszy
ETHICONW9106rozmiar szwu: 4-0, długość: 75 cm, średnica drutu: 4-0
WazelinaUnilever PLCOryginalna100% czysta wazelina naftowa
Wave_Clusniedotyczy
#C3314 300 - 1200 nm ze nie dotyczy https://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