可伸缩流控喷油器阵列病毒完整的3 - D的大脑回路为目标

摘要

控制和分析的神经回路在体内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。

摘要

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（

研究方案

1。构建立体定向钳

1. 立体钳，用于喷油器阵列连接到stereotax，喷油器，使立体手臂平行。
2. 每个实验室只需要一个钳，除非它是预期，一个以上的手术可能会同时发生。在这种情况下，相同数量的同时手术预期的最大数量。这可能也是可取作出额外的，第一的损害的情况下。
3. 首先，为了使立体钳，一个1.5毫米的外径（OD）钢套管切成2英寸长，一端是Dremeled直到持平。
4. 接下来，切出一小块（约0.5 × 0.5厘米）是印刷电路板原板，作为一个间隔使用。
5. 使用激光切割机，以确保作出的任何削减都垂直于材料表面，两个相同的矩形（1 / 2“× 3 / 8”）削减1 / 8“丙烯酸塑料布，每个矩形的两个圆孔矩形的对角第一洞的直径1.5毫米，只是大到足以容纳金属套管紧紧第二洞直径1 / 16“（ 图 1C ）。
6. 金属导管插入一个矩形1.5毫米的孔，​​然后通过第二个1.5毫米的孔。底端的套管与底部矩形底面对齐，形成一个曲棍球棒的形状。
7. 在保持两个矩形之间的紧密举行的间隔，这种结构是通过使用套管和1.5mm孔周围热胶胶结在一起，小心地避免胶合矩形的间隔。造型粘土可能会有所帮助，在此过程中举行的东西放在一起。
8. 1-72螺丝胶水晾干后，插入从矩形的顶面的1 / 16洞。然后一个1-72六角螺母拧到1-72螺钉年底，并拧紧。螺丝和螺母，为共同举行钳。
9. 要重视六角螺母的底部矩形，少量的5分钟环氧底面被丢弃周围边的六角螺母，使环氧树脂进入六角螺母或螺钉的螺纹。任何造型粘土被删除，它是证实，垫片，可以牢固地拧紧螺丝举行到位。

2。准备定制的喷油器阵列系统：汉密尔顿泵和stereotax

1. 喷油器阵列系统，可定制，以几乎所有在大脑中的坐标。
2. 用户首先定位坐标转换所需的注射部位在鼠标（或其他物种）脑图谱，stereotax适当的坐标（这里的X，Y，和Z坐标）。注射部位（ 图1a和1b 3） 此后称为 k。
3. K的10μL的汉密尔顿注射器数量被放置在这一个从哈佛仪器如注射泵注入/退出。
4. 接下来，3英尺长的的聚乙烯管件牢固地连接到每个汉密尔顿注射器针头。
5. 对于每一块聚乙烯管材，一架F - 252厄普丘奇科学管套筒是在开放的结束下滑，并连接到一个P - 627管适配器，使用包括螺母和套圈，也从厄普丘奇科学。

3。构建定制的喷油器阵列

1. 每个喷油器阵列是定制用户选择的坐标。然而，坐标，只能通过翻译和/或旋转不同的设置，相同的喷油器阵列可以使用。
2. 只考虑相对注射部位的X和Y坐标，K孔钻成的PCB厚度为1 / 32的原板“，具有相同的相对间距孔钻使用一个Modela小型轧机和一个0.011“麦克马斯特卡尔直径钻头。一定要使用的钻井速度缓慢（Z型高速），以避免破坏或穿出来的钻头。去除磨板前，一个矩形周围的小孔钻，用一个较大的钻头直径的1 / 32“，避免穿较小的一个小型轧机的代码可以生成容易使用MATLAB;。样本在以下文件中提供的代码。
   1. generate.m - MATLAB代码生成所需的坐标Modela代码
   2. holes_ex.rml - Modela代码钻井环模式进入原板（8孔）
   3. outline_ex.rml - Modela钻孔孔周围的矩形的代码
3. 245微米OD/100微米内径（ID），熔融石英毛细管，从Polymicro技术，切成K的3英寸件数。这包括个人的喷油器。一个一次性毛细管戳通过每个洞，扫清实际喷油器无堵塞碎片。喷油器，然后每孔中途插入，因此，他们紧紧彼此平行。喷油嘴epoxied向董事会，形成喷油器的阵列结构。剩下的就是正确的长度修剪喷油嘴。
4. 喷油器阵列连接到立体钳之间的丙烯酸矩形放在一个角落里的原板，然后通过收紧立体钳螺丝。下一步，钳的金属导管连接的stereotax，使用的stereotax附件机制。
5. 以下是在显微镜下完成。其中一个的喷油器（即，可以从侧面直边走近没有碰撞到任何其他的喷油器）外，尖延伸超出了原板的底部用剪刀剪开。注射皮质，这是适当的喷油器延长约超出原板表面5毫米。对于更深的注射，这个数目可以增加深度相应增加。用一个DREMEL工具提示是夷为平地。喷油器的提示也可以是地面作为一个额外的预防措施对堵塞角度，深入的精度并不那么重要。
6. 下一步，选择一个稳定的参考点的立体手臂范围内，喷油器的阵列移动，这样，夷为平地外的喷油器的提示，在这个参考点。
7. 选择第二个喷油器，以及与其相应的坐标。认为是喷油器之间的第一个和第二个坐标（Z方向）的相对高度差异。喷油器阵列是沿Z轴移动此相对距离。第二注射器是修剪和Dremeled正确的长度，使第二注射器的针尖现在平坦参考点的高度。喷油器阵列，可在X和Y方向移动，以方便与参考点的喷油器提示比较。
8. 这修剪的过程不断重复，剩下的喷油器。

4。整个系统组装

1. 立体钳和定制的喷油器阵列，无论是已建成，这部分需要。
2. 每个喷油器的后端（尚未修剪后终点）插入一个蓝色的F - 240油管套管和使用的P - 235螺母和套圈的P - 200厄普丘奇科学，是连接到适配器已经连接螺纹聚乙烯管材的汉密尔顿泵。制造商的说明，可以详细咨询。
3. 使用27号针头，硅油注入，使整个系统是由汉密尔顿注射器填充注射器针尖的汉密尔顿注射器回，没有在所有的气泡。
4. 由于汉密尔顿注射器重新放置在汉密尔顿泵，硅油量最大可能保持在注射器。
5. 如果实验需要超过泵的设计（在这种情况下两个）的注射器，注射器可以间隔的塑料小件（如针帽），让他们互相平行，并确保所有件推泵相同程度。或者说，一个多机架升级套件可以购买从哈佛仪器举行一次10注射器。

5。注射/手术

1. 一个平行的注射器注射的过程是非常类似的注射用一个吸管。
2. 至关重要的是，使用缓慢笔芯/注入率，在此过程中，因为快抽，可能把对大和小管之间的联合的压力。推荐的最大速率：2μL/分钟加载病毒，0.1μL/分钟注入病毒。
3. 一个麻醉鼠标放置在stereotax，并保持在整个实验的麻醉。
4. 需要准备的鼠标。例如，用手术刀，一个单一的削减是作出下来中线的皮肤，眼睛之间的两耳之间。拉回皮肤暴露​​颅骨，筋膜清除。一把拉住玻璃吸管连接的stereotax。耳棒的位置进行调整，直到前囟和lambda是一致的同一高度，使连接它们的线是平行于Y轴的stereotax。根据已计算出的坐标系，在其中注入坐标stereotax轴取向。前囟门的玻璃吸管提示脑立体定位归零，然后提示是略高于头骨定位在X和Y坐标的注射部位之一。
5. 使用牙钻，颅骨下面的提示仔细相比，直到仍然有一层极薄的骨。玻璃吸管可降低教育署和提出检查，被钻了孔，是在正确的位置为中心。使用30号针头，轻轻地拿起一个小片层的是正确的X和Y坐标，，因此，暴露硬脑膜。这个洞应该是大到足以容纳一个喷油器（0.25毫米宽）。请参阅图图1D。这样，小，0.25毫米宽孔是在颅骨，在X和Y坐标的对应每个注射部位。
6. 玻璃吸管被丢弃在锐器容器中，并采用脑立体定位夹具定制的喷油器阵列连接的stereotax。
7. 为了正确地设置了喷油器阵列的角度，两个外喷油器进行校准，以一个给定的参考点，如下选择。后喷油器之一，是与参考点相匹配，考虑相对的X，Y型注射部位之间的距离相对这个喷油器和另外一个。 stereotax轴调整，使整个喷油器阵列是在X和Y方向移动，这些相对距离。如果不是现在与参考点对齐第二注射器，金属套管松动和旋转。反复重复这一过程，直到喷油器阵列的角度正确。
8. 在灌装前与病毒的喷油器，喷油器与硅油填充，直到注射器2μL点（或更大）。这提供了一个缓冲地带，使任何气泡或堵塞的提示可以很容易地推油使用汉密尔顿泵，而不必硅油填充与整个系统从后面的注射器，描述以前，删除。
9. 一个封口膜无菌，放在头骨，和喷油嘴上的封口膜轻轻降低。对于有很大的不同深处，一个自定义铣削部分（如楼梯状物体）的坐标可以方便上落。
10. 下面的部分假设，1μL的病毒是在每个站点的加载（以下数量应缩小，如果需要小批量）。为了保证> 1μL病毒注射在每个站点，1.5μL病毒吸管将在每个喷油器的尖端封口膜或楼梯。
11. 随着汉密尔顿泵的填充速度设置为1μL/分钟，1.2病毒液补充到每个喷油器。
12. 在囟最长的喷油器的提示是零，然后转移到的X和Y坐标，喷油器喷油器阵列。如果堵塞是一个问题，说如果涉及许多深目标：前插入大脑中的喷油器提示，甚至有时是最好启动泵注入，直到可以看到所有的喷油器提示出现病毒。这在喷油器提示删除任何气泡，并确保没有堵塞。在堵塞的情况下，汉密尔顿泵注入2μL/ min的速度在一个简短的脉搏，轻轻地清除堵塞。
13. 通过30表针的小孔，然后降低喷油器阵列，是正确的Z -深度。
14. 1μL病毒注入到每个喷油器，在0.1μL/ min的。
15. 注射30分钟的单独留在家中。
16. 喷油器阵列后，慢慢地从大脑中提取，汉密尔顿泵注入0.1μL/ min的速率，以检查在每个喷油器堵塞。
17. 喷油嘴清洗注墨，注入2μL/ min的1.5μL乙醇。
18. 最后，喷油器加气硅油保持在每个汉密尔顿注射器2μl的缓冲地带。
19. 所有设备应进行消毒前和手术后，根据您的机构的生物安全和动物使用的协议。

6。代表性的成果

平行的喷油器阵列加快手术大约等于喷油器数量的一个因素，但不包括安装和恢复时间，虽然个别时间将取决于从业者的技能。 1微升注入，我们通常看到一个约直径1mm（ 图1E）的球体中的慢病毒表达。注射精度等尖端定位的变化，从审判开庭审理，约45微米（从针尖位置达到了预期的尖端位置的距离的标准偏差）。

图1：设计，实施和使用一个平行病毒喷油器阵列。一个平行的喷油器阵列系统，原理图，显示出三重喷油配置， 三同时注射 ，B，三重并行喷油阵列的照片图解在A 。 C， 从顶部的轮廓显示的立体钳，研发，技术效率，损害最小化，孔喷油器插入到大脑颅骨开放的例证：用牙钻下来的头骨，薄〜50微米的厚度，然后使用锋利的针，开了一个小的开颅手术的一角，E，荧光图像显示channelrhodopsin - 2（ChR2）GFP标记的细胞在小鼠皮层三重喷射器阵列的目标地区，在 B所示。

讨论

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）。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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 Co	701N	Need one per injection site
Mouse stereotax	Tool	Stoelting Co.	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 Assessments	F 35-08-25 F 35-07-10 P 86-02-38
1.5mm outer diameter (OD) stainless steel cannula	Material	Small Parts, Inc.	HTX-15R
1-72 binding slotted machine screw	Material	Small Parts, Inc.	MX-0172B
1-72 hex nut	Material	Small Parts, Inc.	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 international	63018-827