控制和分析的神经回路<em>在体内</em>将有助于为提供所需的3维的大脑区域的病毒和其他试剂技术。我们展示定制流体喷射器阵列制造,并交付维拉利编码的光学增敏剂,使光学操纵复杂的大脑回路。
我们了解神经回路 – 他们如何调解,对…有感觉,思想,情感,和行动,以及它们是如何在神经和精神疾病的损坏计算 – 将极大地促进由技术,用于快速定位的基因复杂的3 – 三维神经电路,使快速创作的“电路级的转基因。”我们最近开发的光敏感蛋白编码病毒能够认识到毫秒的时间刻度激活特定的细胞类型和完整的大脑沉默的方法。我们在座的喷油器阵列内提供的病毒(或其他液体)几十个定义点的三维结构的大脑的设计和实施(<strong>图。 1A,1B</strong>)。喷油器阵列由一个或多个排量泵通过高压容错连接器,每个驱动器的注射器,其中每个饲料成聚酰亚胺/熔融硅毛细管。毛细血管的大小,然后插入到所需的位置,通过自定义铣立体定位板指定,从而使病毒或其他试剂被传递到大脑区域所需的设定。要使用的设备,医生首先填充流体子系统完全符合石油,回填与病毒的毛细血管,进入大脑中插入的设备,慢慢注入试剂(<0.1微升/分钟)。喷油器阵列的并行性,有利于快速,准确,稳健和整个神经回路与光增敏剂,如病毒有效载荷的标签,使定义的大脑回路的光激活和沉默。除了与其他技术,如光传递到大脑区域所需设置的光纤阵列,,我们希望创造一个工具箱,使因果完整的大脑的神经功能系统的探测。这项技术不仅可以开放电路集中在哺乳动物神经科学等系统的方法,并促进在非人类灵长类动物,如大动物的大脑区域的标签,但也可能开辟细胞特异的光学控制假肢的一个临床平移路径,其精度可以使改善顽固性脑部疾病的治疗。最后,这里描述的这种设备可方便精确定时的流体提供的其他有效载荷,例如干细胞和药理代理人,在一个易于用户定制的时尚,三维结构。
近年来,基因编码的光学增敏剂已启用神经元被激活, 并在体内沉默在时间上精确的方式,在简短的光脉冲响应(例如,1,4,5,6,7,8 ,11)。通过与神经元已认识到光在哺乳动物的大脑,是一个关键的方法,如慢病毒和腺相关病毒(AAV)的病毒,它可以提供从老鼠到猴子的动物大脑中的视蛋白编码基因,在安全和持久的方式( 如 2,9,10) 。允许更快的周转时间比转基因的病毒,特别是生物,遗传模式生物如老鼠和猴子,和视蛋白可能使高表达水平,可能无法在转基因的情况下可能。在这里,我们展示了一个平行的喷油器阵列能够创造一个快速的时间表,“电路级转基因”,使整个三维大脑结构被病毒基因的目标在一个单一的手术步骤。喷油器阵列由一个或多个排量泵通过高压容错连接器,每个驱动器的注射器,其中每个饲料成聚酰亚胺/熔融硅毛细管。毛细血管的大小,然后插入到所需的位置,通过自定义铣立体定位板指定,从而使病毒或其他试剂被传递到大脑区域所需的设定。要使用的设备,医生首先填充流体子系统完全符合石油,回填与病毒的毛细血管,进入大脑中插入的设备,慢慢注入试剂(<0.1μL/分钟)。
这项技术将使新品种的实验,如毫秒时间尺度(如海马)关闭complexly形结构过程中的行为在精确的时间,时间精确灭活双边冗余结构,可能会采取行动,种类繁多(如左,右杏仁核),和扰动的多个离散的大脑区域相驾驶两个相连的区域(例如,研究如何跨区域同步取决于每个区域内的活动后,或刺激输入到一个地区,而沉默的一个子集的目标,以了解其中的几个目标是调解这些投入的效果的关键)。像那些在灵长类动物的大脑,在我们最近表现出光的特定细胞类型的神经激活3,在行为上相关领域的活动的干扰,可能需要大,结构复杂的病毒标签。我们注意到,可用于几乎所有的有效载荷 – 注入药物,神经调质,神经递质,或者甚至细胞 – 在时间上精确地在大脑中复杂的3 – D模式,并行喷油器阵列。最后,从翻译的角度来看,它可以迅速,病人定制的基因治疗或药物输送装置,可迅速定制设计和制造,以满足个人的大脑形状,支持了各种病症的新疗法可能通过使用的,光控分子。
喷油器阵列设计要精确,在空间和体积。在X和Y方向,这是通过钻洞,非常准确地放置使用一种廉价的小型轧机,只是足够大,以适合的喷油器,喷油器,使彼此平行举行的孔,并在一个精确的位置。在Z方向,喷油器被修剪使用立体定位仪,允许立体定向手术本身的精度水平相当于。体积精密来自汉密尔顿泵的精度,以及接近零死体积连接器,从适应的高压液相色谱(HPLC)字段。喷油器是由熔融石英毛细管,这是强大的和足够的刚性,它保持压力下的精确形状和间距,没有替代品,如钢套管的壁厚较大。小的修改,可以很容易地适应各种实验并行的喷油器阵列。例如,如果需要体积更小的病毒或更细间距,可以聘用较小的毛细管,连同相应的较小的钻头。未来的设备可以利用微流体通道和泵,增加平行喷射器的数量,以减少大小(也许使这些设备装上自由移动的动物负责人)。
The authors have nothing to disclose.
ESB的承认的美国国立卫生研究院主任的新的创新奖(DP2 OD002002 – 01),美国国立卫生研究院的挑战格兰特1RC1MH088182 – 01,美国国立卫生研究院大机会格兰特1RC2DE020919 – 01,美国国立卫生研究院1R01NS067199 – 01,美国国家科学基金会(0835878和0848804)的麦戈文研究所神网奖“计划的资助部,国防,NARSAD,Alfred P. Sloan基金会,杰里和玛吉伯内特,神经,麻省理工学院媒体实验室,贝尼塞基金会,和华莱士阁下科尔特基金会SFN创新研究奖。
Material Name | Type | Company | Catalogue Number | Comment |
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Dremel Tool | Tool | Dremel | 3956-02 | |
Laser Cutter | Tool | Universal Laser Systems | VLS2.30 | |
Hot glue gun | Tool | Stanley Bostitch | GR20 | |
Injection/withdrawal syringe pump (Hamilton pump) | Tool | Harvard Apparatus | 702001 | |
10 μl Hamilton syringes | Tool | Hamilton Company | 701N | Need one per injection site |
Mouse stereotax | Tool | Stoelting | 51725D | |
Modela mini-mill | Tool | Roland | MDX-15 | |
0.011″ diameter drill bit for mini mill | Tool | Mcmaster-Carr | 8915A12 | |
1/32″ diameter drill bit For mini-mill | Tool | McMaster-Carr | 8848A35 | |
High speed dental drill | Tool | Lynx | 333 | |
Dental drill accessories | Tool | Pearson | F 35-08-25 F 35-07-10 P 86-02-38 |
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1.5mm outer diameter (OD) stainless steel cannula | Material | Small-Parts | HTX-15R | |
1-72 binding slotted machine screw | Material | Small-Parts | MX-0172B | |
1-72 hex nut | Material | Small-Parts | HNX-0172 | |
PCB proto-board, 1/32″ thick | Material | Digi-Key | PC57-T-ND | |
Acrylic Sheet, 1/8″ thick | Material | Mcmaster-Carr | 8560K239 | |
HPLC connectors | Material | Upchurch Scientific | F-252, P-627, P-200, P-235, F-240 (some of these can be bought in 10-packs; simply add an ‘x’ to the end of the part number) | Need one per injection per site, except F-252, P-627, and P-235, which can be reused |
Fused silica capillary tubing, OD: 245 μm, ID: 100 μm | Material | Polymicro Technologies | 2000022-10M | |
5-minute general purpose epoxy | Material | Permatex | 84101 | 5-minute general purpose epoxy |
Polyethylene tubing .066 x .095 inch | Material | VWR | 63018-827 |