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Controlling und Analyse von neuronalen Schaltkreisen In vivo Würde durch eine Technologie zur Bereitstellung von Viren und anderen Reagenzien zu wünschen übrig 3-dimensional Sätze von Hirnregionen erleichtert werden. Wir zeigen, kundenspezifische Fluidik-Injektor Array Herstellung und Lieferung von viral codierte optische Sensibilisatoren, so dass optische Manipulation komplexer Schaltkreise im Gehirn.
Unser Verständnis von neuronalen Schaltkreisen - stark durch eine Technologie wäre für die schnelle Targeting Gene bis hin zu komplexen 3 erleichtert - wie sie die Berechnungen, dass subserve Empfindung, Denken, Fühlen und Handeln, und wie sie sich in neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen beschädigte vermitteln - dimensionale neuronalen Schaltkreise, die die schnelle Entwicklung von "Circuit-Level Transgenik." Vor kurzem haben wir Verfahren, bei denen Viren kodieren für lichtempfindliche Proteine spezifischen Zelltypen zu Millisekunden-Zeitskala Aktivierung zu sensibilisieren und zum Schweigen im intakten Gehirn entwickelt. Wir stellen hier die Konzeption und Umsetzung eines Injektors Array der Lage ist, Viren (oder andere Flüssigkeiten), Dutzende von definierten Punkten innerhalb der 3-dimensionalen Struktur des Gehirns (
1. Der Bau Stereotaktische Clamp
2. Vorbereiten des Systems für die individuelle Injektor Array: Hamilton Pumpe und stereotax
3. Die Konstruktion der Customized Injector Array
4. Montage des gesamten Systems
5. Injektionen / Chirurgie
6. Repräsentative Ergebnisse
Die parallel Injektor Array beschleunigt eine Operation etwa um den Faktor gleich der Anzahl von Injektoren, nicht mitgerechnet Setup-und Recovery-Zeit, auch wenn einzelne Mal von der Geschicklichkeit des Behandlers abhängig ist. Für eine 1 Mikroliter Injektion, wir in der Regel sah Lentivirus Ausdruck in eine Sphäre von ca. 1mm Durchmesser (Abb. 1E). Die Präzision der Injektion war so, dass die Variabilität in der Spitze positioniert, von Versuch zu Versuch, war etwa 45 Mikrometer (Standardabweichung der Abstand von der Spitze der Lage, die beabsichtigten Position der Spitze).
Abbildung 1. Design, Implementierung und Verwendung eines parallel Virus Injektor-Array. A, schematische Darstellung des parallel Injektor-Array-System, die eine Dreifach-Injektor-Konfiguration, für drei gleichzeitige Injektionen. B, Foto von einem dreifachen parallel Injektor Array als in A diagrammed . C, stereotaktischen Klemme, in Umrissen von oben gezeigt, D, Illustration der Technik für die effiziente, Schaden-Minimierung, Öffnung der Löcher im Schädel für Injektor Einsetzen in Gehirn:. mit einem zahnärztlichen Bohrer, dünnen Schädel bis auf ~ 50 Mikron dick, dann verwenden Sie der Spitze einer spitzen Nadel eine kleine Kraniotomie öffnen. E-, Fluoreszenz-Bild zeigt Channelrhodopsin-2 (ChR2)-GFP-markierten Zellen in drei Maus-kortikalen Regionen, wie die Dreifach-Injektor Array gezielt in B gezeigt
In den letzten Jahren haben eine Reihe von genetisch kodierten optischen Sensibilisatoren Neuronen aktiviert werden, damit aktiviert werden und zum Schweigen gebracht in vivo in einem zeitlich präzise Art und Weise, in Reaktion auf kurze Lichtimpulse (zB 1,4,5,6,7,8 , 11). Eine wichtige Methode, mit der Nervenzellen sensibilisiert worden, um in das Gehirn von Säugetieren Licht haben, wird über Viren, wie zB Lentiviren und Adeno-assoziierte Viren (AAV), die Gene, die für Opsine um Gehirne von Tieren reicht von Mäusen, Affen liefern können, in einem sichere und dauerhafte Art und Weise (zB 2,9,10). Viren ermöglichen schnellere Durchlaufzeiten, als sie Transgenik, vor allem für Organismen, die nicht genetische Modellorganismen wie Ratten und Affen, und für Opsine können hohe Expression, die nicht in transgenen Szenarien möglich ermöglichen kann. Hier zeigen wir eine parallele Injektor Array in der Lage zu schaffen, in einer schnellen Zeitskala, "Circuit-Level-Transgenen," enabling gesamte 3-dimensionale Hirnstrukturen zu viral mit einem Gen gezielt in einem einzigen chirurgischen Schritt. Der Injektor Array besteht aus einer oder mehreren Verdrängerpumpen, dass jedes Laufwerk eine Reihe von Spritzen, von denen jeder in eine Polyimid / Fused-Silica-Feeds über eine Hochdruck-tolerant Anschluss Kapillare. Die Kapillaren sind so bemessen, und dann in, gewünschten Stellen durch individuelle Fräsen einer stereotaktischen Positionierung Bord angegebenen eingefügt, so dass Viren oder andere Reagenzien auf den gewünschten Satz an Hirnregionen geliefert werden. Zur Verwendung des Geräts, der Chirurg füllt zunächst die fluidische Subsystem vollständig mit Öl, Hinterfüllungen die Kapillaren mit dem Virus, fügt das Gerät in das Gehirn, und flößt Reagenzien langsam (<0,1 ul / min).
Diese Technologie ermöglicht eine Vielzahl neuer Arten von Experimenten, wie Millisekunden-Zeitskala Herunterfahren von komplex geformten Strukturen (wie dem Hippocampus) zu präzisen Zeitpunkten während Verhalten, zeitlich präzise Inaktivierung von bilateralen Strukturen, die redundant wirken können (z. B. der linken und rechten Amygdala), und die Störung mehrerer diskreter Hirnregionen (zB zum Antrieb von zwei verbundenen Regionen außer Phase zu untersuchen, wie Cross-Region synchron hängt Aktivität innerhalb jeder Region oder anregend Eingänge zu einer Region, während silencing eine Teilmenge von die Ziele, um zu verstehen, welche der verschiedenen Ziele sind entscheidend für die Vermittlung der Auswirkungen dieser Eingänge). Für große Gehirne wie die in den Primaten, bei denen wir vor kurzem optische Zelltyp spezifische neuronale Aktivierung 3, störende Tätigkeit in einem verhaltensgestörte relevanten Bereich können virale Kennzeichnung von großen, komplexen Strukturen erfordern demonstriert. Wir stellen fest, dass parallel Injektor-Arrays verwendet werden, um nahezu jede Nutzlast zu injizieren - Drogen, Neuromodulatoren, Neurotransmitter, oder sogar Zellen - in komplexe 3-D-Muster im Gehirn, in einer zeitlich präzise Art und Weise. Schließlich ist aus einer translatorischen Standpunkt aus ist es möglich, dass eine schnelle, Patienten-individuelle Gentherapie oder Drug-Delivery-Geräte können schnell werden individuell entworfen und gefertigt, um individuelle Gehirn Geometrien übereinstimmen, die Unterstützung neuer Behandlungsmöglichkeiten für eine Vielzahl von Erkrankungen, die möglicherweise durch den Einsatz von optische Kontrolle Moleküle.
Der Injektor-Arrays wurden entwickelt, um genau zu sein, sowohl räumlich als auch volumetrisch. In der X-und Y-Richtung, ist dies durch Bohrungen sehr genau platziert Löcher mit einer kostengünstigen Mini-Mühle, mit den Löchern, die gerade groß genug, um die Injektoren, so dass Injektoren parallel zueinander statt fit erreicht, und in einer präzisen Standort. In der Z-Richtung sind die Injektoren getrimmt mit einem stereotaktischen Apparat, so dass ein Maß an Präzision entspricht, dass der stereotaktischen Operation. Die volumetrische Genauigkeit ergibt sich aus der Präzision der Hamilton-Pumpe, sowie die nahe null Totvolumen Anschlüsse, aus der Hochdruck-Flüssigchromatographie (HPLC) Gebiet angepasst. Die Injektoren sind aus Quarzglas Kapillarrohr, die stark und stabil genug, dass es genau die Form und den Abstand unter Druck hält gemacht wird, ohne größere Wandstärke von Alternativen wie z. B. Stahl Kanülen. Kleine Änderungen können leicht den parallel Injektor-Array an eine Vielzahl von Experimenten anzupassen. Zum Beispiel, wenn ein kleineres Volumen von Viren oder feiner Abstand erforderlich ist, können kleinere Kapillarrohr eingesetzt, zusammen mit einem entsprechenden kleineren Bohrer werden. Zukünftige Geräte können zu nutzen mikrofluidischen Kanälen und Pumpen, um die Anzahl der parallel Injektoren zu erhöhen, um die Größe zu minimieren (vielleicht die solche Bauteile auf die Köpfe der frei beweglichen Tieren montiert werden).
ESB erkennt Finanzierung durch New Innovator des NIH Director Award (DP2 OD002002-01), NIH Challenge Grant 1RC1MH088182-01, NIH Große Chancen Stipendium 1RC2DE020919-01, NIH 1R01NS067199-01, NSF (0835878 und 0848804), die McGovern Institute Neurotechnologie Award Program , dem Department of Defense, NARSAD, die Alfred P. Sloan Foundation, Jerry und Marge Burnett, der SFN-Forschungspreis für Innovation in Neuroscience, dem MIT Media Lab, der Benesse Stiftung und der Wallace H. Coulter Foundation.
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 |
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