Method Article

Массив Optrode для одновременной оптогенетической модуляции и электрической нейронной записи

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

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

Здесь мы представляем метод изготовления оптроодной системы с оптическими волокнами для доставки света и электродной решеткой для нейронной записи. Эксперименты in vivo с трансгенными мышами, экспрессирующими каналродопсин-2, показывают целесообразность системы одновременной оптогенетической стимуляции и электрофизиологической регистрации.

Abstract

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

В течение последнего десятилетия оптогенетика стала важным инструментом для исследования нейронной сигнализации из-за ее уникальной способности селективной нейронной модуляции или мониторинга. Поскольку определенные типы нейронных клеток могут быть генетически модифицированы для экспрессии белков опсина, оптогенетика позволяет оптическую стимуляцию или ингибирование выбранных нейронов. Было несколько технологических достижений в оптической системе для оптогенетики. Недавно было предложено объединить оптический волновод для доставки света с электрофизиологической записью для одновременного мониторинга нейронных реакций на оптогенетическую стимуляцию или ингибирование. В этом исследовании была разработана имплантируемая матрица оптродов (оптические волокна 2x2) со встроенными многоканальными электродами.

В качестве источника света использовался светодиод (LED), а микрофабрикированная микролинзированная матрица была интегрирована для обеспечения достаточной мощности света на кончике оптических волокон. Система массива optrode состоит из одноразовой и многоразовой частей. Одноразовая часть имеет оптические волокна и электроды, в то время как многоразовая часть имеет светодиодную и электронную схему для управления светом и обработки нейронных сигналов. Новый дизайн имплантируемой системы массива оптродов представлен в сопроводительном видео в дополнение к процедуре имплантации оптрода, оптогенетической световой стимуляции и электрофизиологической нейронной записи. Результаты экспериментов in vivo успешно показали зафиксированные во времени нейронные всплески, вызванные световыми раздражителями от возбуждающих нейронов гиппокампа мышей.

Introduction

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

Запись и контроль нейронной активности необходимы для понимания того, как мозг функционирует в нейронной сети и на клеточном уровне. Традиционные электрофизиологические методы записи включаютзажим пластыря 1,2,3,4 с использованием микропипетки и внеклеточную запись с использованием микронейральных электродов 5,6,7,8. В качестве метода нейромодуляции электрическая стимуляция часто используется для прямой стимуляции....

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

Protocol

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

Уход за животными и хирургические процедуры были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC) в Женском университете Ихва (No 20-029).

1. Подготовка массива оптродов (рисунок 1 и рисунок 2)

  1. Подключите оптические волокна с помощью матрицы микролинз.
    1. Снимите пассивационное покрытие оптического волокна и разрежьте его на куски длиной 5 мм с помощью прецизионного тесака оптического волокна.
    2. Окуните оптическое волокно в прозрачную УФ-смолу и поместите оптические волок....

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

Results

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

Система оптродов успешно изготовлена для обеспечения достаточной световой мощности для активации целевых нейронов. Тонкое выравнивание вольфрамовых электродов достигается за счет микрофабрикатного кремния через отверстия. Измеренная интенсивность света составляет 3,6 мВт/мм2 на наконечнике оптического волокна при подаче тока 50 мА. Микролинза увеличила светоотдачу на 3,13 дБ. Благодаря матрице микролинз, которая усиливает световую связь, приложенный ток составляет примерно половину тока, необходимого для дости.......

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

Discussion

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

Проверена целесообразность системы одновременной оптогенетической стимуляции и электрофизиологической регистрации (рисунок 6). Большие всплески во время световой стимуляции представляют собой фотоэлектрические артефакты, происходящие одновременно со световой стимуляцией (рисунок 6А). Это видно в увеличенном виде формы сигнала в красном пунктирном прямоугольнике (рисунок 6A). Как показано на рисунке 6А, .......

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

Disclosures

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

У авторов нет конфликта интересов для раскрытия.

Acknowledgements

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

Это исследование было поддержано Программой исследований и разработок в области конвергентных технологий для увеличения человека через Национальный исследовательский фонд Кореи (NRF), финансируемым Министерством науки и ИКТ (NRF-2019M3C1B8090805) и поддержано грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (MSIT) (No 2019R1A2C1088909). Мы благодарим лабораторию Сын Хи Ли в Департаменте биологических наук, KAIST, Тэджон, Корея, за любезное предоставление трансгенных мышей.

....

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
5-контактный разъемNW3HD127Kс шагом 1,27 мм (.050")
BovieFine Science Tools(F.S.T)18010-00Высокотемпературный набор для прижигания
Программное обеспечение для сбора данныхIntan Technologies, LLCПрограммное обеспечение для USB-интерфейсной платыРабота с правой правой стороной USB Интерфейсная плата
Dental CementLang Dental Manufacturing Company, Inc.1223CLRИспользуйте струйную жидкость и порошок в пакете для ремонта струйных зубных протезов
Digital Manipulator ArmStoelting Co.51904/51906Левая, правая каждая рука цифрового манипулятора, 3-осевая, дополнительная
гелевая пенаCutanplastStandard (70*50*10 мм)Стерильная рассасывающаяся желатиновая губка с гемостатическим эффектом
Предусилитель HeadstageIntan Technologies, LLCRHD 16-канальная запись Headstage
ГрелкаStoelting Co.53800RГрелка для грызунов X1 с грелкой для крыс
LEDOSLONGB CS8PM1.13λ тип. 470 нм, угол обзора 80 °, прямое напряжение 2,85 В
MATLABMathWorks, Inc.R2019a
МикрозажимSURGIWAY12-1002-04Прямой тип, Serre-fine DIEFFENBACH droite 3,5 см
Оптическое волокноThorlabs, Inc.FT200UMT0,39 NA, Ø 200 µ m Сердечник многомодового оптического волокна, высокий OH для 300 - 1200 нм
Вольфрамовая проволока с покрытием PFAA-M Системапо индивидуальному заказуТип стержня, Ø 101.6 μ m (.004")
ФотодиодThorlabsS121C
измеритель мощностиThorlabs Inc.PM100D
Прецизионный тесакFITELS326Инструмент для слайсера
волокна PrismGraphPadверсия 5.01 Скальпель
Feather™#20Лезвие скальпеля с винтовой ручкой скальпеля длиной 100 мм
Nasa Koreaнержавеющая стальдиаметр: 1,2 мм, длина: 3 мм
Серебряная проволокаNilaco CorporationAG-401265Ø 200 &; m
Stereotaxic FxrameStoelting Co.51500DЦифровой новый стандартный стереотаксический, крысиный и мышиный
шовный материалETHICONW9106размер шовного материала: 4-0, длина: 75 см, диаметр проволоки: 4-0
VaselineUnilever PLCOriginal100% чистый вазелин
Wave_Clusн/д н/д https://github.com/csn-le/wave_clus
#C3314

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