신경 회로를 제어 및 분석<em> 생체내에</em> 뇌 영역의 원하는 3 차원 세트에 바이러스 및 기타 시약의 전달 기술에 의해 촉진됩니다. 우리는 복잡한 뇌 회로의 광학 조작을 지원, 사용자 정의 유체 인젝터 배열 제조 및 virally 인코딩된 광 sensitizers의 배달을 보여줍니다.
신경 회로에 대한 우리의 이해 – 크게 빠른 속도로 복잡한 3 유전자를 타겟팅하는 기술을 이용하여 용이 될 – 그들이 보조하다 감각, 생각, 감정, 그리고 행동, 어떻게 그들이 신경 및 정신 장애에 손상이있는 계산을 중재하는 방법 – 의 빠른 생성 활성화 차원 신경 회로, "회로 수준 트렌스 제닉을." 우리는 최근에 빛에 민감한 단백질에 대한 바이러스 인코딩 밀리초 – timescale 활성화 특정 세포 유형을 감광성을하고 그대로 머리에 입을 수있는 방법을 개발했습니다. 우리는 여기에서 뇌의 3 차원 구조 내에서 정의된 포인트 수십하는 바이러스를 (또는 다른 유체) 제공 가능한 인젝터 배열의 설계 및 구현을 제시 (<strong> 그림. 1A, 1B</strong>). 연료 분사 장치를 배열은 polyimide / 융합 – 실리카에 피드를 각 각 드라이브 주사기 세트는 높은 압력 관용 커넥터를 통해 모세관 하나 이상의 변위 펌프로 구성됩니다. 모세 혈관은 크기이며, 다음 stereotactic 위치 보드를 지정 밀링에 의해 지정된 원하는 위치에 삽입, 따라서 바이러스 또는 다른 시약이 뇌 영역의 원하는 집합에 전달 될 수 있도록. 장치를 사용하려면, 외과 먼저 기름을 완전히 유체 서브 시스템을 가득 채우고 바이러스와 모세 혈관을 backfills, 삽입 두뇌에 장치 및 (<0.1 microliters / 분) 천천히 시약을 infuses. 연료 분사 장치를 배열의 병렬 특성은 가벼운 활성화 및 정의 뇌 회로의 입을를 활성화하기 위해 광학 sensitizers 같은 바이러스성 payloads과 전체 신경 회로의 신속 정확하고 안정적인 라벨을 용이하게합니다. 같은 뇌 영역의 원하는 세트 조명 납품을위한 광섬유 어레이와 같은 다른 기술과 함께, 우리는 그대로 머리에 인과 신경 기능의 탐색 체계를 수있는 도구 상자를 만들 수 있도록 최선을 다하겠습니다. 이 기술은 포유류의 회로에 초점을 맞춘 신경 과학 이러한 체계적인 접근을 열고 같은 비 인간 영장류와 같은 큰 동물의 뇌 영역의 라벨 촉진뿐만 아니라 셀 – 특정 광 제어 prosthetics에 대한 임상 translational 경로를 열 수 없습니다 있습니다 누구의 정밀도는 어려운 뇌 질환의 개선 치료를 가능하게 수 있습니다. 마지막으로, 여기에서 설명한 같은 장치가 원활히 수 있습니다 정확하게 – 초과 쉽게 사용자 정의 방식으로 3 차원 구조 이러한 줄기 세포 및 약리 대리인 등 다른 payloads의 유체 전달,.
(예 : 1,4,5,6,7,8 빛을 짧은 펄스에 대한 응답으로, temporally – 정밀한 방식으로 최근에는 유전자 인코딩 광학 sensitizers의 숫자가 활성화되는 뉴런을 활성화하고 생체내의 침묵 , 11). 뉴런은 포유류의 두뇌에 빛을 sensitized있다있는 주요 방법은,에서 마우스에서 원숭이에 이르기까지 동물의 두뇌에 opsins에 대한 인코딩 유전자를 제공할 수있는 등 lentiviruses 및 adeno – 관련 바이러스 (AAV)와 같은 바이러스를 통해이다 안전하고 지속 패션 (예 : 2,9,10). 바이러스는 특히 쥐가 원숭이와 같은 유전자 모델 생물되지 않은 생물, 트렌스 제닉보다 빠른 처리 시간을 허용하고, opsins에 대한 유전자 변형 시나리오에서 가능하지 않을 수 있습니다 높은 표현 수준을 사용 수 있습니다. 여기서 우리는 하나의 수술 단계에서 전체 3 차원 뇌 구조가 virally 유전자를 타겟팅할 수 있도록 신속한 timescale에 만들 수있는 병렬 인젝터 배열, "회로 수준 트렌스 제닉을"보여줍니다. 연료 분사 장치를 배열은 polyimide / 융합 – 실리카에 피드를 각 각 드라이브 주사기 세트는 높은 압력 관용 커넥터를 통해 모세관 하나 이상의 변위 펌프로 구성됩니다. 모세 혈관은 크기이며, 다음 stereotactic 위치 보드를 지정 밀링에 의해 지정된 원하는 위치에 삽입, 따라서 바이러스 또는 다른 시약이 뇌 영역의 원하는 집합에 전달 될 수 있도록. 장치를 사용하려면, 외과 먼저 기름을 완전히 유체 서브 시스템을 가득 채우고 바이러스와 모세 혈관을 backfills, 삽입 두뇌에 장치 및 (<0.1 μL / 분) 천천히 시약을 infuses.
이 기술 (예 : 같은 행동을하는 동안 정확한 시간에 complexly 모양의 구조의 밀리초 – timescale 종료 (예 : 해마 등), redundantly 행위 수 있습니다 양자 구조의 temporally – 정밀 불활 성화와 같은 실험을 새로운 종류의 다양한 활성화됩니다 왼쪽과 오른쪽 편도) 및 위상 밖으로있는 두 지역을 운전 여러 개별 뇌 영역 (예,의 섭동 교차 지역 synchrony 각 지역 내의 활동에 따라 달라집니다 방법을 연구, 또는 일부를 입을 동안 지역으로 입력을 자극하는 ) 몇 가지 목표 중 어느 이러한 입력의 효과를 중재에 대한 중요 이해하기 위해서는 대상으로하고 있습니다. 영장류에서이 같은 큰 두뇌 들어있는 우리는 최근 광학 셀 타입의 특정 신경 활성화 3 behaviorally – 관련 분야에서 활동을 perturbing 것은 크고 복잡한 구조의 바이러스 라벨이 필요할 수 있습니다를 증명하고있다. 마약, neuromodulators, 신경 전달 물질, 심지어 세포 – – 두뇌의 복잡한 3 – D 패턴에 temporally – 정밀한 방식으로 우리는 병렬 인젝터 배열이 거의 모든 페이로드를 삽입하는 데 사용할 수 있습니다. 마지막으로, translational 관점에서 그것은 빠르게, 환자 맞춤형 유전자 치료 또는 약물 전달 장치가 빠르게 될 수도 있습니다 사용자 정의 – 설계 및 잠재적으로의 사용을 통해 pathologies 다양한위한 새로운 치료법을 지원, 각각의 뇌 형상에 맞게 가공 광학 제어 분자.
연료 분사 장치를 배열 양쪽 공간과 volumetrically, 정확하게 설계되었습니다. 에서 X 및 Y – 지시,이 인젝터는 서로 평행하게 개최되도록 인젝터를 맞게 충분 큰 구멍이있는, 저렴한 미니 밀을 사용하여 매우 정확하게 배치 구멍을 시추에 의해 성취, 그리고 정확한에 위치입니다. Z – 방향에서 인젝터는 stereotaxic 수술 자체의에 상응하는 정밀도 수준을 허용, stereotaxic 장치를 사용하여 손질하고 있습니다. 용적 정밀도 해밀턴 펌프의 정밀도뿐만 아니라 고압 액체 크로마 토그래피 (HPLC) 필드에서 적응 거의 제로 죽은 볼륨 커넥터에서 발생한다. 인젝터는 등 철강 cannulas과 같은 대안의 큰 벽 두께없이 강하고 그것이 압력을 받고 정확한 모양과 간격을 유지 충분한 강성이다 융합된 실리카 모세관 튜브에서 만들어집니다. 작은 수정을 쉽게 실험의 다양한 병렬 인젝터 배열을 적응 할 수 있습니다. 바이러 스나 미세한 간격의 작은 볼륨이 필요한 경우 예를 들어, 작은 모세관 튜브는 해당 작은 드릴 비트와 함께, 고용 수 있습니다. 미래의 장치는 (아마도 같은 장치가 자유롭게 이동하는 동물의 머리에 장착할 수 있도록)의 크기를 최소화하기 위해, 병렬 인젝터의 수를 증가, microfluidic 채널과 펌프를 활용 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
ESB는 NIH 원장의 새로운 이노 수상 (OD002002 – 01 DP2), NIH 도전 그랜트 1RC1MH088182 – 01, NIH 그랜드 기회 부여 1RC2DE020919 – 01, NIH 1R01NS067199 – 01, NSF (0835878 및 0848804), 맥거번 연구소 Neurotechnology 보너스 프로그램에 의해 자금 인정 , 국방, NARSAD, 알프레드 P. 슬로안 재단, 제리와 마지 버넷, 신경 과학, MIT 미디어랩, Benesse 재단과 월러스 H. 쿨터 재단의 혁신을위한 SFN 연구 수상의학과.
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 |