RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
tr_TR
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Youjin Lee*1,2, Daeho Ryu*3, Saeyeong Jeon3, Yena Lee1, Yoon Kyung Cho1, Chang-Hyeon Ji1,2, Yong-Kweon Kim3,4, Sang Beom Jun1,2,5
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
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Burada, ışık iletimi için optik fiberlere ve nöral kayıt için bir elektrot dizisine sahip bir optrode sisteminin üretim yöntemini sunuyoruz. Channelrhodopsin-2'yi eksprese eden transgenik farelerle yapılan in vivo deneyler, eşzamanlı optogenetik stimülasyon ve elektrofizyolojik kayıt için sistemin fizibilitesini göstermektedir.
Son on yılda, optogenetik, seçici nöral modülasyon veya izleme konusundaki benzersiz kabiliyeti nedeniyle nöral sinyallemenin araştırılması için önemli bir araç haline gelmiştir. Spesifik nöronal hücre tipleri, opsin proteinlerini eksprese etmek için genetik olarak değiştirilebildiğinden, optogenetik, seçilen nöronların optik stimülasyonunu veya inhibisyonunu sağlar. Optogenetik için optik sistemde çeşitli teknolojik gelişmeler olmuştur. Son zamanlarda, optogenetik stimülasyon veya inhibisyona verilen nöral yanıtları eşzamanlı olarak izlemek için ışık iletimi için optik dalga kılavuzunun elektrofizyolojik kayıt ile birleştirilmesi önerilmiştir. Bu çalışmada, gömülü çok kanallı elektrotlarla implante edilebilir bir optrode dizisi (2x2 optik fiber) geliştirilmiştir.
Işık kaynağı olarak ışık yayan bir diyot (LED) kullanıldı ve optik fiberlerin ucunda yeterli ışık gücü sağlamak için mikrofabrikasyon bir mikrolens dizisi entegre edildi. Optrode dizi sistemi, tek kullanımlık parçayı ve yeniden kullanılabilir parçayı içerir. Tek kullanımlık kısım optik fiberlere ve elektrotlara sahipken, yeniden kullanılabilir kısım ışık kontrolü ve nöral sinyal işleme için LED ve elektronik devrelere sahiptir. İmplante edilebilir optrod dizi sisteminin yeni tasarımı, optrode implantasyon cerrahisi, optogenetik ışık stimülasyonu ve elektrofizyolojik nöral kayıt prosedürüne ek olarak eşlik eden videoda tanıtılmıştır. İn vivo deneylerin sonuçları, farelerin hipokampal uyarıcı nöronlarından gelen ışık uyaranları tarafından uyandırılan zaman kilitli nöral sivri uçları başarıyla gösterdi.
Nöral aktiviteyi kaydetmek ve kontrol etmek, beynin bir sinir ağında ve hücresel seviyelerde nasıl çalıştığını anlamak için gereklidir. Geleneksel elektrofizyolojik kayıt yöntemleri, bir mikropipet kullanılarak yama kelepçesi 1,2,3,4 ve mikronöral elektrotlar 5,6,7,8 kullanılarak hücre dışı kaydı içerir. Bir nöromodülasyon yöntemi olarak, elektriksel stimülasyon, nöronal hücrelerin doğrudan veya dolaylı depolarizasyonu yoluyla fokal bir beyin bölgesini doğrudan uyarmak için sıklıkla kullanılmıştır. Bununla birlikte, elektriksel yöntem, kayıt veya stimülasyon için nöronal hücre tiplerini ayırt edemez, çünkü elektrik akımları her yöne yayılır.
Gelişmekte olan bir teknoloji olarak, optogenetik, sinir sisteminin nasıl çalıştığını anlamada yeni bir çağ başlattı 9,10,11,12,13,14,15,16. Optogenetik tekniklerin özü, genetiği değiştirilmiş hücreler tarafından eksprese edilen ışığa duyarlı opsin proteinlerinin aktivitesini kontrol etmek için ışığı kullanmaktır. Böylece, optogenetik, karmaşık nöral devrelerde genetik olarak seçilmiş hücrelerin sofistike modülasyonunu veya izlenmesini sağlar14,17. Optogenetik yaklaşımın daha geniş kullanımı, optik nöromodülasyonu doğrudan doğrulamak için eşzamanlı nöral kayıt gerektirmiştir. Bu nedenle, ışık kontrolü ve kayıt işlevlerine sahip entegre bir cihaz son derece değerli olacaktır 16,18,19,20,21,22,23,24,25.
Geleneksel, lazer tabanlı optogenetik stimülasyonun sınırlamaları vardır, bu da hantal ve pahalı bir ışık dağıtım sistemi gerektirir 26,27,28,29,30. Bu nedenle, bazı araştırma grupları, ışık dağıtım sisteminin boyutunu en aza indirmek için μLED tabanlı silikon problar kullandı31,32,33,34. Bununla birlikte, LED'lerin düşük enerji dönüşüm verimliliği nedeniyle μLED'lerle doğrudan temasın neden olduğu termal beyin hasarı riski vardır. Optik fiberler, SU-8 ve silikon oksinitrür (SiON) gibi hafif dalga kılavuzları, termal hasarı önlemek için uygulanmıştır 30,35,36,37,38,39. Bununla birlikte, bu stratejinin ışık kaynakları ve dalga kılavuzları arasındaki düşük bağlantı verimliliği nedeniyle de bir dezavantajı vardır.
Mikrolens dizisi daha önce LED'ler ve optik fiberler arasındaki ışık bağlantısı verimliliğini artırmak için tanıtılmıştı40. Optik stimülasyon ve mikro ölçekte elektriksel kayıt için mikroelektromekanik sistemler (MEMS) teknolojilerine dayanan bir optrode sistemi geliştirilmiştir40. LED ve optik fiberler arasındaki mikrolens dizisi, ışık verimliliğini 3,13 dB artırdı. Şekil 1'de gösterildiği gibi, 4x4 mikrolens dizisi üzerinde 2x2 optik fiber dizisi hizalanır ve LED, mikrolens dizisinin altına yerleştirilir. Beyin hasarını azaltmak için 4x4 yerine 2x2 optik fiberler monte edilir. Bir tungsten elektrot dizisi, elektrofizyolojik kayıt için delikler yoluyla silikon kullanılarak optrode dizisine bitişik olarak konumlandırılmıştır (Şekil 1B).
Sistem tek kullanımlık üst kısım ve sökülebilir alt parçalardan oluşmaktadır. Optik fiber dizisini, mikrolens dizisini ve tungsten elektrot dizisini içeren üst tek kullanımlık kısım, in vivo deneyler için beyne kalıcı olarak implante edilmek üzere tasarlanmıştır. Alt kısımda bir LED ışık kaynağı ve başka bir hayvan deneyi için kolayca çıkarılabilen ve yeniden kullanılabilen harici bir güç kaynağı hattı bulunur. Takılabilir plastik kapak, çıkarılabilir parça çıkarıldığında tek kullanımlık parçayı korur.
Sistemin fizibilitesi, Ca 2 + / kalmodüline bağımlı protein kinaz II-pozitif nöronlarda (CaMKIIα: : ChR2 fare) channelrhodopsin-2'yi (ChR2) eksprese eden transgenik farelerin beyinlerine implantasyon ile doğrulanır. Kayıt elektrotları, nöronların optik stimülasyonu sırasında bireysel nöronlardan gelen nöral aktiviteleri kaydetmek için kullanıldı.
Hayvan bakımı ve cerrahi prosedürler, Ewha Womans Üniversitesi'ndeki Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (IACUC) tarafından onaylanmıştır (no. 20-029).
1. Bir optrode dizisinin hazırlanması (Şekil 1 ve Şekil 2)
2. İmplantasyon cerrahisi (Şekil 3 ve Şekil 4)
NOT: Ameliyat sırasında steril teknik izlenmelidir.
3. İyileşme ve implant bakımı
4. Optogenetik stimülasyon ve elektrofizyolojik kayıt
5. Veri analizi
(1)6. Ötenazi
Optrode sistemi, hedef nöronları aktive etmek için yeterli ışık gücü sağlamak için başarıyla üretilmiştir. Tungsten elektrotlarının ince hizalaması, mikrofabrikasyon silikon yoluyla delikler yoluyla elde edilir. 50 mA akım uygulandığında optik fiber ucunda ölçülen ışık yoğunluğu 3,6 mW/mm2'dir . Mikrolens, ışık verimliliğini 3,13 dB artırdı. Işık bağlantısını geliştiren mikrolens dizisi nedeniyle, uygulanan akım, mikrolens dizi sistemi olmadan aynı ışık yoğunluğunu elde etmek için gereken akımın yaklaşık yarısıdır. LED daha fazla akımla daha fazla ısı ürettiğinden, cihazın ısısını düşürmek için mikrolens dizisini kullanmak açıkça avantajlıdır. 4 elektrotun ortalama empedansı, aksiyon potansiyellerinin tespiti için yeterince düşük olan 1 kHz frekansta 71.39 kΩ idi. Ayrıca, optrode dizisi, maliyeti düşürmek ve implantasyonun toplam ağırlığını en aza indirmek için tek kullanımlık ve yeniden kullanılabilir parçalardan oluşur. Tek kullanımlık parçanın ağırlığı ~ 0.58 g'dır.
ChR2 eksprese eden nöronları doğrudan uyarmak için bir CaMKIIα::ChR2 faresi kullanıldı ve Şekil 6'da gösterildiği gibi uyarılan nöral sivri uçlar başarıyla kaydedildi. Kaydedilen tüm dalga formlarını, ortada 2 s ışık açma periyodu da dahil olmak üzere kesin koşullarla gösterdik (Şekil 6A). Ham veri sinyalinden ani sıralama, özel yapım bir MATLAB kaynak kodu kullanılarak gerçekleştirildi. Toplam nöral aktivite, iki farklı birim ayrıldıktan sonra analiz edildi. Her ışık stimülasyon darbesini takiben uyarılan bireysel nöral sivri uçların sayısı, 2 s ve 0.2 s'lik farklı zaman kutuları ile taban çizgisine (Şekil 6A, B) kıyasla önemli ölçüde artmıştır. Sonuç olarak, optogenetik stimülasyonun nöronlar üzerindeki net etkisini tanımlayabiliriz.

Resim 1: Optrode dizisi ve mikrolens dizisinin şematik diyagramı. (A) 3B şematik görünüm ve kesitsel görünüm; (B) 4X4 mikrolens dizisinin ve silikon vias'ın SEM görüntüsü. Ölçek çubuğu = 1 mm (B). Kısaltma: LED = ışık yayan diyot. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Optrode sisteminin cihaz prototipi . (A) Sistemin tüm görünümü. (B) Optrode dizisinin genişletilmiş görünümü. Ölçek çubukları = 5 mm (A), 2 mm (B). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: İmplantasyon cerrahisi . (A) Kafatası açığa çıkarılır ve periost çıkarılarak temizlenir. (B) Hedef beyin bölgesi açığa çıkarıldı ve beyincik üzerine topraklama vidası yerleştirildi. (C) Optrode dizisi, derinliği hedeflemek için beyne yerleştirildi. Zemin elektriksel olarak bağlandı. (D) Cihazı sabitlemek için diş çimentosu uygulanır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Yönetim, işlem ve in vivo deney zaman çizelgesinin şematik diyagramı. Bu şeklin daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Resim 5: Elektrofizyolojik kayıt sisteminin deneysel kurulumu . (A) LED ışığı kapalı, (B) LED ışık yanıyor. Kısaltma: LED = ışık yayan diyot. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: Elektrofizyolojik kayıt sonuçları . (A) Nöral kaydın temsili dalga formları ve iki ışık uyaranını (mavi çubuklar) ve sıralanmış sivri uçları (kırmızı ve siyah ok uçları) gösteren kırmızı kesikli dikdörtgen içinde genişlemiş dalga formu. (B) Işık stimülasyonu öncesinde, sırasında ve sonrasında her kanal için ani histogram. Dahili şekil, implante edilmiş optrode dizisinin yerini gösterir. (C) 100 ms zaman bölmeli ani histogram. Mavi çubuk, LED ışığının yanma süresini gösterir. Kısaltma: LED = ışık yayan diyot. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Yazarların açıklayacağı bir çıkar çatışması yoktur.
Burada, ışık iletimi için optik fiberlere ve nöral kayıt için bir elektrot dizisine sahip bir optrode sisteminin üretim yöntemini sunuyoruz. Channelrhodopsin-2'yi eksprese eden transgenik farelerle yapılan in vivo deneyler, eşzamanlı optogenetik stimülasyon ve elektrofizyolojik kayıt için sistemin fizibilitesini göstermektedir.
Bu araştırma, Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) aracılığıyla İnsanın Güçlendirilmesi için Yakınsak Teknoloji Ar-Ge Programı tarafından, Bilim ve BİT Bakanlığı (NRF-2019M3C1B8090805) tarafından finanse edilmiş ve Kore hükümeti (MSIT) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibesi (no. 2019R1A2C1088909) tarafından desteklenmiştir. Seung-Hee Lee'nin KAIST, Daejeon, Kore'deki Biyolojik Bilimler Bölümü'ndeki laboratuvarına, transgenik fareleri nazik bir şekilde sağladıkları için teşekkür ederiz.
| 5 pimli Konnektör | NW3 | HD127K | 1,27 mm (.050") aralık |
| Bovie | Fine Science Tools(FST) | 18010-00 | Yüksek Sıcaklık Koter |
| Kiti Veri Toplama Yazılımı | Intan Technologies, LLC | USB Arabirim Kartı yazılımı | RHD USB Arabirim Kartı ile çalışın |
| Dental Çimento | Lang Dental Manufacturing Company, Inc. | 1223CLR | Jet protez onarım paketinde Jet Sıvı ve toz kullanın |
| Dijital Manipülatör Kol | Çalma A.Ş. | 51904/51906 | Sol, Sağ her biri Dijital Manipülatör Kolu, 3 Eksenli, Eklenti |
| Jel Köpük | Cutanplast | Standart (70*50*10 mm) | Hemostatik etkiye sahip steril yeniden emilebilir jelatin sünger |
| Headstage Preamplifier | Intan Technologies, LLC | #C3314 | RHD 16 Kanallı Kayıt Headstages |
| Isıtma Yastığı | Stoelting Co. | 53800R | Çalgı Kemirgen Isıtıcı X1 Sıçan Isıtma Yastığı ile |
| LED | OSLON | GB CS8PM1.13 | λ typ. 470 nm, Görüş açısı 80 ° C, İleri gerilim 2,85 V |
| MATLAB | MathWorks, Inc. | R2019a | |
| Mikro Kelepçe | SURGIWAY | 12-1002-04 | Düz tip, Tırtıklı ince DIEFFENBACH droite 3,5 cm |
| Fiber Optik | Thorlabs, Inc. | FT200UMT | 0.39 NA, ø 200 &mikro; m Çekirdek Çok Modlu Optik Fiber, 300 - 1200 nm |
| PFA Kaplı Tungsten Tel | Sistemi | için Yüksek OHÖzel sipariş | edilen Çubuk tipi, & Oslash; 101.6 & mu; m (.004 ") |
| Fotodiyot | Thorlabs | S121C | |
| güç ölçer | Thorlabs Inc. | PM100D | |
| Hassas balta | FITEL | S326 | Fiber dilimleyici aracı |
| Prizma | GraphPad | 5.01 sürümü | |
| Neşter | Tüy ve ticaret; | # 20 | 100 mm uzunluğunda Neşter Saplı vida ile neşter bıçağı |
| Nasa Kore | paslanmaz çelik | çapı: 1,2 mm, uzunluk: 3 mm | |
| Gümüş Tel | Nilaco Corporation | AG-401265 | & Oslash; 200 & mikro; m |
| Stereotaksik Fxrame | Çalma A.Ş. | 51500D | Dijital yeni standart stereotaksik, sıçan ve fare |
| sütür | ETHICON | W9106 | sütür boyutu: 4-0, uzunluk: 75 cm, tel çapı: 4-0 |
| Vaseline | Unilever PLC | Orijinal | % 100 saf petrol jeli |
| Wave_Clus | N/A | N/A |