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* 这些作者具有相同的贡献
在这里,我们概述了一种使用互补金属氧化物半导体高密度微电极阵列系统 (CMOS-HD-MEA) 记录 离体 脑切片的癫痫样活动的协议。
互补金属氧化物半导体高密度微电极阵列 (CMOS-HD-MEA) 系统可以以前所未有的电生理学细节记录细胞培养物和 离体 脑切片的神经生理活动。CMOS-HD-MEA 最初被优化为记录来自细胞培养物的高质量神经元单位活性,但也已被证明可以从急性视网膜和小脑切片中产生高质量的数据。研究人员最近使用 CMOS-HD-MEA 记录了急性皮质啮齿动物脑切片的局部场电位 (LFP)。一种值得关注的 LFP 是癫痫样活动。虽然许多用户使用 CMOS-HD-MEA 产生了短暂的自发性癫痫样放电,但很少有用户能够可靠地产生高质量的癫痫样活动。许多因素可能导致这种困难,包括电噪声、使用浸没式记录室时产生癫痫样活动的不一致性质,以及 2D CMOS-MEA 芯片只能从脑切片表面记录的限制。本协议中详述的技术应使用户能够使用 CMOS-HD-MEA 系统从急性脑切片中持续诱导和记录高质量的癫痫样活动。此外,该协议概述了 CMOS-HD-MEA 芯片的正确处理、实验期间溶液和脑切片的管理以及设备维护。
市售的高密度微电极阵列 (HD-MEA) 系统,包括具有数千个记录点的 MEA 芯片 1,2 和用于放大和数字化数据的 MEA 平台,是电生理学研究的新兴工具。这些 HD-MEA 系统使用互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术,以高灵敏度记录细胞培养物和离体脑切片制备的电生理数据。这些 MEA 系统通过高电极密度和高质量的信噪比为神经生理学研究提供了前所未有的空间和时间分辨率3。该技术主要用于研究细胞外动作电位,但它也可以从各种神经元脑切片制备物中捕获高质量的局部场电位 (LFP) 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 .由于 CMOS-HD-MEA 系统的上述高分辨率记录能力,用户可以以极高的空间精度跟踪电生理活动 16,17,18。此功能与跟踪网络 LFP5、12、15、19、20、21 的传播模式特别相关。因此,CMOS-HD-MEA 系统可以对各种细胞培养物和脑切片制备物的生理和病理活动的传播模式提供前所未有的理解。特别值得注意的是,CMOS-HD-MEA 系统的这些功能可以让研究人员同时对比不同大脑区域的癫痫发作模式,并分析各种抗癫痫化合物如何影响这些模式。通过这样做,它为研究发作发生和发作传播以及理解药理学如何破坏病理网络活动提供了一种创新方法 7,10,14。因此,CMOS-HD-MEA 系统的这些新能力可以为神经系统疾病的研究做出重大贡献,并有助于药物发现研究 5,7,11,22。我们旨在提供有关使用 CMOS-HD-MEA 系统研究癫痫样活动的详细信息。
当使用 CMOS-HD-MEA 系统研究 LFP 时,例如急性脑切片中的癫痫样活动,用户可能会面临许多挑战,包括降低电噪声、在实验期间保持切片健康,以及检测来自二维 (2D) CMOS-MEA 芯片的质量信号,该芯片仅从脑切片表面记录。该协议描述了将 MEA 平台和实验中使用的其他设备正确接地的基本步骤,这是一个关键步骤,可能需要对每个实验室设置进行单独定制。此外,我们还讨论了在与 CMOS-HD-MEA 系统一起使用的浸没室中进行长时间记录期间帮助保持脑切片健康的步骤 23,24,25。此外,与从脑切片深处记录的更常见的电生理记录方法相比,大多数 CMOS-HD-MEA 系统使用不会穿透到切片中的 2D 芯片。因此,这些系统需要一个健康的神经元外层来产生大部分记录的 LFP 信号。其他挑战包括可视化数千个电极生成的大量数据。为了克服这些挑战,我们推荐一种简单但有效的方案,以增加实现在脑切片中传播的高质量网络癫痫样活动的可能性。我们还简要描述了我们开发的公开可用的图形用户界面 (GUI) 以及相关资源,以帮助数据可视化10。
以前的出版物提供了使用 MEA 记录系统的相关协议 26,27,28,29。然而,这项工作旨在帮助使用带有 2D 芯片的 CMOS-HD-MEA 系统的实验者,特别是那些寻求从脑切片中研究高质量癫痫样活动的实验者。此外,我们比较了两种最常见的诱导癫痫发作样活动的溶液操作,即 0 Mg2+ 和 4-AP 范式,以帮助用户确定最适合其特定应用的惊厥培养基。尽管该方案主要集中在癫痫发作样活动的产生上,但可以对其进行修改以使用脑切片探索其他电生理现象。
涉及小鼠的程序由杨百翰大学的机构动物护理和使用委员会 (IACUC) 批准。在以下实验中使用年龄至少为 P21 的雄性和雌性 (n = 8) C57BL/6 小鼠。
图 1:CMOS-HD-MEA 实验示意图。 (A) 通过自己喜欢的切割方法制备脑切片,并进行二次解剖以适合 MEA。(B) 制备溶液和 CMOS-HD-MEA 芯片。(C) 将子解剖的脑切片放在电极阵列上,并浸泡在适当的溶液中。(D) 从收集的数据中选择相关渠道。然后准备数据,以便在用户的首选程序中进行分析。 请单击此处查看此图的较大版本。
名字 | 浓度 (mM) | 克/升 | ||
氯化钠 (NaCl) | 126 | 7.36 | ||
氯化钾 (KCl) | 3.5 | 0.261 | ||
磷酸二氢钠 (NaH2PO4) | 1.26 | 0.151 | ||
碳酸氢钠 (NaHCO3) | 26 | 2.18 | ||
葡萄糖 (C6H12O6) | 10 | 1.80 | ||
氯化镁 (MgCl2) | 1 (来自 1 M 库存) | 1 毫升 | ||
氯化钙 (CaCl2) | 2 (来自 1 M 库存) | 2 毫升 |
表 1:aCSF 解决方案。
1. 准备解决方案
2. 准备啮齿动物脑切片
3. 设备准备
图 2:配置和技术图。 (A) 该协议突出显示的实验中使用的急性小鼠脑切片的选择图。(1) 海马区 (2) 新皮层区。(B) 在微电极阵列 (MEA) 上正确放置急性小鼠脑切片和竖琴。(C) 3Brain Accura CMOS-HD-MEA 芯片的解剖结构。(D) 灌注入口和出口的正确配置。输入应位于芯片井的深处,而输出应位于芯片井顶部入口的另一侧,以保证新鲜、含氧的 aCSF 的恒定流动。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 3:脑切片实验的芯片制备和放置示意图。 (A) 用乙醇冲洗芯片一次,然后用 aCSF 冲洗 3 次。(B) 使用防静电抹布蘸乙醇擦拭针脚。(C) 对接芯片。(D) 将脑切片放在电极上。(E) 将竖琴放在脑切片上(参见 图 2 了解正确的放置指南)。(F) 用扭曲的防静电擦洗剂轻拍靠近脑切片的记录电极井的角落。 请单击此处查看此图的较大版本。
4. 实验
5. 数据分析
注:有多种分析包用于分析 CMOS-HD-MEA 生成的电生理数据,包括来自 3Brain 的 BrainWave、Yet Another Spike Sorter (YASS) 和自定义 Python 工具34、35、36、37。我们从 BrainWave 数据文件格式中提取数据,用于 Xenon LFP 分析平台,以生成图 4 和图 5 所示的数据。使用自定义 Matlab 代码来分析图 6 中的数据。Xenon LFP 分析平台的实验方案已公开发布10.以下协议步骤特定于使用 Brainwave 438 进行的录音;对于其他系统,请参阅与这些系统相关的支持文档 34,35,36,37。下面概述了使用此协议生成数据所采取的分析步骤。有关如何导出、可视化和分析数据的完整详细信息,包括教程视频和所有相关代码文件,请参阅39。
图 4:从 0 Mg2+ 和 4-AP 范式演变癫痫样活动的示例。 (A) 在大约 40 分钟内应用含 0 Mg2+ 的 aCSF 的示例光栅图。(B) 从新皮层(蓝色)和海马体(红色)采集的示例电生理学轨迹,显示 0 Mg2+ 范式的癫痫样活动。(C) 在大约 40 分钟内应用 100 mM 4-AP 的示例栅格图。(D) 从新皮层(紫色)和海马体(绿色)采集的示例电生理学迹线,显示应用 4-AP 产生的癫痫样活动。(E) 在大约 40 分钟内应用含 0 Mg2+ 的 aCSF 的示例栅格图,显示爆发活动,而不是在其他代表性迹线中发现的癫痫样活动。(F) 从新皮层(深紫色)和海马体(铁锈色)中提取的示例电生理学痕迹,证明 0 Mg2+ 范式的次优活性,旨在与 B 和 D 中发现的质量癫痫样活动 进行比较。
图 5:0 Mg2+ 和 4-AP 范式的癫痫样放电的代表性结果。 (A) 由 0 Mg2+ 范式诱导的典型新皮层癫痫发作样事件的示例图,包括 (Ai) 来自癫痫发作样事件的频谱图,(Aii) 相关的电生理学轨迹,(Aiii) 应用于来自 Aii 的轨迹的 80 Hz 高通滤波器,(Aiiii) 和来自 Aii 的轨迹的放大部分。(B) 由 0 Mg2+ 范式诱导的典型海马癫痫样爆发的示例图,包括 (Bi) 癫痫样爆发的频谱图,(Bii) 相关的电生理轨迹,(Biii) 应用于 Bii 轨迹的 80 Hz 高通滤波器,(Biiii) 和 Bii 轨迹的放大部分 (C) 由 4-AP 范式诱导的典型新皮质癫痫发作样事件的示例图,包括 (Ci) 癫痫样活动的频谱图,(Cii) 相关的电生理轨迹,(Ciii) 应用于 Cii 轨迹的 80 Hz 高通滤波器,(Ciiii) 和 Cii 轨迹的放大部分 (D) 4-AP 范式下海马癫痫样爆发的示例图,包括 (Di) 癫痫样活动的频谱图,(Dii) 相关的电生理轨迹, (Diii) 应用于 Dii 迹线的 80 Hz 高通滤波器 (Diiii) 和来自 Dii 的迹线的放大部分。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 6:在刻板印象癫痫样放电期间跨范式和大脑区域的各个频段中基线功率百分比的比较。 (A) 对于大多数频段,癫痫样放电期间的功率在范式和大脑区域之间显着差异(带 Tukey 检验的 2 向方差分析,*P < 0.05,**P < 0.001,***P < 0.0001)。每个框的中间线代表平均值,框的边界±平均值的标准误差 (SEM) 和最外层的线 ±2 SEM。(B) 范式和大脑区域在与 150 Hz 以上的高频活动相关的频段中都表现出有限的功率。 请单击此处查看此图的较大版本。
作为可视化来自多个通道1、4、5、10 的活动的标准,我们发现首先生成我们使用 CMOS-HD-MEA 获取的数据的光栅图是有益的(图 4A、C、E)。该图可以通过在 y 轴上显示每个通道,在 x 轴上显示时间,在每个脑切片的所有记录通道?...
该协议包括与急性脑切片管理相关的具体指南,以解决 CMOS-HD-MEA 用户面临的常见问题,即脑切片下的噪声产生和维持脑切片的健康环境。当切片未正确粘附到数组时,切片下方会产生噪声;如果脑切片没有充分粘附,切片下方会形成气穴,从而导致噪音。这将导致无法获取数据。为了缓解这些挑战,该协议强调了两个关键步骤:首先,确保在放置过程中正确的竖琴方向,?...
作者声明,本研究不存在利益冲突。
作者感谢前任和现任 Parrish 实验室成员对本手稿的编辑。我们还要感谢 3Brain 的 Alessandro Maccione 对这项工作的反馈。这项工作由 AES/EF 初级研究员奖和杨百翰大学生命科学学院和物理与数学科学学院资助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2D Workbench | Cloudray | LM04CLLD26B | |
4-Aminopyridine | Sigma-Aldrich | 275875 | |
Accura Chip | 3Brain | Accura HD-MEA | CMOS-HD-MEA chip |
Agarose | Thermo Fisher Scientific | BP160-100 | |
Vibration isolation table | Kinetic Systems | 91010124 | |
Beaker for the slice holding chamber, 270 mL | VWR | 10754-772 | |
BioCam | 3Brain | BioCAM DupleX | CMOS-HD-MEA platform |
Brainwave Software | 3Brain | Version 4 | CMOS-HD-MEA software |
Calcium Chloride | Thermo Fisher Scientific | BP510-500 | |
Carbogen | Airgas | X02OX95C2003102 | |
Carbogen | Airgas | 12005 | |
Carbogen Stones | Supelco | 59277 | |
Compresstome | Precissionary | VF-300-0Z | |
Computer | Dell | Precission3650 | |
Crocodile Clip Grounding Cables | JWQIDI | B06WGZG17W | |
Detergent | Metrex | 10-4100-0000 | |
D-Glucose | Macron Fine Chemicals | 4912-12 | |
Dihydrogen Sodium Phosphate | Thermo Fisher Scientific | BP329-500 | |
DinoCam | Dino-Lite | AM73915MZTL | |
Ethanol | Thermo Fisher Scientific | A407P-4 | |
Forceps | Fine Science Tools | 11980-13 | |
Hot plate | Thermo Fisher Scientific | SP88857200 | |
Ice Machine | Hoshizaki | F801MWH | |
Inflow and outflow needles | Jensen Global | JG 18-3.0X | |
Inline Solution Heater | Warner Instruments | SH-27B | |
Isofluorine | Dechra | 08PB-STE22002-0122 | |
Kim Wipes | Thermo Fisher Scientific | 06-666 | |
Magnesium Chloride | Thermo Fisher Scientific | FLM33500 | |
Micropipets | Gilson | F144069 | |
Mili-Q Water Filter | Mili-Q | ZR0Q008WW | |
Paintbrush | Daler Rowney | AF85 Round: 0 | |
Paper Filter | Whatman | EW-06648-24 | |
Parafilm | American National Can | PM996 | |
Perfusion System | Multi Channel System | PPS2 | |
Pipetor | Thermo Fisher Scientific | FB14955202 | |
Platinum Harp | 3Brain | 3Brain | |
Potassium Chloride | Thermo Fisher Scientific | P330-3 | |
Razor blade | Personna | BP9020 | |
Scale | Metter Toledo | AB204 | |
Scissors | Solingen | 92008 | |
Slice Holding Chamber | Custom | Custom | Custom 3D Printer Design, available upon request |
Sodium Bicarbonate | Macron Fine Chemicals | 7412-06 | |
Sodium Chloride | Thermo Fisher Scientific | S271-3 | |
Temperature Control Box | Warner Instruments | TC344B | |
Transfer Pipettes | Genesee Scientific | 30-200 | |
Tubing | Tygon | B-44-3 TPE | |
Vibratome VZ-300 | Precissionary | VF-00-VM-NC | |
Weigh Boat | Electron Microscopy Sciences | 70040 |
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