Oprode Array para modulação optogenética simultânea e gravação neural elétrica

Summary

Aqui, apresentamos o método de fabricação de um sistema optrode com fibras ópticas para entrega de luz e uma matriz de eletrodos para gravação neural. Experimentos in vivo com camundongos transgênicos expressando channelrhodopsin-2 mostram a viabilidade do sistema para estimulação optogenética simultânea e gravação eletrofisiológica.

Abstract

Durante a última década, a optogenética tornou-se uma ferramenta essencial para a investigação da sinalização neural devido à sua capacidade única de modulação ou monitoramento neural seletivo. Como tipos específicos de células neuronais podem ser geneticamente modificados para expressar proteínas de opsina, a optogenética permite estimulação óptica ou inibição dos neurônios selecionados. Houve vários avanços tecnológicos no sistema óptico para optogenética. Recentemente, foi proposto combinar o guia óptico de ondas para entrega de luz com gravação eletrofisiológica para monitorar simultaneamente as respostas neurais à estimulação ou inibição optogenética. Neste estudo, foi desenvolvido um conjunto de optrode implantável (fibras ópticas 2x2) com eletrodos multicanais incorporados.

Um diodo emissor de luz (LED) foi empregado como fonte de luz, e uma matriz de microluvas microfrágico foi integrada para fornecer energia de luz suficiente na ponta das fibras ópticas. O sistema de matriz optrode compreende a parte descartável e a parte reutilizável. A peça descartável possui fibras ópticas e eletrodos, enquanto a parte reutilizável possui o LED e circuitos eletrônicos para controle de luz e processamento de sinal neural. O novo desenho do sistema de matriz optrode implantável é introduzido no vídeo que acompanha, além do procedimento da cirurgia de implantação de optrode, estimulação de luz optogenética e gravação neural eletrofisiológica. Os resultados de experimentos in vivo mostraram com sucesso picos neurais bloqueados pelo tempo evocados pelos estímulos de luz dos neurônios excitatórios hipocampais de camundongos.

Introduction

Gravar e controlar a atividade neural é essencial para entender como o cérebro funciona em uma rede neural e em níveis celulares. Os métodos convencionais de gravação eletrofisiológica incluem o grampo^de remendo 1,2,3,4 utilizando um micropipette e gravação extracelular usando eletrodos microneurais 5,6,7,8. Como método de neuromodulação, a estimulação elétrica tem sido frequentemente usada para estimular diretam....

Protocol

Os procedimentos cirúrgicos e de cuidados com animais foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC) da Universidade da Mulher de Ewha (nº 20-029).

1. Preparação de uma matriz optrode (Figura 1 e Figura 2)

1. Conecte fibras ópticas com a matriz de microlens.
   1. Remova o revestimento de passivação da fibra óptica e corte-a em pedaços de 5 mm de comprimento usando um cutelo de fibra óptica de precisão.
   2. Mergulhe a fibra óptica na resina UV clara e coloque as fibras ópticas na matr....

Results

O sistema optrode é fabricado com sucesso para fornecer energia de luz suficiente para ativar os neurônios alvo. O fino alinhamento dos eletrodos de tungstênio é alcançado através do silício microfrágico através dos orifícios. A intensidade da luz medida é de 3,6 mW/mm² na ponta da fibra óptica quando a corrente de 50 mA é aplicada. Os microlens aumentaram a eficiência da luz em 3,13 dB. Devido à matriz de microlens, que melhora o acoplamento de luz, a corrente aplicada é aproximadamente metade da corrente nec.......

Discussion

Verificou-se a viabilidade do sistema para estimulação optogenética simultânea e registro eletrofisiológico (Figura 6). Os grandes picos durante a estimulação da luz são artefatos fotoelétricos que ocorrem ao mesmo tempo que a estimulação da luz (Figura 6A). Isso é claro na visão ampliada da forma de onda no retângulo tracejado vermelho (Figura 6A). Como mostrado na Figura 6A, os artefatos fotoelétricos.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Conector de 5 pinos	NW3	HD127K	1.27 mm (.050") pitch
Bovie	Fine Science Tools(F.S.T)	18010-00	Kit de Aquisição de Dados de Alta Temperatura
Software de Aquisição	Intan Technologies, LLC	Software da Placa de Interface USB	Trabalhe com a Placa de Interface USB RHD
Cimento Dental	Lang Dental Manufacturing Company, Inc.	1223CLR	Use Jet Liquid e pó no pacote de reparo de dentadura a jato
Digital Manipulator Arm	Stoelting Co.	51904/51906	Esquerda, Direita cada Braço Manipulador Digital, 3 Eixos, Espuma de
Gel	Cutanplast	Padrão (70*50*10 mm)	Esponja de gelatina reabsorvível estéril com efeito hemostático Pré-amplificador
Headstage	Intan Technologies, LLC	#C3314	RHD Almofada de Aquecimento de Headstages de Gravação de 16 Canais
	Stoelting Co.	53800R	Aquecedor de Roedores Stoelting X1 com Almofada de Aquecimento de Rato
LED	OSLON	GB CS8PM1.13	λ typ. 470 nm, Ângulo de visão 80 °, Tensão direta 2.85 V
MATLAB	MathWorks, Inc.	R2019a
Micro Clamp	SURGIWAY	12-1002-04	Tipo reto, Serre-fine DIEFFENBACH droite 3,5 cm
Fibra óptica	Thorlabs, Inc.	FT200UMT	0,39 NA, Ø 200 µ Fibra óptica multimodo do núcleo de m, OH alto para o
fio de tungstênio PFA-revestido	A-M Tipo	ordenado costume	de Rod, Ø 101,6 μ m (.004")
Fotodiodo	Thorlabs	S121C
medidor de potência	Thorlabs Inc.	Cutelo de precisão PM100D
	FITEL	S326	Ferramenta de corte de fibra
Prism	GraphPad	versão
Bisturi	Feather™	#20	com cabo de bisturi de 100mm de comprimento
Nasa	Korea	do aço inoxidável	: 1,2 mm, comprimento: 3 mm
Fio de prata	The Nilaco Corporation	AG-401265	Ø 200 µ m
Estereotáxico Fxrame	Stoelting Co.	51500D	Digital novo padrão estereotáxico, rato e camundongo
sutura	ETHICON	W9106	tamanho da sutura: 4-0, comprimento: 75 cm, diâmetro do fio: 4-0
Vaselina	Unilever PLC	Original	100% pura vaselina
Wave_Clus	N/A	N/A