Zestaw narzędzi typu open source: laboratoryjny zestaw mikroelektrod z włókna węglowego do nagrywania nerwów
29 października 2021
Tutaj opisujemy metodologię produkcji konfigurowalnych układów elektrod z włókna węglowego do nagrywania in vivo w nerwach i mózgu.
Elektrody z włókna węglowego są mniejsze niż neurony i wyrządzają minimalne szkody. Ponadto mogą być produkowane przy użyciu minimalnego specjalistycznego sprzętu na blacie stołu. Główną zaletą tej techniki jest jej prostota.
Pozwala użytkownikom budować i dostosowywać macierze neuronowe bez konieczności korzystania z pomieszczeń czystych. Manipulowanie włóknami węglowymi i umieszczanie srebrnej żywicy epoksydowej jest trudne i krytyczne. Te dwie części wymagają dużo praktyki i kontroli motorycznej.
Pierwszy dzień jest zawsze najgorszy, ale z praktyką, po około tygodniu, zbudujesz funkcjonalną macierz neuronową. Na początek ustaw lutownicę na 315 stopni Celsjusza. Nałóż topnik na wszystkie pola lutownicze.
Uformuj małe kopce lutowia na tylnych padach elastycznej matrycy, a następnie piny po obu stronach złącza. Po zamocowaniu delikatnie wepchnij końcówkę lutownicy między przednie piny, aby pozostałe połączenia z tyłu. Nałóż dodatkową warstwę topnika, jeśli zajmuje dużo czasu, przedni rząd pinów do płytki.
Usuń nadmiar topnika za pomocą 100% alkoholu izopropylowego i szczotki z krótkim włosiem. Następnie powoli popchnij ułożony zestaw żywicy epoksydowej za pomocą strzykawki, umieszczonej ukośnie w dół na kołkach, aby zamknąć lutowane połączenie. Połóż małą linię żywicy epoksydowej na tylnej stronie płyty i pociągnij ją za krawędzie złącza, aby ją zabezpieczyć.
Wykonaj kapilary za pomocą ściągacza do szkła i filamentu. Wytnij wyciągniętą szklaną kapilarę, tak aby jej końcówka zmieściła się między ścieżkami matrycy. Następnie nabierz około jeden do jednego srebrnej żywicy epoksydowej do plastikowego naczynia drewnianymi końcami dwóch aplikatorów z bawełnianą końcówką i wymieszaj.
Po wymieszaniu wyrzuć aplikatory. Wytnij od dwóch do czterech milimetrów od końca wiązki z włókna węglowego na papier do drukarki za pomocą żyletki. Delikatnie przeciągnij laminowany papier przez górną część wiązki, aby oddzielić włókna i wiązkę.
Następnie nałóż trochę żywicy epoksydowej na wyciągnięty koniec kapilary. I delikatnie nałóż go między co drugi ślad, na końcu deski, wypełniając lukę. Umieść jedno włókno węglowe w każdej ścieżce epoksydowej za pomocą pęsety pokrytej teflonem.
Następnie wyreguluj włókna węglowe za pomocą czystej, ciągniętej kapilary, aby były prostopadłe do końca płyty elastycznej i zakop je pod żywicą epoksydową. Umieść tablice na drewnianym klocku, z włóknami wystającymi poza krawędź bloku. Piecz drewniany klocek i tablice w temperaturze 140 stopni Celsjusza przez 20 minut, aby utwardzić srebrną żywicę epoksydową i zablokować włókna na miejscu.
Jeśli srebrna żywica epoksydowa zwiera ze sobą dwa lub więcej włókien, można ją usunąć za pomocą czystej szklanej kapilary i delikatnie zeskrobać ją z płyty. Przechowuj gotowe deski w pudełku z podniesioną platformą, aby zawiesić włókniste końce deski, aby zapobiec pękaniu włókien. Nałóż niewielką kroplę żywicy epoksydowej UV na odsłonięte ślady za pomocą czystej kapilary i kontynuuj dodawanie kropel, aż ślady zostaną całkowicie pokryte.
Utwardź żywicę epoksydową UV pod pisakiem UV przez dwie minuty i powtórz to dla drugiej strony deski. Przytnij włókna do jednego milimetra za pomocą siatki stereoskopowej i nożyczek chirurgicznych. Aby sprawdzić połączenia elektryczne, ustaw potencjostat na zero woltów na pięć sekund i ustabilizuj nagrany sygnał.
Uruchom skanowanie impedancji jednego kiloherca dla każdego włókna za pomocą potencjostatu. Rejestruj pomiary za pomocą oprogramowania powiązanego z potencjostatem. Następnie zanurz włókna w dejonizowanej wodzie w zlewce trzy razy, aby je wypłukać.
Delikatnie zeskrob Parylene C z ziemi i odnieś przewody na płytce za pomocą pęsety. Następnie wytnij dwa pięciocentymetrowe odcinki izolowanego srebrnego drutu za pomocą żyletki. Odizoluj od dwóch do trzech milimetrów drutu, z jednego końca i około 10 milimetrów z drugiego końca.
Następnie podgrzej lutownicę do 315 stopni Celsjusza i nałóż niewielki topnik na druty. Włóż od dwóch do trzech milimetrów jednego drutu do każdego przewodu elektrofizjologicznego na płytce i nałóż lut na górną część przewodów. Po pozostawieniu sondy do ostygnięcia, odwróć ją, aby nałożyć trochę lutu na tylną część drutu.
Odetnij odsłonięty drut wystający z tylnego kopca lutowniczego. Umieść tablice w pudełku do przechowywania, zginając przewody do tyłu, z dala od światłowodu i zabezpiecz przewody na taśmie klejącej, aby zapobiec potencjalnym interakcjom przewodów światłowodowych. Obrazy SEM końcówek wykorzystano do określenia odsłoniętej długości włókna węglowego i geometrii końcówki.
Włókna cięte nożycowo mają niespójną geometrię końcówki, z Parylene C składającym się na końcu. Włókna wycinane laserowo NDYAG pozostają spójne, w obszarze miejsca nagrywania, kształtu i impedancji. Włókna palnikowane z rozdmuchiwaniem prowadzą do największego rozmiaru i zmienności kształtu elektrody oraz zaostrzonej końcówki.
Średnio 140 mikrometrów węgla zostało ponownie wystawionych na działanie promieni słonecznych. Włókna cięte laserowo UV były podobne do włókien wypalanych przez rozdmuchiwanie, pokazując 120 mikrometrów węgla, odsłoniętego od końcówki. Uzyskane impedancje mieściły się w zakresie umożliwiającym rejestrację elektrofizjologiczną.
Włókna cięte laserowo NDYAG miały najmniejszą powierzchnię, ale najwyższe impedancje. Następnie palnik rozdmuchowy i włókna cięte laserowo UV. Jednak we wszystkich przypadkach włókna powlekane PEDOT:pTS spadły poniżej progu 110 kiloomów.
Ostre nagrania z czterech włókien laserowych UV o długości dwóch milimetrów, jednocześnie wszczepionych do kory ruchowej szczura, wykazały trzy jednostki na wszystkich włóknach, co sugeruje, że obróbka włókien za pomocą niedrogiego lasera UV jest podobna do innych metod cięcia. Wypróbowując ten protokół, zapewnij sobie dużą, czystą przestrzeń podczas wypełniania włókien węglowych. Łatwo jest przypadkowo zmieść wszystkie włókna ze stołu, ponieważ nie ma wystarczająco dużo miejsca do manewrowania.
Matryce te są teraz odpowiednie do nagrań jednostek sygnałowych z mózgu. Te techniki konstrukcyjne pozwoliły grupie dr Barnesa z Uniwersytetu Michigan na złożenie raportu oraz grupie dr Chiela z Case Western Reserve University na złożenie raportu na temat badań wewnątrzkomórkowych
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten artykuł opisuje metodologię produkcji konfigurowalnych tablic elektrod z włókien węglowych stosowanych do nagrywania in vivo w nerwach i mózgu. Prostota procesu produkcyjnego pozwala badaczom tworzyć tablice neuronalne bez potrzeby doświadczenia z czystą strefą.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuronauka
- Elektrofizjologia
Tło
- Elektrody z włókien węglowych są mniejsze niż neurony.
- Powodują minimalne uszkodzenia tkanek.
- Produkcja może być prowadzona z minimalnym wyposażeniem specjalistycznym.
- Technika jest dostępna dla badaczy bez doświadczenia w czystych strefach.
Cel badania
- Zapewnić metodologię tworzenia konfigurowalnych tablic elektrod neuronalnych.
- Uprościć proces produkcji elektrod dla badaczy.
- Zwiększyć dostępność technik nagrywania in vivo.
Zastosowane metody
- Produkcja tablic elektrod z włókien węglowych.
- Zastosowanie epoki srebrnej do montażu elektrod.
- Manuelne manipulowanie włóknami węglowymi.
- Praktyka w sterowaniu motorycznym dla precyzyjnego umieszczania.
Główne wyniki
- Opisana metodologia pozwala na konfigurację tablic neuronalnych.
- Użytkownicy mogą z powodzeniem tworzyć elektrody po ćwiczeniach.
- Technika minimalizuje uszkodzenia tkanek podczas nagrań.
- Dostępność jest zwiększona dla badaczy w różnych środowiskach.
Wnioski
- Konfigurowalne tablice elektrod z włókien węglowych mogą być efektywnie produkowane.
- Prostota procesu zachęca do szerszego stosowania w badaniach neuronauki.
- Dalsza praktyka może poprawić precyzję umieszczania elektrod.
Często zadawane pytania
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
