Все эксперименты на животных были проведены в соответствии с принципами, изложенными в руководстве национального исследовательского совета для ухода и использования лабораторных животных. Животных обработки и эвтаназии протоколы были рассмотрены и одобрены институциональный уход животных и использование Комитет (IACUC) из университета штата Иллинойс в Чикаго.
1. Животные модели
- Одичал тип Long-Эванс крысы
- Закупать 24-32 день старого одичал типа с капюшоном длинный Эванс крыс обоего пола, поднятые с ритмом день/ночь стандартная 12 h.
- Темный адаптировать крыса, поместив его в совершенно темной комнате за 1 ч до начала эксперимента.
- S334ter-3 крысы
- Трансгенные альбинос гомозиготных S334ter-3 крыса линию (обоих полов), выражая две копии гена мутант родопсина, с пигментированной одичал тип Лонг-Эванс крыса производить пигментированной гетерозиготных S334ter-3 крысы, которые exhibit фоторецепторных дегенерация Аналогично в прогрессии для человека пигментный ретинит29,30.
- Вырастить гетерозиготных потомство с стандартным 12 h день/ночь ритм и использовать крыс обоего пола для экспериментов следующих возрастов, соответствующий следующие стадии дегенерации фоторецепторных: ранние стадии дегенерации: 14-20 дней; Средней стадии дегенерации: 21-27 дней; Поздней стадии дегенерации: 28-35 дней; Полностью слепых: > 50 дней старых.
- Темный адаптировать крыса, поместив его в совершенно темной комнате за 1 ч до начала эксперимента.
2. Подготовка Эймс решение средних и перфузии системы

Рисунок 1: схема экспериментальной установки. Схема экспериментальной установки для химической стимуляции с помощью стекла микропипеткой (A) и пользовательские многопортовые microfluidic устройство (B). Сетчатки на pMEA и непрерывно увлажненную с свежий, кислородом решение средних Эймс, сверху и снизу, через отверстия pMEA. Сигналы нейронных ответ подобрал электродов pMEA подаются через усилитель МПС в компьютер приобретение данных. Визуальные и химических стимуляции, выполняются с помощью зеленый светодиод и 8-канальный давление форсунки, соответственно, и оба раздражители вызваны стимул выделенный компьютер, который используется также для пипетки через 3-осные точность позиционирования микроманипулятор. Инвертированным микроскопом используется для наблюдения за сетчаткой во время эксперимента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2: экспериментальная установка. (A) фотография полной экспериментальной установки показаны относительные позиции всех компонентов. МПС усилитель помещен na górze инвертированным микроскопом, который используется для визуально проверить сетчатки и цифровой изображения интерфейс устройства сетчатки с помощью прилагаемой высокоскоростной камеры во время эксперимента. Верхней и нижней перфузии независимо контролируются с помощью системы соленоида контролируемых перфузии. Инъекции, позиции управления и измерения импеданса, выполняются с помощью давления инжектора, микроманипулятор и патч зажим усилителя (оранжевая коробка; показано более подробно в Б), соответственно. Микропипеткой или устройство вставляется в зажим headstage патч для измерения импеданса и монтируется на козловой (обозначается зеленой коробке; показано более подробно в C) для облегчения позиционирования с помощью микроманипулятор. (B) крупный план измерения и контроля документов, используемых в эксперименте: инжектор давление 8-канальный, система управления микроманипулятор, патч зажим усилителя для измерения импеданса и всасывания судно для ликвидации перфузии. (C) крупный портальные системы впрыска, показаны многопортовое устройство сопряжена с пипеткой держателя, патч зажим headstage и микроманипулятор. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3: Настройка перфузии. (A) фотография верхней части усилителя МПС, расположения Топ перфузии и всасывания, а также зеленый индикатор, используемый для визуального светлых стимуляции. (B) крупным планом палаты pMEA перфузии, иллюстрирующие точное расположение Топ перфузии и всасывания, pMEA и электрод сравнения, используемые для измерения импеданса. (C) Микрофотография нижней перфузии плиты. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Примечание: См. рис. 1, рис. 2и рис
- Отмерьте 900 мл деионизированной воды при комнатной температуре (~ 21 ° C) и поместите в контейнер 1 Л.
- Perfuse воды с 100% CO2 с помощью механизма восходящей.
- Добавление 8,8 г пудры Эймс средних в 1 л воды.
- Промойте Эймс средних контейнер с несколькими миллилитрами деионизированной воды, чтобы удалить все следы порошкового Эймс среднего и добавить 1 Л контейнер.
- Добавьте 1 Л контейнер 25.3 мл раствора бикарбоната натрия (7,5% w/v31).
- Добавить дополнительные воды довести решение окончательное объемом 1 л.
- Далее, perfusing воду с CO2 примерно 5 минут.
- Остановить CO2 перфузии и начать perfusing решение с медико класса газовой смеси 95% O2 и 5% CO2 для по крайней мере 30 минут или до тех пор, пока pH стабилизируется на 7,4.
Примечание: Для целей настоящего Протокола, Эймс среднего хранится при комнатной температуре (~ 21 ° C) на протяжении всего эксперимента, чтобы предотвратить газовыделение, CO2 или O2 , которая может загородить перфузии линии с пузырьками.
- Очистите нижней и верхней трубы перфузии наполнения с 70% этанола и затем промыть обе линии 3 раза деионизированной водой. Заполните в нижней строке деионизированной водой и верхней линии с воздухом.
Закройте обе линии, с помощью электромагнитный клапан системы.
Подсоедините главный перфузии трубку к соединение luer 1 Л Эймс средних контейнера.
Открыть клапан Топ перфузии и оставить его открытым до тех пор, пока решение выходит из верхней перфузии розетки. Выключите клапан верхней перфузии.
Открыть на выходе нижней перфузии и оставить его на до тех пор, пока все пузырьки выйти через розетку нижней перфузии.
Прикрепить пустой всасывания судна к основной линии всасывания и включите всасывания источник. Убедитесь, что сверху и снизу всасывающего отверстия являются открытыми и рабочие.
Убедитесь, что все компьютерные дисплеи, охватываются красный фильтр экранов, чтобы избежать непреднамеренного визуальной стимуляции сетчатки.
3. Wholemount сетчатки подготовка

Рисунок 4: подготовка диссекции и wholemount сетчатки. (A) фотография нетронутыми наглазник, взяты из фоторецепторных выродились животных. (B) Микрофотография сетчатки с продольными разрезами чтобы расплющить его. (C) после спрямления сетчатки, он помещается на сетке с стороне фоторецептора, связавшись с сеткой и выравнивается в воздухе (вне перфузии среды) для обеспечения там без складок или завернутыми краями. (D) сеть и сетчатки быстро перенести на pMEA со стороны клеток ганглия, связавшись с электродами и немедленно увлажненную с кислородом среда Эймса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5: перфорированные многоэлектродный массив. (A) фотография перфорированные многоэлектродный массив, используемый в протоколе. Сетчатки помещается на массиве электрода (обозначается красным прямоугольником, который показан в B подробно) в зале pMEA разрешить постоянное перфузии с кислородом среда Эймса. (B) Микрофотография массива электрода сам иллюстрирующие расположение перфорации между электродами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Примечание: См. рис. 4 и 5
- С помощью ручной красный светодиодный фонарик тусклый красный освещения, усыпить животных через удушение двуокиси углерода, следуют шейки матки вывих или другой выбранный метод, по словам IACUC протоколы.
- Enucleate оба глаза, с помощью #5 щипцы ювелира и место энуклеированные глаза в Петри диаметром 60 мм с приблизительно 3-4 мл раствора свежие, кислородом Эймс средних.
- Хотя наблюдения глаз через рассечение стереомикроскопом с верхней и нижней осветители с красным фильтром экрана, сделать небольшой надрез в роговицы глаза с помощью скальпеля или острыми ножницами.
- Вырезать из этой небольшой разрез до края роговицы, а затем расширить разрез в продольных секции вокруг всего края роговицы. Снимите сейчас отдельностоящий роговицы наряду с объектива, полупрозрачные жизненных начал водный и стекловидного тела.
- Аккуратно придерживая наглазник с одной парой щипцов, тщательно сделайте два небольших разрезов на противоположных сторонах наглазник. Далее используйте две пары щипцами осторожно вытяните врозь наглазник на каждом из разрезов и отделить сетчатки от склеры. Медленно поднимите всю сетчатку от склеры и наглазники. Вырежьте зрительного нерва, если он все еще подключен.
- Сделать продольные разрезы в сетчатке получить половину или четверть секции с помощью ножниц, а затем аккуратно распространилась односекционный сетчатки на нейлоновая сетка (100 мкм резьбы диаметром 350 мкм открытие) с облицовкой (вогнутая сторона сетчатки) клеток ганглия от сетки.
- Поместите сетку и сетчатки на перфорированной многоэлектродный массив (pMEA) с клетках ганглия pMEA поверхности. Затем осторожно поместите сетку взвешенной ломтик поверх сетки держать сетчатки на месте.
4. МПС и Настройка сбора данных

Рисунок 6: шума уровни pMEA. (A) представитель запись подмножества pMEA электродов экспонируется постоянного шума. Этот шум, как правило объясняется отсутствием надлежащего контакта между pMEA контактные колодки и штифты МПС усилителя в результате нормального износа слоя тонкой перфорированные полиимида над pMEA, особенно на контактные колодки. Другим возможным источником шума является обычно решение просочились pMEA усилитель контактные колодки. Постоянный шум из-за плохой контакт контакт и/или утечка раствора на контакты колодки обычно могут быть исправлены путем смены позиции pMEA внутри усилителя для получения лучшего контакта и очистки и сушки колодки, соответственно. Если шум не могут быть устранены путем очистки или смещение позиции pMEA, pMEA может потребоваться заменить полностью. (B) представитель запись уровень шума от подмножество pMEA электродов от чистой pMEA с хороший контакт между pMEA и усилитель. Как правило, уровень Средний шума находится в пределах ±16 мкВ. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Примечание: Смотри Рисунок 6
- При тусклом освещении красный место pMEA в МЭС усилитель и закройте защелки усилитель.
- Если разметка не присутствует на pMEA кольцо камеры, etch два «X»-формы знаков на расстоянии около 5 мм друг от друга в районе легко видно из выше с бум стенд монтируется микроскопа.
- Позиции Топ перфузии розетка в камере pMEA и включите клапан верхней перфузии для достижения перфузии приблизительно 3 мл в минуту. Позиция верхнего всасывания на уровне желаемой perfusate (~ 5 мм в глубину) и убедитесь, что он работает.
- Откройте программное обеспечение сбора данных на компьютере приобретение данных и нажмите кнопку «play», чтобы начать получать данные. Обеспечить, чтобы все каналы pMEA бесшумное и записи нервные сигналы.
Если нет, то изменить pMEA внутри усилителя для получения лучшего контакта между усилителя до pMEA контактов (см.
Рисунок 5).
Убедитесь, что в нижней строке перфузии ясно любых воздушных пузырьков и, если это пузырей, включите нижней перфузии клапан для обеспечения в нижней части сетчатки снабжается кислородом и питательными веществами.
Включите высокоскоростной камеры, прикрепленной к Перевернутый оптический микроскоп (10 X увеличение с н.а. о 0,45) и откройте изображений программное обеспечение. Убедитесь, что инвертированным микроскопом осветитель покрыта лист красный фильтр чтобы излучать только красный свет и затем установить светильник на низкий уровень света, чтобы избежать Фотообесцвечивание сетчатки.
- Глядя на живой цифровое изображение с инвертированным микроскопом поле зрения на монитор, наблюдать за нижнюю поверхность pMEA для доказательства того, что решение течет через днище перфузии.
После подтверждения нижней перфузии чтобы быть течет медленно нарастить нижней аспирации, вручную поворачивая ручку вакуумного давления на вакуумные отходов kit соблюдая сетчатки через инвертированным микроскопом. Прекратить, увеличивая всасывания, когда наблюдаемый всасывающая сила действует на сетчатке. Будьте осторожны избежать слишком много или слишком мало всасывания.
После обеспечения нижней всасывание удерживает сетчатки, сетке взвешенное срез взлета сетчатки, используя пинцет и осторожно снимите нейлоновая сетка, пилинг один угол тщательно от сетчатки. Следует отделить, легко оставляя прочно прикреплена к нижней части pMEA с субретинальное поверхности на верхней части сетчатки. Держите перфузии работает около 30 минут, чтобы позволить сетчатки для стабилизации от хирургической травмы.
5. глутамата стимуляции подготовка

Рисунок 7: стеклянные микропипеткой и многопортовых microfluidic устройства. (A) пипетки держатель перед вставкой микропипеткой или устройства. Серебро/серебро хлорид электрода (50 мкм в диаметре) электрически сочетании к адаптеру на конце, чтобы интерфейс с headstage зажим патч. (B) фотография стекло микропипеткой сопряжена с пипеткой держатель расположения давления порт, используемый для инициирования пневматические инъекции. (C) пользовательских многопортовые microfluidic устройство (1 см 1 см 0.134 см) придает пользовательских 3D-печати арматуре и сопряжена с держателем пипеткой через трубу из нержавеющей стали. Устройство, которое было изготовлено в два слоя, имеет восемь microports (диаметр 14 мкм) в нижний слой (340 мкм толщиной) и восемь резервуаров на чипе (диаметром 1,6 мм) для хранения глутамата в верхнем слое (толщиной 1 мм). Самостоятельно каждый из восьми microports в нижнем слое устройства подключен к на чипе водохранилище в верхнем слое через in плоскости микроканальные, и каждый на чипе водохранилище в свою очередь подключен к порту давления инжектора 8-канальный давления через Гибкая трубка разрешить независимое срабатывание microports для узорной мультисайтовой инъекции. (D) крупным планом многопортовые устройства, проведенных пинцет перед подсоединением приборов интерфейс труб, показаны расположения восьми независимо адресуемые на чипе водохранилищ и отверстия трубы. (E) Микрофотография нижней поверхности устройства показаны восемь 14 мкм диаметр microports, расположены в конфигурации 3 x 3 с 200 мкм интервал для выравнивания с электродами pMEA. Восемь вне microports используются для многосайтового инъекции, в то время как Центральный порт использовался исключительно для выравнивания во время изготовления устройства. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Примечание: Смотрите Рисунок 7.
- Подготовка глутамата решение путем смешивания запасов глутамата solutionwith кислородом Эймс средних решение для получения образца 0,5 мл на рабочей концентрации 1 мм глутамата.
- Осторожно вставьте предварительно вытащил 10 мкм диаметр микропипеткой или нержавеющей стальной стержень, подключенного к устройству многопортовые microfluidic в стандартной пипетки держатель, содержащий электрода проволока серебро/серебро хлорида 50 мкм в диаметре.
Примечание: Если импеданс обнаружения не доступен, электрод проволока серебро/серебро хлорид может быть пропущена.
- Интерфейса держателя пипетку с патч зажим headstage и подключите порт luer давления пипеткой держателя к каналу 1 давления системы впрыска, если использование стекла микропипеткой или давления порт luer соединения каждого 8 инъекций порты с каналы 1-8 of давления системы впрыска, если с помощью многопортовых устройств.
- Вручную Включите давления впрыска и включите канал 1 (или каналы 1-8, если это применимо). Убедитесь, что система вентилируемых атмосферу и установить давление впрыска до 0,1 psi.
- Включите микроманипулятор и калибровки, нажав кнопку «Калибровка» на контроллере манипулятора. Расположите микроманипулятор, так, что кончик микропипеткой (или нижней части устройства, если это применимо) примерно 30 мм выше усилитель МПС.
- Заполните небольшой Петри глутамата раствором (1 мм глутамата в стандартной среде Эймс) и поместите его под микроманипулятор. Ниже кончика микропипеткой (или устройства) в раствор и заполнить, нажав на кнопку «Заполнить» на системе нагнетания давления (давление всасывания -13 H2O) до тех пор, пока в микропипеткой стекло видна примерно в 20 мм раствора или многопортовые устройства труб.
- При использовании многопортовое устройство, включите канал 1 инжектор давление покинуть и повторите протокол для каналов 2-8. Поднимите микропипеткой отзыв или устройства из раствора, удалить Петри блюдо и положение микроманипулятор выше pMEA камеры.
- С помощью бум стенд монтируется стереомикроскопом, совместите кончик микропипеткой или углы устройства с опознавательных знаков, выгравированные на pMEA кольцо камеры. Хранить манипулятор позиции в программное обеспечение управления, используя кнопки «Магазин ссылки A» и «Store ссылка B» (или просто отметить манипулятор координаты вручную) для сопоставления системы координат манипулятора с pMEA электродами.
- С помощью программного обеспечения управления манипулятором, выберите целевой pMEA электрод с надежной спонтанной активности и нажмите кнопку «Переместить канал» для выравнивания стекла micropipettewith целевой электрода.
При использовании многопортовое устройство, выровняйте устройство microports с целевой pMEA электродами с надежной спонтанной активности с использованием того же процесса.
6. интерфейс с сетчатки
- Если измерение импеданса доступен, включите патч зажим усилителя и инициировать программного обеспечения для визуализации импеданс, нажав кнопку «Пуск» для визуализации импеданс серебро/серебро хлорид электрода внутри держателя пипеткой. Наблюдая сигналы реального времени импеданс, медленно опустите микропипеткой или устройство до тех пор, пока он связывается поверхности сетчатки, как указано на быстрое увеличение сопротивление сигнал (см. рис. 8). Сохраните или сделать к сведению позицию поверхности сетчатки.
- Если измерение импеданса недоступен, обнаружить контакт с поверхностью сетчатки посредством визуального наблюдения, хотя это будет менее точным. Ниже в пипетку или устройство до тех пор, пока он заметно контакты верхней поверхности решение средних Эймс в зале МПС.
- Затем наблюдая верхней части сетчатки с инвертированным микроскопом, медленно опустите пипетки или устройство до тех пор, пока заметно искажено верхней поверхности сетчатки, который указывает, что контакт был достигнут с поверхности сетчатки. Сохраните или сделать к сведению позицию поверхности сетчатки.
- Для подземных стимуляции, ниже пипеткой еще 40 мкм (для S334ter-3 сетчатки) или 70 мкм (для одичал тип сетчатки).
- Выполнить несколько инъекций короткий срок (10-30 мс), с использованием системы давление впрыска (0,1 psi) для определения если клетки вблизи кончик микропипеткой или microports устройства восприимчивы к стимуляции глутамата, наблюдая нервные сигналы с сбора данных программное обеспечение.
Примечание: Успешное инъекции вызовет ясно видны всплеска ставка взрыв или Спайк ингибирование (см. Рисунок 9). Если ответа не наблюдается, переместите микропипеткой или устройства в другой электрод.

Рисунок 8: измерение импеданса. (A) схема метода измерения импеданса. Используя патч зажим усилителя, импеданс микропипеткой непрерывно контролируется как он медленно опустил к поверхности сетчатки. Когда микропипеткой выше сетчатки, относительно высокой ионной проводимости Эймс среды приводит к низким импедансом чтения. Как микропипеткой делает контакт с поверхности сетчатки, ионной проводимости через провод хлорид серебро/серебро снижается, вызывая быстрое увеличение в измеренное сопротивление. (B) отображение изменений импеданса участок зарегистрировано незадолго до и после контакт кончика пипетки с поверхности сетчатки. Измеренное сопротивление является относительно низким, когда кончик микропипеткой в растворе до контакта (обозначается оранжевой региона на левой стороне). После контакта (указывает красная стрелка и зеленый регион справа), сопротивление быстро увеличивается за счет снижения ионной проводимости при контакте с ткани сетчатки. На практике поверхности сетчатки зарегистрирована как высота соответствующего начала крутой подъем измеренное сопротивление (местоположение красной стрелкой). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 9: электрод нейронной активности во время визуального, спонтанное и глутамата инъекции записей. (A) представитель записей из девяти pMEA электродов, показаны ВЧ-отфильтрованных данных электрода во время визуального светлых стимуляции с зеленый светодиод где каждый прямоугольник показывает нейронной данным уникальный электрода. Каждый электрод записи иллюстрирует данные, собранные в первой секунды после поворота на зеленый светодиод (сроки, показано с оранжевые стрелки в каждом сюжете) с общей шкалой напряжения, показано на левой оси y. Колосья были определены с использованием порогового напряжения-18 мкВ (горизонтальная красная линия в каждом сюжете электрод) и представлены черные следы над данными зеленый электрода. Визуальной стимуляции вызвало всплеск шипы (возбуждение) всех электродов за исключением Топ центр, один, который обладал ингибирующее ответ на свет. (B) подобный сюжет для же электродов, спонтанное нейронной активности без стимуляции визуальный или инъекций. Хотя были меньше очередей, образцы колосья были весьма отличаются от тех, кто записан в ответ на визуальной стимуляции. (C) представитель от то же подмножество электродов записи сразу после инъекции глутамата в центральный электрод (сроки обозначается оранжевые стрелки в каждом участке). Вводят глутамата вызвало всплеск спайков в центральный электрод, который был очень похож на визуально вызвала всплеск очередей. Все другие электроды были затронуты глутамата инъекция, которая демонстрирует хорошо пространственным разрешением техники химического стимуляции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
7. инициировать сетчатки записи и программа по стимулированию экономики
- Восточный зеленый светодиод к верхней поверхности сетчатки. Начните запись, используя программное обеспечение получения данных на компьютере, посвященный запись, введя имя файла и нажмите кнопку «запись».
- После начала записи, откройте программу управления стимул и загрузить файл стимул по умолчанию, нажав кнопку «Чтение стимул файл». Затем нажмите на кнопку «Запустить файл стимул» начать стимул файл по умолчанию, состоящий из протокола приобретение раздражителей и данных, описанных в примечании ниже.
Примечание: (i) 30 испытания 2 на s и 2 s OFF полного поля flash (5 лм/m2 интенсивности) с помощью зеленый светодиод. (ii) 120 s данных без использования зеленый светодиод для записи спонтанная активность сетчатки на аналогичные сроки. (iii) 1 или более наборов глутамата инъекции, состоящий из 30 испытаний инъекции глутамата на 0,1 psi с ms 10-30 инъекций раз (примерно 100-300 pL на инъекцию) и 3 s interpulse длительности. В случае многосайтовой инъекции выберите 2 или более портов придать одновременно.
(iv) 90 s спонтанной активности.
По завершении файл стимула остановить запись (нажав на кнопку «Стоп») для сохранения файла для сортировки и данных анализа будущих Спайк (см. Рисунок 10 например).

Рисунок 10: Peristimulus гистограммы визуальных, спонтанное, и ответы глутамата. (A) представитель peristimulus гистограммы (30 мс binwidth) Спайк данных из подмножества электродов в рис. 9A, в среднем через 20 испытаний визуального светлых стимуляции. Общая шкала ставка Спайк был применен для всех электродов и показано на левой оси y. Черная линия в каждом сюжете электрода представляет средний Спайк ставку для всех шипов, записанный во время первой секунды после включения зеленый светодиод. Как видно, визуальной стимуляции вызвало переходных возбуждающим всплеска темпы ответ на всех электродов за исключением Топ центр электрод, который имели тормозящий переходный к свету. (B) ответы скорость средняя спонтанное Спайк записаны в же электроды без каких-либо визуальных или химические стимуляции. Без стимуляции Спайк тарифы на каждый электрод относительно постоянной. (C) ответы скорость средняя Спайк записаны в же электродов в ответ на глутамата инъекций в месте над центральным электродом. Только переходный очевидным является возбуждающим ответ на электроде непосредственно в месте инъекции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.