Method Article

Eşzamanlı Optogenetik Modülasyon ve Elektriksel Nöral Kayıt için Optrode Dizisi

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

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

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.

Abstract

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

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.

Introduction

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

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.

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

Protocol

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

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)

  1. Optik fiberleri mikrolens dizisine takın.
    1. Optik fiberin pasivasyon kaplamasını çıkarın ve hassas bir optik fiber kırıcı kullanarak 5 mm uzunluğunda parçalara ayırın.
    2. Optik fiberi şeffaf UV reçinesine batırın ve optik fiberleri mikrolens dizisine yerleştirin.
    3. UV lambası kullanarak reçineyi kürleyin.
    4. Epoksi kullanarak mikrolens dizisini 3D baskılı muhafazaya takın.
  2. Perfloroalkoksi (PFA) kaplı tungsten telleri hizalayın.
    1. 4 adet 30 mm uzunluğunda PFA tungsten tel ve 1 gümüş teli 5 pimli, 1,27 mm aralıklı dişi konektöre lehimleyin. Referans elektrodu olarak gümüş tel kullanın.
    2. 1,27 mm aralıklı dişi konnektörü baş ön amplifikatörüne bağlayın.
    3. Tungsten elektrotlarının ince hizalanmasına yardımcı olmak için tungsten tellerini silikondan deliklerden dikkatlice yerleştirin (Şekil 1B).
    4. Hizalanmış tungsten telleri optik fiber uzunluğundan 1 mm daha kısa kesin.
    5. Epoksi kullanarak konektörü 3D baskılı muhafazaya takın.
  3. LED yerleşimi
    1. LED'i 3D baskılı muhafazaya yerleştirin.
    2. LED'i, darbe genişliği modülasyonu (PWM) üreten sürüş devresine bağlayın.
      NOT: PWM darbesi mikrodenetleyici tarafından oluşturulur.
    3. LED sürüş devresinin neden olduğu gürültü göz önüne alındığında, kayıt elektrotlarının LED sürüş devresinden 50 mm uzakta olduğundan emin olun.
    4. Bir fotodiyot kullanarak optik fiber ucun ucundaki ışık yoğunluğunu ölçün.
  4. Tungsten elektrotları ve optik fiberleri 15 dakika boyunca alkole batırın. Daha sonra sistemi steril D.I suya batırın ve etilen oksit gazı ile sterilize edin.

2. İmplantasyon cerrahisi (Şekil 3 ve Şekil 4)

NOT: Ameliyat sırasında steril teknik izlenmelidir.

  1. Spesifik nöronal hücre tipinde ışığa duyarlı opsin proteinlerini eksprese etmek için genetik olarak modifiye edilmiş transgenik hayvanları hazırlayın.
    NOT: Bu çalışmada Ca 2+/calmodulin-dependent protein kinaz II-pozitif nöronlarda (CaMKIIα::ChR2 fare) channelrhodopsin-2 (ChR2) eksprese eden 2 aylık transgenik fare41 kullanıldı.
  2. Fareyi intraperitoneal uygulama ile bir ketamin-ksilazin kokteyli - ketamin (100 mg / kg) ve ksilazin (10 mg / kg) karışımı - ile anestezi altına alın.
    1. Bıyık hareketini ve pençe sıkışmasına tepkiyi izleyerek anestezi uygulanan hayvanı her 30 dakikada bir kontrol edin.
    2. Ek anestezi gerekiyorsa, ketamin-ksilazin kokteylini başlangıç dozunun yarısında enjekte edin.
  3. Kafa derisini tıraş edin ve anestezi uygulanan fareyi stereotaktik çerçeveye yerleştirin.
    NOT: Cerrahi deri hazırlığı ve örtü hayvanı yapın. Cilt hazırlığı, epilasyonun ardından cildin antimikrobiyal ajanlarla temizlenmesini içerir.
    1. Kafayı stereotaktik çerçeve içine yerleştirin ve kulak çubuklarını meatusun içine yerleştirin.
    2. Tam konumlandırma için kulak çubuklarını tekrar tekrar gevşetip sıkarak fare kafasını stereotaktik çerçevede ortalayın.
    3. Kesici çubuğu, üst kesici dişler ön iç kenarın üzerine takılacak şekilde yerleştirin.
    4. Kesici çubuğun yüksekliğini ayarlamak için kesici çubuğu ayarlayın ve burun kelepçesini buruna doğru sıkın.
    5. Cerrahi prosedürler boyunca vücut ısısını 37 ° C'de tutmak için stereotaktik çerçeveye gömülü termal ısıtma yastığını önceden açın.
    6. Homeotermik düzenleme için termal probu farenin rektumuna yerleştirin.
      NOT: Kulak çubuğu yerleşimi, burnu hafifçe kavrayıp sallayarak kontrol edilmelidir. Burun yanal olarak ~4 mm'den fazla hareket ettirilebiliyorsa kulak çubuğu yeniden ayarlanmalıdır.
  4. Kuruluğu önlemek için gözleri petrol jölesi ile örtün (Malzeme Tablosuna bakınız).
  5. Kafa derisine% 1 lidokain enjekte edin. Başın derisini forsepslerle kaldırın, bir enjeksiyon boşluğu tutun ve lidokaini kafa derisinin altına enjekte edin.
  6. Bir neşter ve ince makas kullanarak sagital bir kesi yapın. Cerrahi alanın görünürlüğünü genişletmek için kesilmiş cildi bir mikrokelepçe ile tutun.
    NOT: Kesi uzunluğu, interparietal kemiğin bregma ve kaudal kenarının <1 cm üzerindedir.
  7. Periosteumu pamuklu çubuklarla çıkarın. Kanama varsa, kan damarlarını kapatmak için bir bovie kullanarak kafatasını koterize edin.
  8. Kafatasını salinle temizleyin ve manipülatör bir kol kullanarak kraniyotomi bölgelerini işaretleyin: hipokampus Anterior-Posterior (AP) -1.8 ila -2.8 mm, Medial-Lateral (ML) 0.5-2.5 mm ve Dorsal-Ventral (DV) -1 ila -2 mm.
    NOT: Fare kafatasının kalınlığını göz önünde bulundurarak, optrode dizisini -1,2 ila -2,2 mm arasında maruz kalan beyin bölgesinden yerleştirin. Hipokampal yol göz önüne alındığında, CA3'ün piramidal hücreleri aksonlarını CA1'e gönderir. Bu nedenle, optik fiberler kayıt elektrotlarından 1 mm daha uzundur, böylece optik fiberler CA3'e ve kayıt elektrotları CA1'e yerleştirilir.
  9. Beyinciğin üzerinde bir delik açın ve toprak için bir vida yerleştirin. Topraklama vidasını, beyinciğin tepesine ulaşana kadar hassas bir vida ile 0,5 mm derinliğe yerleştirin.
    NOT: Diş çimentosunun yapışması için üç boyutlu yüzeyi arttırdığından, implantasyonun uzun vadeli stabilitesini en üst düzeye çıkarmak için bir toprak elektrodu ve destekleyici bir yapı olarak kullanılacak olan vidanın sıkıca yerleştirildiğinden emin olun.
  10. İşaretli alanı delin ve kafatasının bir parçasını forseps ile çıkarın.
  11. 26 G'lık bir iğne ucunu saat yönünde 120 ° 'ye bükün ve iğnenin yukarı bakan eğim tarafını yerleştirerek beyin bölgesini açığa çıkarın. Beyne ve kan damarlarına zarar vermemeye dikkat edin.
  12. Kemik tozunu ve yabancı maddeleri temizlemek için maruz kalan beyni tuzlu suyla temizleyin.
  13. Optrode dizisini manipülatör koluna sabitleyin ve maruz kalan bölgeye yaklaşın.
    NOT: Cihazı yerleştirirken, hedef alanın bregma'dan tekrar hesaplanması, yerleşimin doğruluğunu artırabilir.
  14. Optrode dizisini yavaşça takın ve topraklama vidasını sisteme bağlı gümüş tel42'ye bağlayın.
    NOT: Bu işlemde, yerleştirme sırasında mikro hareketten kaynaklanan beyin hasarını önlemek için yalpalamayı en aza indirmek için dizi, manipülatör koluna sıkıca sabitlenmelidir. Yerleştirme yavaşça yapılmalı, yerleştirildikten sonra bastırılmış olabilecek beynin şişmesini hesaba katmak için 10 dakika dinlendirilmelidir. Sinyal-gürültü oranının yüksek kalitesi ve ayrılabilir tek ünite sayısı42 için beyin dokusuna 1 μm / s'nin altında yerleştirme hızı önerilir.
  15. Kanama varsa, kuru pamuklu çubukla ağartıcılara doğrudan basınç uygulayın veya koter kullanın. Kanama tamamen durana kadar sonraki adımlara geçmeyin.
  16. Kimyasalları beyinle doğrudan temastan korumak için maruz kalan beyin ile cihaz arasına jel köpük yerleştirin.
    NOT: Jel köpük ayrıca hemostaza yardımcı olur ve beyni nemli tutar.
  17. Nemi mümkün olduğunca gidermek için kafatasını pamuklu çubuklarla silin ve bir sonraki sabitleme adımına geçin.
  18. Cihazı sabitlemek ve jel köpüğü örtmek için kafatasına diş çimentosunu dikkatlice uygulayın. Diş çimentosu tamamen sertleşmeden önce, diş çimentosuna tutturulmuşsa kafa derisini ayırın. Sertleşmiş diş çimentosunu örtmek ve kafa derisini dikmek için kesilmiş cildi forseps ile çekin. Ardından, cihazı manipülatör kolundan serbest bırakın.
    NOT: Diş çimentosunun cilde yapışmadığından ve sadece kafatası bölgesini kapladığından emin olun. Cilt büyüdüğünde, çimentoyu uzaklaştırabilir ve sonunda cihaz düşer. Bu, uzun vadeli in vivo deneyler için kritik bir soruna neden olacaktır.

3. İyileşme ve implant bakımı

  1. Fareyi stereotaktik çerçeveden çıkarın.
  2. Carprofen çözeltisini 26 G'lık bir iğne kullanarak uygulayın. Ağrıyı azaltmak için ameliyattan önce bir kez ve 12 saat (öğleden sonra ameliyatı durumunda ertesi sabah) ve ameliyattan 24 saat sonra enjekte edin.
    NOT: Şişedeki ilaç konsantrasyonu 50 mg/mL'dir ve 4 °C'de saklanır. Karprofen viskozdur ve steril suda 1:10 oranında seyreltilmesi gerekir. Sterilite korunursa, çözelti 4 haftaya kadar saklanabilir. İlacın etkili süresini korumak için, Carprofen çözeltisini 12 saatlik aralıklarla enjekte edin.
  3. Fareyi ısıtma yastığının üzerine yerleştirin ve anesteziden iyi iyileşip iyileşmediğini kontrol edin.
    NOT: Hayvan, yeterli bilinci yeniden kazanana kadar gözetimsiz bırakılmaz.
  4. Ameliyattan 7-10 gün sonra dikiş ipliklerini çıkarın.
  5. Hayvanın 1 hafta boyunca iyileşmesine izin verin. İyileşme süresi boyunca yiyecek ve su alımını izleyin. Analjeziği uygulayın ve rahatsızlık veya ağrı belirtilerini kontrol edin.
    NOT: Ameliyat olan hayvanlar, tamamen iyileşene kadar diğer hayvanlarla birlikte kalamazlar.
    1. İyileşme döneminde, ağırlık değişikliklerini kontrol etmek için fareyi her gün tartın. Yaş ve cinsiyete uygun kontrol hayvanlarına kıyasla% 20 kilo kaybı varsa, fareyi feda edin (bkz. bölüm 6).

4. Optogenetik stimülasyon ve elektrofizyolojik kayıt

  1. Fareyi anestezi altına alın ve anestezi uygulanan fareyi stereotaktik çerçeveye yerleştirin.
  2. Stimülasyon parametrelerini ayarlayın.
    1. Işık darbesi tarifini %4 görev döngüsüne ve 10 Hz frekans43'e ayarlayın. Nöral kayıt sırasında 2 s (20 darbe) için ışık stimülasyonunu ayarlayın.
    2. Optik fiber ucunda 3 mW/mm2 ışık yoğunluğu sağlamak için 50 mA akım kullanın. Bir fotodiyot ve güç ölçer kullanarak ışık gücünü ölçün ve ışık gücünü optik fiber faset alanına bölün.
  3. Plastik kapağı çıkarın ve ışık dağıtım sistemini içeren üst kısmı yeniden kullanılabilir LED ve devrelerle takın.
  4. Baş ön amplifikatörünü implante edilmiş 5 pimli konektöre bağlayın.
  5. Nöral sinyalleri kaydetmek için yazılımı açın.
  6. Yazılım filtrelerini ayarlayın. 0,1-20 kHz'de bir bandpass filtresi ve 60 Hz'de bir çentik filtresi kullanın. amplifikatör örnekleme hızını 20 kHz'e ayarlayın.
  7. Kayıttan önce, nöral ani yükseliş sinyallerinin algılanıp algılanmadığını kontrol edin.
    NOT: Nöral sinyaller çok küçük olduğu için gürültü önleme önemlidir. Gürültü seviyesi çok yüksekse, nöral sinyaller gürültü tarafından gizlenebilir ve görünmez hale gelebilir. Gürültüyü azaltmak için uygun topraklama ve elektromanyetik dalga kalkanı kullanın.
  8. Sinyal kontrolünden sonra, temel kayıt için ışık uyarımı olmadan nöral sinyalleri kaydedin.
  9. LED ışığı verin ve aynı anda nöronal yanıtları kaydedin (Şekil 5 ve Şekil 6).
    NOT: Bir kez uyarıldıktan sonra, bir sonraki stimülasyon deneyi en az 5 dakikalık bir aralıktan sonra yapılmalıdır, böylece önceki stimülasyon tarafından uyarılan nöronal aktivite bir sonraki deneyi etkilemez.

5. Veri analizi

  1. Alınan verileri MATLAB programını kullanarak yükleyin.
  2. Bir başak sıralama algoritması "Wave-Clus"44,45 kullanarak tek nöral aktiviteler elde edin. Her kanaldaki ani artışları Eq (1)45'te olduğu gibi bir genlik eşiği ile tespit edin.
    Eşik = 5 × medyan figure-protocol-1 (1)
    Burada x, bandpass filtreli sinyaldir.
    1. "Wave-Clus"u yüklemek için Malzeme Tablosu'ndaki indirme bağlantısına bakın.
    2. Grafik kullanıcı arabirimini (GUI) açmak için, MATLAB'ın komut istemine wave_clus yazın.
    3. Başak algılamaya hazırlanan dosya uzantısı için Get_spikes('filename.ext') işlevi yazın. Ardından, ani sıralama için Do_clustering('filename_spikes.mat') çalıştırın.
  3. Belirli zaman kutuları ile ışık stimülasyonundan önce, sırasında ve sonrasında sıralanmış sivri uçları sayın. Analiz için 0,2 s ve 2 s zaman kutuları kullanın.
  4. Her kayıt kanalından ani artışların sayısını çizin.
    NOT: Standart hata ile ortalamanın ortalamaları (SEM) 8 tekrarlanan deneyin sonuçlarından elde edilen veriler hesaplanmış ve çizilmiştir.

6. Ötenazi

  1. Tüm deneylerden sonra, fareyi karbondioksit (CO2) solumasıyla kurban edin.
  2. Odayı önceden şarj etmeden, fareyi CO2 beslemesi ve / veya sızıntısı olmadan şeffaf ötenazi odasına yerleştirin.
  3. CO2 gazını açın ve havayı dakikada ötenazi odası havasının hacminin% 30 - 50'si oranında değiştirin.
    NOT: Hava yer değiştirme hızının dakikada ötenazi odasının hacminin% 30-50'si olmasını sağlamak için CO2 gaz silindirine bir debimetre bağlanmalıdır.
  4. Kurban edilen fareyi solunum eksikliği ve değişen göz rengi açısından izleyin.
    NOT: Ötanazi için beklenen süre genellikle 10 ila 15 dakika arasındadır.
  5. Ölüm işaretlerini gözlemledikten sonra, fareyi ötenazi odasından çıkarın.
  6. Ötanazi prosedürünü tamamlamak için, solunum ve kalp durmasını doğrulayarak ölümü doğrulayın.

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

Results

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

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 yarıs...

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

Discussion

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

Eşzamanlı optogenetik stimülasyon ve elektrofizyolojik kayıt için sistemin fizibilitesi doğrulandı (Şekil 6). Işık stimülasyonu sırasındaki büyük sivri uçlar, ışık stimülasyonu ile aynı anda meydana gelen fotoelektrik eserlerdir (Şekil 6A). Bu, kırmızı kesikli dikdörtgendeki dalga formunun yakınlaştırılmış görünümünde açıktır (Şekil 6A). Şekil 6A'da gösterildiği gibi, fotoelektrik artefaktlar kaydedilen...

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

Disclosures

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

Yazarların açıklayacağı bir çıkar çatışması yoktur.

Acknowledgements

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

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.

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
5 pimli KonnektörNW3HD127K1,27 mm (.050") aralık
BovieFine Science Tools(FST)18010-00Yüksek Sıcaklık Koter
Kiti Veri Toplama YazılımıIntan Technologies, LLCUSB Arabirim Kartı yazılımıRHD USB Arabirim Kartı ile çalışın
Dental ÇimentoLang Dental Manufacturing Company, Inc.1223CLRJet protez onarım paketinde Jet Sıvı ve toz kullanın
Dijital Manipülatör KolÇalma A.Ş.51904/51906Sol, Sağ her biri Dijital Manipülatör Kolu, 3 Eksenli, Eklenti
Jel KöpükCutanplastStandart (70*50*10 mm)Hemostatik etkiye sahip steril yeniden emilebilir jelatin sünger
Headstage PreamplifierIntan Technologies, LLCRHD 16 Kanallı Kayıt Headstages
Isıtma YastığıStoelting Co.53800RÇalgı Kemirgen Isıtıcı X1 Sıçan Isıtma Yastığı ile
LEDOSLONGB CS8PM1.13λ typ. 470 nm, Görüş açısı 80 ° C, İleri gerilim 2,85 V
MATLABMathWorks, Inc.R2019a
Mikro KelepçeSURGIWAY12-1002-04Düz tip, Tırtıklı ince DIEFFENBACH droite 3,5 cm
Fiber OptikThorlabs, Inc.FT200UMT0.39 NA, ø 200 &mikro; m Çekirdek Çok Modlu Optik Fiber, 300 - 1200 nm
PFA Kaplı Tungsten TelSistemiÖzel siparişedilen Çubuk tipi, & Oslash; 101.6 & mu; m (.004 ")
FotodiyotThorlabsS121C
güç ölçerThorlabs Inc.PM100D
Hassas baltaFITELS326Fiber dilimleyici aracı
PrizmaGraphPad5.01 sürümü
NeşterTüy ve ticaret;# 20100 mm uzunluğunda Neşter Saplı vida ile neşter bıçağı
Nasa Korepaslanmaz çelikçapı: 1,2 mm, uzunluk: 3 mm
Gümüş TelNilaco CorporationAG-401265& Oslash; 200 & mikro; m
Stereotaksik FxrameÇalma A.Ş.51500DDijital yeni standart stereotaksik, sıçan ve fare
sütürETHICONW9106sütür boyutu: 4-0, uzunluk: 75 cm, tel çapı: 4-0
VaselineUnilever PLCOrijinal% 100 saf petrol jeli
Wave_ClusN/AN/A
#C3314 için Yüksek OH https://github.com/csn-le/wave_clus

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 recordings in brain slices. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (112), e54024(2016).
  3. Lee, D., Shtengel, G., Osborne, J. E., Lee, A. K. Anesthetized- and awake-patched whole-cell recordings in freely moving rats using UV-cured collar-based electrode stabilization. Nature Protocols. 9 (12), 2784-2795 (2014).
  4. Tao, C., Zhang, G., Xiong, Y., Zhou, Y. Functional dissection of synaptic circuits: in vivo patch-clamp recording in neuroscience. Frontiers in Neural Circuits. 9, 23(2015).
  5. Henze, D. A., et al. Intracellular features predicted by extracellular recordings in the hippocampus in vivo. Journal of Neurophysiology. 84 (1), 390-400 (2000).
  6. Takahashi, S., Anzai, Y., Sakurai, Y. Automatic sorting for multi-neuronal activity recorded with tetrodes in the presence of overlapping spikes. Journal of Neurophysiology. 89 (4), 2245-2258 (2003).
  7. Buzsáki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature Neuroscience. 7 (5), 446-451 (2004).
  8. Rossant, C., et al. Spike sorting for large, dense electrode arrays. Nature Neuroscience. 19 (4), 634-641 (2016).
  9. Balasubramaniam, S., et al. Wireless communications for optogenetics-based brain stimulation: present technology and future challenges. IEEE Communications Magazine. 56 (7), 218-224 (2018).
  10. Bedbrook, C. N., et al. Machine learning-guided channelrhodopsin engineering enables minimally invasive optogenetics. Nature Methods. 16 (11), 1176-1184 (2019).
  11. Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience. 8 (9), 1263-1268 (2005).
  12. Deng, W., Goldys, E. M., Farnham, M. M., Pilowsky, P. M. Optogenetics, the intersection between physics and neuroscience: light stimulation of neurons in physiological conditions. American journal of physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 307 (11), 1292-1302 (2014).
  13. Fenno, L., Yizhar, O., Deisseroth, K. The development and application of optogenetics. Annual Review Neuroscience. 34, 389-412 (2011).
  14. Mahmoudi, P., Veladi, H., Pakdel, F. G. Optogenetics, tools and applications in neurobiology. Journal of Medical Signals and Sensors. 7 (2), 71-79 (2017).
  15. Sasaki, Y., et al. Near-infrared optogenetic genome engineering based on photon-upconversion hydrogels. Angewandte Chemie International Edition in English. 58 (49), 17827-17833 (2019).
  16. Zhang, Y., et al. Battery-free, lightweight, injectable microsystem for in vivo wireless pharmacology and optogenetics. Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (43), 21427-21437 (2019).
  17. Bernstein, J. G., Boyden, E. S. Optogenetic tools for analyzing the neural circuits of behavior. Trends in Cognitive Sciences. 15 (12), 592-600 (2011).
  18. Wang, J., et al. Integrated device for combined optical neuromodulation and electrical recording for chronic in vivo applications. Journal of Neural Engineering. 9 (1), 016001(2012).
  19. Royer, S., et al. Multi-array silicon probes with integrated optical fibers: light-assisted perturbation and recording of local neural circuits in the behaving animal. European Journal of Neuroscience. 31 (12), 2279-2291 (2010).
  20. Zhang, J., et al. Integrated device for optical stimulation and spatiotemporal electrical recording of neural activity in light-sensitized brain tissue. Journal of Neural Engineering. 6 (5), 055007(2009).
  21. Park, S. I., et al. Stretchable multichannel antennas in soft wireless optoelectronic implants for optogenetics. Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (50), 8169-8177 (2016).
  22. Kravitz, A. V., Owen, S. F., Kreitzer, A. C. Optogenetic identification of striatal projection neuron subtypes during in vivo recordings. Brain Research. 1511, 21-32 (2013).
  23. Aravanis, A. M., et al. An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology. Journal of Neural Engineering. 4 (3), 143-156 (2007).
  24. Anikeeva, P., et al. Optetrode: a multichannel readout for optogenetic control in freely moving mice. Nature Neuroscience. 15 (1), 163-170 (2011).
  25. Obaid, S. N., et al. Multifunctional flexible biointerfaces for simultaneous colocalized optophysiology and electrophysiology. Advanced Functional Materials. 30 (24), 1910027(2020).
  26. Wang, L., et al. An artefact-resist optrode with internal shielding structure for low-noise neural modulation. Journal of Neural Engineering. 17 (4), 046024(2020).
  27. Shin, H., et al. Multifunctional multi-shank neural probe for investigating and modulating long-range neural circuits in vivo. Nature Communications. 10 (1), 3777(2019).
  28. Kampasi, K., et al. Dual color optogenetic control of neural populations using low-noise, multishank optoelectrodes. Microsystem & Nanoengineering. 4, 10(2018).
  29. Schwaerzle, M., Paul, O., Ruther, P. Compact silicon-based optrode with integrated laser diode chips, SU-8 waveguides and platinum electrodes for optogenetic applications. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27 (6), 065004(2017).
  30. Son, Y., et al. In vivo optical modulation of neural signals using monolithically integrated two-dimensional neural probe arrays. Scientific Reports. 5, 15466(2015).
  31. Yasunaga, H., et al. Development of a neural probe integrated with high-efficiency MicroLEDs for in vivo application. Japanese Journal of Applied Physics. 60 (1), 016503(2020).
  32. Kim, K., et al. Artifact-free and high-temporal-resolution in vivo opto-electrophysiology with microLED optoelectrodes. Nature Communications. 11 (1), 2063(2020).
  33. Mendrela, A. E., et al. A high-resolution opto-electrophysiology system with a miniature integrated headstage. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems. 12 (5), 1065-1075 (2018).
  34. Scharf, R., et al. Depth-specific optogenetic control in vivo with a scalable, high-density muLED neural probe. Scientific Reports. 6, 28381(2016).
  35. Oh, K., Sonsi, Y. -A., Ha, S. Optogenetic stimulator with µLED-coupled optical fiber on flexile substrate via 3D printed mount. 2021 21st International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers). , 1476-1479 (2021).
  36. McAlinden, N., et al. Multisite microLED optrode array for neural interfacing. Neurophotonics. 6 (3), 035010(2019).
  37. Kwon, K. Y., Lee, H. M., Ghovanloo, M., Weber, A., Li, W. Design, fabrication, and packaging of an integrated, wirelessly-powered optrode array for optogenetics application. Frontiers in Systems Neuroscience. 9, 69(2015).
  38. Bernstein, J. G., Allen, B. D., Guerra, A. A., Boyden, E. S. Processes for design, construction and utilisation of arrays of light-emitting diodes and light-emitting diode-coupled optical fibres for multi-site brain light delivery. Journal of Engineering. , Stevenage. (2015).
  39. Stark, E., Koos, T., Buzsaki, G. Diode probes for spatiotemporal optical control of multiple neurons in freely moving animals. Journal of Neurophysiology. 108 (1), 349-363 (2012).
  40. Jeon, S., et al. Implantable optrode array for optogenetic modulation and electrical neural recording. Micromachines. 12 (6), Basel. 725(2021).
  41. Song, Y. H., et al. A neural circuit for auditory dominance over visual perception. Neuron. 93 (4), 940-954 (2017).
  42. Fiáth, R., et al. Slow insertion of silicon probes improves the quality of acute neuronal recordings. Scientific Reports. 9 (1), 111(2019).
  43. Melchior, J. R., Ferris, M. J., Stuber, G. D., Riddle, D. R., Jones, S. R. Optogenetic versus electrical stimulation of dopamine terminals in the nucleus accumbens reveals local modulation of presynaptic release. Journal of Neurochemistry. 134 (5), 833-844 (2015).
  44. Quiroga, R. Q., Nadasdy, Z., Ben-Shaul, Y. Unsupervised spike detection and sorting with wavelets and superparamagnetic clustering. Neural Computation. 16 (8), 1661-1687 (2004).
  45. Chaure, F. J., Rey, H. G., Quian Quiroga, R. A novel and fully automatic spike-sorting implementation with variable number of features. Journal of Neurophysiology. 120 (4), 1859-1871 (2018).
  46. Casanova, F., Carney, P. R., Sarntinoranont, M. Effect of needle insertion speed on tissue injury, stress, and backflow distribution for convection-enhanced delivery in the rat brain. PLoS One. 9 (4), 94919(2014).
  47. Iseri, E., Kuzum, D. Implantable optoelectronic probes for in vivo optogenetics. Journal of Neural Engineering. 14 (3), 031001(2017).
  48. Arias-Gil, G., Ohl, F. W., Takagaki, K., Lippert, M. T. Measurement, modeling, and prediction of temperature rise due to optogenetic brain stimulation. Neurophotonics. 3 (4), 045007(2016).
  49. Jeon, S., et al. Multi-wavelength light emitting diode-based disposable optrode array for in vivo optogenetic modulation. Journal of Biophotonics. 12 (5), 201800343(2019).
  50. Korposh, S., James, S. W., Lee, S. -W., Tatam, R. P. Tapered optical fibre sensors: current trends and future perspectives. Sensors. 19 (10), 2294(2019).

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