Oprode Array para modulação optogenética simultânea e gravação neural elétrica
1 de setembro de 2022
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.
Este protocolo inclui a fabricação no sistema optrode para estimulação optogenética simultânea e gravação eletrofisiológica. O sistema baseado em LED proposto aumenta a eficiência do acoplamento de luz através de uma matriz de microlens. Uma fonte de luz LED tem uma configuração de iluminação simples do que uma fonte de luz laser para que o sistema seja prontamente aplicável ao sistema sem fio.
A optogenética é uma técnica de caminho para a compreensão da patologia da doença neurológica e dos mecanismos de tratamento. A optogenética pode ser aplicada para tratar lesão medular, epilepsia, doença de Parkinson e doença de Alzheimer. Nosso dispositivo baseado em LED pode ser implementado ainda mais como um sistema sem fio com várias vantagens, como baixa complexidade do sistema, custo-benefício e baixo consumo de energia.
Primeiro, conecte o conector feminino de 1,27 milímetros ao preamplificador do estágio da cabeça. Coloque o LED na carcaça impressa 3D. Meça a intensidade da luz no final da ponta de fibra óptica usando um fotodiodo.
Mergulhe os eletrodos de tungstênio e as fibras ópticas em álcool por 15 minutos e seque-os pelo ar. Raspe a pele da cabeça e coloque o rato anestesiado na moldura estereotática. Posicione a cabeça dentro do quadro estereotático e insira barras de ouvido no meatus.
Ligue a almofada de aquecimento térmico embutida no quadro estereotático e mantenha a temperatura corporal a 37 graus Celsius durante os procedimentos cirúrgicos. Ajuste a barra de incisão para ajustar a altura da barra de incisão e aperte o grampo do nariz contra o focinho. Cubra os olhos com geleia de petróleo para evitar o ressecamento.
Levante a pele da cabeça com fórceps, proteja um espaço de injeção e injete 1% de lidocaína sob o couro cabeludo. Realize uma incisão sagital usando um bisturi e uma tesoura fina. Segure a pele incisada com um microclamp para ampliar a visibilidade da área cirúrgica.
Remova o periosteum usando cotonetes de algodão. Se houver sangramento, cauterizou o crânio usando um bovie para selar os vasos sanguíneos. Limpe o crânio com soro fisiológico e marque os locais de craniotomia usando um braço manipulador.
Faça um furo acima do cerebelo e insira um parafuso para o chão. Com um parafuso de precisão, coloque o parafuso moído de 0,5 milímetros de profundidade até atingir a parte superior do cerebelo. Perfurar a área marcada e remover um pedaço do crânio com fórceps.
Dobre uma ponta de agulha de calibre 26 no sentido horário em um ângulo de 120 graus e exponha a área cerebral inserindo o lado de bisel da agulha voltado para cima. Fixar a matriz optrode no braço manipulador e mover-se perto da área exposta. Insira lentamente a matriz optrode e conecte o parafuso moído ao fio de prata ligado ao sistema.
Insira espuma de gel entre o cérebro exposto e o dispositivo para proteger os produtos químicos do contato direto com o cérebro. Aplique cuidadosamente cimento dentário no crânio para fixar o dispositivo e cobrir a espuma de gel. Antes que o cimento dentário seja completamente endurecido, separe o couro cabeludo se estiver preso ao cimento dentário.
Puxe a pele incisada com fórceps para cobrir o cimento dentário endurecido e suturar o couro cabeludo. Coloque o mouse anestesiado no quadro estereotático. Coloque a receita de pulso de luz em ciclo de 4% em 10 frequência de Hertz.
Configure a estimulação da luz por dois segundos durante a gravação neural. Tire a tampa plástica e conecte a parte superior dos sistemas de entrega de luz com o LED reutilizável em circuitos. Conecte o pré-amplificador do estágio da cabeça ao conector de cinco pinos implantado.
Abra o software e configure os filtros de software. Em seguida, clique e defina a taxa de amostragem do amplificador. Em seguida, clique em alterar a largura de banda.
Defina a largura de banda inferior do amplificador e a largura de banda superior do amplificador. Verifique o software DAC High-Pass Filter. Abra o Escopo do Pico e verifique sinais neurais usando limiar de tensão.
Clique em Stop e grave. Carregue os dados adquiridos usando o MATLAB e verifique os dados brutos. Em seguida, execute o código de classificação de picos que contém algoritmo de clust onda.
Verifique os picos classificados na trama raster. Agora, plote os picos e verifique os picos evocados durante a estimulação da luz. A figura mostra formas de onda inteiras registradas com condições exatas, incluindo dois segundos de luz no período no meio.
O número de picos neurais individuais evocados após cada pulso de estimulação de luz aumentou significativamente em comparação com a linha de base com diferentes caixas de tempo de dois segundos e 0,2 segundos. A figura mostra um histograma de pico para cada canal antes, durante e depois da estimulação da luz. A figura de entrada indica a localização da matriz optrode implantada.
Além disso, a versão ampliada mostra um histograma de pico com uma caixa de tempo de 100 milissegundos. A barra azul representa o período de tempo em que a luz LED estava acesa para registrar a resposta. Para minimizar o ruído do artefato do processo de corrente de condução led, o sistema deve ser projetado para garantir distância suficiente entre a via do sinal eletro e o circuito LED.
O sistema optrode baseado em LED proposto pode investigar as várias sinalizações neurológicas relacionadas aos comportamentos dos animais, pois pode fornecer estimulação optogenética e registrar as respostas neurológicas evocadas. Uma matriz de optrode LED é compatível com a interface optogenética sem fio, que pode ser usada em pesquisa animal em movimento livre.
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Visão geral
Este estudo apresenta um sistema de optrodes inovador que integra fibras ópticas para entrega de luz e uma matriz de eletrodos para gravação neural. A viabilidade deste sistema é demonstrada através de experimentos in vivo conduzidos em camundongos transgênicos que expressam channelrhodopsin-2, permitindo simultânea estimulação optogenética e gravação eletrofisiológica.
Componentes principais do estudo
Área da ciência
- Neurociência
- Eletrofisiologia
- Optogenética
Fundamentos
- Optogenética é uma técnica para compreender doenças neurológicas.
- O estudo visa aprimorar as capacidades de gravação neural.
- Sistemas sem fio são cruciais para aplicações mais amplas em optogenética.
- LEDs fornecem vantagens sobre lasers em termos de simplicidade e custo.
Objetivo do estudo
- Fabricar um sistema de optrodes eficiente para estimulação com luz e gravação.
- Investigar respostas neurais relacionadas à estimulação com luz optogenética.
- Demonstrar a aplicabilidade do sistema em animais em movimento livre.
Métodos utilizados
- Um sistema de optrodes baseado em LED foi desenvolvido para funcionamento simultâneo.
- Camundongos transgênicos que expressam channelrhodopsin-2 serviram como o modelo biológico.
- Os experimentos in vivo envolveram procedimentos cirúrgicos para posicionar o dispositivo.
- Medição da intensidade da luz e várias manipulações cirúrgicas foram realizadas.
- A aquisição de dados, incluindo triagem e análise de picos neurais, foi realizada usando MATLAB.
Principais resultados
- O estudo revela picos neurais evocados aprimorados durante a estimulação com luz em comparação com a linha de base.
- Aumentos significativos em picos neurais individuais após pulsos de luz foram registrados.
- Mostra o potencial deste sistema para estudar a sinalização neural ligada a respostas comportamentais.
- O sistema minimiza o ruído de artefatos devido ao seu design e configuração.
Conclusões
- Este estudo demonstra que o sistema de optrodes baseado em LED combina efetivamente a estimulação optogenética e a gravação neural.
- Os resultados mostram potencial para aplicação na pesquisa de vários fenômenos neurobiológicos.
- As implicações incluem investigar patologia e mecanismos de tratamento de condições neurológicas.
Perguntas Frequentes
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
