Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD) und von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), unter der Schirmherrschaft von Dr. Jack W. Judy (unterstützt jack.judy @ darpa.mil) als Teil des Zuverlässige Neural Technology Program, durch das Space and Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Pacific Stipendium Nr. N66001-11-1 bis 4013.

1. Richten Sie das Instrument Elektrochemie <ol><li> Elektrochemie Instrumentierung wie ein Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, NL) ist für die EIS-, CV-und Verjüngungskur nötig. Die FRA2 Add-on ermöglicht EIS, und der Kanal Multiplexer (MUX)-Add-on ist zum Testen von Multi-Channel-Elektroden. </li><li> Bauen Sie ein headstage Adapter, um den Kanal MUX zum headstage verbinden. </li><li> Nehmen Sie die Anschlüsse. Verbinden der Arbeits-und Abfühlelektroden an den Kanal MUX und eine Verbindung der Referenz-und Gegenelektroden auf den Teil des headstage Adapter an den aktuellen Rückkanal, typischerweise eine implantierte rostfreiem Stahl oder Titan Knochenschraube. </li></ol> 2. Elektrische Impedanzspektroskopie <ol><li> Starten Sie das Frequency Response Analyzer (FRA)-Software, und überprüfen Sie die Einstellungen in der Datei Vorgehensweise. Das Verfahren sollte auf zwei Multi-Sinus-Wellenformen aus je 15 Sines gleichzeitig im Bereich von 10 Hz bis 30 testenkHz. Die angelegte Spannung sollte 25 mV oder weniger (siehe ergänzende Methoden) sein. </li><li> Öffnen und bearbeiten Sie die Projektdatei. Das Projekt verwendet die Prozedur-Datei, durchläuft jedes Kanals, und speichert das Ergebnis (siehe ergänzende Methoden). </li><li> Verbinden tierischen Patienten mit einem passiven (ohne Verstärker) headstage. Aktive headstages wird nicht passieren Eingangssignale. </li><li> Führen Sie die Project-Datei. Jeder Kanal dauert zehn Sekunden je nach Einstellungen. </li><li> Anzeigen und interpretieren Ergebnis. Parsen der Ausgabe von Textdateien mit MATLAB (Natick, MA), und machen eine Ortskurve. Ein Halbkreis bei höheren Frequenzen weist auf eine Reaktion des Gewebes. </li></ol> 3. Cyclovoltammetrie <ol><li> Starten Sie den General Purpose Elektrochemie System (GPES)-Software, und überprüfen Sie die Einstellungen in der Datei Vorgehensweise. Das Verfahren sollte, um die Spannung bei 50 kehren mV / s innerhalb der Grenzen der Hydrolyse, die zwischen + 0,8 und -0,6 V für typische neuronalen Elektrodenmaterialien ist (Pt,Ir, IrOx). Mindestens drei Scans sollte für das System ausgeführt werden, um Gleichgewicht zu erreichen. Die Ergebnisse aus dem endgültigen Scan gespeichert werden (siehe ergänzende Methoden). Die Abtastrate kann Anspruch 1 V / s erhöht werden, um die Messzeit zu reduzieren, aber die Form der IV-Kurve wird wahrscheinlich ändern, wenn die Abtastrate schneller als die Charge-Transfer-Reaktionen an der Elektrode-Gewebe-Grenzfläche. </li><li> Öffnen und bearbeiten Sie die Projektdatei. Das Projekt verwendet die Prozedur-Datei, durchläuft jedes Kanals, und speichert das Ergebnis (siehe ergänzende Methoden). </li><li> Verbinden tierischen Patienten mit einer passiven headstage. </li><li> Führen Sie die Project-Datei. Jeder Kanal dauert etwa drei Minuten, je nach Einstellungen. Eine Erhöhung der Abtastrate Anspruch 1 V / s verkürzt die Messzeit ungefähr zehn Sekunden pro Kanal. </li><li> Anzeigen und interpretieren Ergebnis. Parsen der Ausgabe von Textdateien mit MATLAB, und skizzieren Sie die IV Beziehung. Die Aufladung Tragfähigkeit wird durch Integrieren der Fläche quantifiziertdes kathodischen Stroms innerhalb des Lebenslaufs. </li></ol> 4. Verjüngung <ol><li> Starten Sie den General Purpose Elektrochemie System (GPES)-Software, und überprüfen Sie die Einstellungen in der Datei Vorgehensweise. Mit den Schritten und Sweeps Methode sollte das Verfahren eingestellt, um die Spannung auf 1,5 V Schritt für eine Dauer von 4 Sekunden (siehe ergänzende Methoden) werden. </li><li> Öffnen und bearbeiten Sie die Projektdatei. Das Projekt verwendet die Prozedur-Datei, durchläuft jedes Kanals, und speichert das Ergebnis (siehe ergänzende Methoden). </li><li> Verbinden tierischen Patienten mit einer passiven headstage. </li><li> Führen Sie die Project-Datei. Jeder Kanal dauert etwa 10 Sekunden. 4.5) sammeln EIS und CV-Daten und Ergebnisse interpretieren. </li></ol> 5. Repräsentative Ergebnisse Ein typischer Workflow, darunter Aufnahmen, EIS, Lebenslauf und Verjüngung, ist in Abbildung 1 dargestellt. Recordings und EIS werden am häufigsten (täglich oder wöchentlich) über alle Kanäle gesammelt, während CV undVerjüngung kann verwendet werden, wenn Spike-Aktivität ist nicht mehr nachweisbar sein. EIS Veränderungen im Laufe von Tagen bis Wochen nach einer Elektrode implantiert. Wenn EIS Daten als Ortskurve angezeigt wird, kann bei höheren Frequenzen (in der Nähe des Ursprungs), welches die Reaktion des Gewebes an der Elektrode zur Verfügung (Abb. 2) Halbkreis. CV erzeugt einen Strom-Spannungs (IV)-Kurve zeigt eine Hysterese. Die wichtigsten CV Statistik ist die Aufladung Tragfähigkeit, der Bereich innerhalb des IV-Kurve von der Elektrode Areals normalisiert (Abb. 3 a). Elektroden mit großen Ladekapazität sind für Micro-Stimulations bevorzugt. Während Verjüngung eine Spannung angelegt wird, die normalerweise zu einer erhöhten Ladekapazität und die Impedanz Größen (Fig. 3a &amp; b) verringert. Spiking kann auch in Kanälen, die zuvor Spikes (Abbildung 4a) wiederhergestellt werden. Während Verjüngung hat nur kurzfristige Auswirkungen auf die Impedanz-und Signal-zu-ohneISE-Verhältnis (SNR), kann diese Technik täglich angewendet werden. Abbildung 4b &amp; C zeigt täglich Pre-und Post-Verjüngung 1 kHz Impedanz Größe und SNR-Daten für einen 16-Kanal-Array in Meerschweinchen Kortex implantiert. Verjüngung &#39;verfügt über eine robuste Wirkung auf die Senkung der 1 kHz Impedanz Größenordnung von einer Größenordnung nach jeder Anwendung. Als ein Ergebnis von wiedergewonnenen Signalen und eine geringere Impedanz erhöht SNR nach jeder Verjüngung Sitzung. Letztlich wurden alle Signale nach 160 Tage nach der Implantation und der Verjüngung nicht mehr wirksam war verloren. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig1.jpg" alt="1" /> Abbildung 1. EIS wird nach jeder Aufnahme-Session gemessen. Wenn keine Spikes auf einem Kanal, auf dem zuvor Spikes werden aufgezeichnet, und EIS zeigt eine große Gewebe-Komponente, die im Laufe der Zeit zugenommen hat, dann CV und Verjüngung sind auf diesem Kanal versucht. EIS und Aufnahmen werden dann verwendet, um festzustellen, ob die Behandlung erfolgreich war. Abbildung 2. EIS Daten in einer Ortskurve einer Elektrode unmittelbar nach der Implantation (blau), und 4 Monate später (grün) angezeigt. Jeder Punkt auf der Ortskurve repräsentiert die realen und imaginären Impedanz bei einer einzigen Frequenz. Eine partielle Halbkreis durch das Gewebe um die Webseite bei höheren Frequenzen deutlich. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig3.jpg" alt="Abbildung 3" /> Abbildung 3. CV und EIS Änderungen einer implantierten Elektrode Iridiumoxid Pre-und Post-Verjüngung. (A) Verjüngung erhöht den Bereich der IV-Kurve entsprechend einer erhöhten Aufladung Tragfähigkeit. (B) eine erhebliche Verschiebung in der Impedanz specra auf niedrigere Impedanz Ebenen wird in der Regel nach Verjüngung beobachtet. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig4.jpg" alt="Abbildung 4" /> Abbildung 4. Effects von Spannung Vorspannung auf den Aufzeichnungen und Impedanz. (A) Pre-und Post-Verjüngung Aufnahmen zeigen Spikes auf den Kanälen, die zuvor stille wiederhergestellt werden können. Täglich Pre-und Post-Verjüngung führt zu einem robusten (B) Tropfen auf 1 kHz Impedanz Betrag und (C) Erhöhung der SNR für ca. 150 Tage nach der Operation. Fehlerbalken repräsentieren Standardfehler von Daten aus einer 16-Kanal-Array in Meerschweinchen Kortex implantiert gesammelt.

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	<li>Szarowski, D. H., Andersen, M. D., Retterer, S., Spence, A. J., Isaacson, M., Craighead, H. G., Turner, J. N., Shain, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+responses+to+micro&#45;machined+silicon+devices.">Brain responses to micro&#45;machined silicon devices.</a> Brain Res. 983, 23-35 (2003).</li><li>Vetter, R. J., Williams, J. C., Hetke, J. F., Nunamaker, E. A., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+neural+recording+using+silicon&#45;substrate+microelectrode+arrays+implanted+in+cerebral+cortex.">Chronic neural recording using silicon&#45;substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 51, 896-904 (2004).</li><li>Williams, J. C., Hippensteel, J. A., Dilgen, J., Shain, W., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Complex+impedance+spectroscopy+for+monitoring+tissue+responses+to+inserted+neural+implants.">Complex impedance spectroscopy for monitoring tissue responses to inserted neural implants.</a> J. Neural Eng. 4, 410-423 (2007).</li><li>Johnson, M. D., Otto, K. J., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Repeated+voltage+biasing+improves+unit+recordings+by+reducing+resistive+tissue+impedances.">Repeated voltage biasing improves unit recordings by reducing resistive tissue impedances.</a> IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 13, 160-165 (2005).</li><li>Otto, K. J., Johnson, M. D., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Voltage+pulses+change+neural+interface+properties+and+improve+unit+recordings+with+chronically+implanted+microelectrodes.">Voltage pulses change neural interface properties and improve unit recordings with chronically implanted microelectrodes.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 53, 333-340 (2006).</li><li>Pickup, P. G., Birss, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+model+for+anodic+hydrous+oxide&#45;growth+at+iridium.">A model for anodic hydrous oxide&#45;growth at iridium.</a> J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).</li></ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Neuronale Aufnahme prothetische Systeme zeigen eine begrenzte funktionale Lebensdauer als Aufnahme-Fähigkeit nimmt mit der Zeit nach der Implantation. Die wahrscheinlichste Spender eine abnehmende Leistung ist die reaktive Gewebereaktion auf der implantierten Vorrichtung eine kompakte glialen Hülle funktional isoliert die Fremdkörper von gesunden Gewebe 1. Zusammen mit neuronalen Aufnahme werden elektrochemischen Messungen (EIS und CV) typischerweise für Längs-Überwachung der Elektrode-Gewebe-Grenzfläche 2,3 verwendet. EIS ist praktisch nützlich, um die Aufnahme-Fähigkeit der Schnittstelle. Die Impedanz erhöht schnell mit der Zeit nach der Implantation was auf die reaktiven Reaktion des Gewebes auf die elektrischen Eigenschaften der Schnittstelle 3 ändert. Darüber hinaus kann EIS-Daten verwendet, um die zelluläre Zusammensetzung angrenzend an die implantierte Elektrode 3-5 modellieren. Cyclovoltammetrie kann verwendet werden, um weiter zu untersuchen Veränderungen in Aufnahmen und EIS werden. Die elektrode Material und Rauhigkeit sowie die elektrochemischen Reaktionen und das umgebende Gewebe beeinflussen die Form der IV-Kurve. Große Aufladung Tragfähigkeit aus dem Bereich der IV-Kurve bestimmt wird, wird üblicherweise bevorzugt, insbesondere für elektrische Mikro-Stimulation. Niedrige Ladekapazität wird oft mit einer erhöhten EIS assoziiert. Das Potential während CV angewandt verändern können selbst Ladekapazität und EIS, vor allem wenn der Spannungsbereich, groß genug, um Redoxreaktionen zu fahren ist. Das Anlegen von Spannung Vorspannen oder Verjüngung, mit dem Zweck der Erhöhung Aufladung Tragfähigkeit verwendet werden, verringert die Impedanz und die Steigerung der Anzahl von Kanälen mit aufgezeichneten Spitzen 5. Die Oxidation wird wahrscheinlich an der Elektrode auftreten Schnittstelle während Verjüngung, und mit Iridium-Materialien, bildet ein wasserhaltiges Oxid Monoschicht an anodischen Potentiale von 1,2 V 6. Es wurde vorgeschlagen, dass die Bildung dieser Monoschicht können, zu entfernen zellulären und ACELlulären Material der Elektrode, was zu niedrigeren Impedanz an der Grenzfläche 5 befestigt. Während Verjüngung neuronale Signale verloren wiederherstellen können, ist es am effektivsten, wenn auf den Kanälen, die zuvor Spikes innerhalb weniger Tage vor verwendet. Recordings, EIS, CV, und Verjüngung kann am besten als ergänzende Instrumente bei der Überwachung der neuronale Schnittstelle und die Verbesserung der langfristigen Funktionalität der implantierten Geräten verwendet werden.

<table border="1"><tbody><tr><td> Ausrüstung </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td> Elektrochemie Instrument </td><td> Metrohm Autolab </td><td> PGSTAT128N </td><td> Add-ons: FRA2-, Kanal-MUX </td></tr><tr><td> Passive Headstage </td><td> Tucker-Davis Technologies </td><td></td><td> Modell hängt davon ab, Stecker und Kanalanzahl </td></tr><tr><td> 26-polige Buchse </td><td> AMP </td><td> 5749069-2 </td><td> Headstage Adapter oder Ersatzlieferung entsprechenden Anschluss für Ihre headstage </td></tr><tr><td> Banana Jacks </td><td> Digikey </td><td> J151-ND </td><td> Der Adapter Headstage Autolab Kanal MUX hat Bananenstecker </td></tr></tbody></table>

voltage biasing, cyclic voltammetry, &amp; electrical impedance spectroscopy for neural interfaces

Elektrische Impedanz-Spektroskopie (EIS) und Cyclovoltammetrie (CV) Maßnahme Eigenschaften der Elektroden-Gewebe-Schnittstelle ohne zusätzliche invasive Verfahren, und kann verwendet werden, um Elektrodenleistung langfristig zu überwachen. EIS misst die elektrische Impedanz bei mehreren Frequenzen und einen Anstieg der Impedanz zeigen erhöhte gliale Narbenbildung um das Gerät herum, während Cyclovoltammetrie misst die Aufladung Tragfähigkeit der Elektrode, und gibt an, wie Ladung auf verschiedenen Spannungsebenen übertragen wird. Als implantierten Elektroden Alter, EIS und CV-Daten ändern, und Elektrode Websites, die zuvor aufgezeichneten neuronaler Elemente zeigen oft deutlich niedrigere Wirksamkeit für neuronale Aufnahme. Die Anwendung einer kurzen Spannungsimpuls zu implantierten Elektroden-Arrays, wie Verjüngung bekannt ist, kann zurückbringen Spike-Aktivität auf andere Weise stillen Elektrode Standorte für einen bestimmten Zeitraum. Verjüngung ändert EIS und CV, und kann durch diese komplementäre Methoden überwacht werden. Typischerweise ist die EIS täglich als Hinweis auf die Reaktion des Gewebes an der Elektrode vor Ort gemessen. Wenn Spitzen vorhanden in einem Kanal, auf dem zuvor Spitzen sind, dann ist CV wird verwendet, um die Ladung tragende Kapazität der Elektrode Standort zu bestimmen, und Verjüngung angewendet werden, um die Schnittstelle Wirksamkeit zu verbessern. CV und EIS werden dann wiederholt, um die Änderungen an der Elektrode-Gewebe-Grenzfläche zu prüfen und neuronalen Aufnahmen gesammelt werden. Das übergeordnete Ziel der Verjüngung ist es, die funktionelle Lebensdauer von implantierten Arrays zu erweitern.

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Voltage Biasing, Cyclic Voltammetry, &amp; Electrical Impedance Spectroscopy for Neural Interfaces

Die Elektrode-Gewebe-Grenzfläche von neuronalen Aufnahme Elektroden können mit elektrischen Impedanzspektroskopie (EIS) und Cyclovoltammetrie (CV) charakterisiert werden. Anwendung der Vorspannschaltung Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode-Gewebe-Grenzfläche und verbessert werden können Aufnahmefähigkeit. Spannung Vorspannung, sind EIS, CV-und neuronalen Aufnahmen ergänzen.

Vorspannschaltung, Cyclovoltammetrie, Impedanzspektroskopie &amp; Elektrotechnik für Neuronale Interfaces

Electrical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) measure properties of the electrode-tissue interface without additional invasive ...

voltage-biasing-cyclic-voltammetry-electrical-impedance-spectroscopy

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24.4K Aufrufe.  Purdue University. Die Elektrode-Gewebe-Grenzfläche von neuronalen Aufnahme Elektroden können mit elektrischen Impedanzspektroskopie (EIS) und Cyclovoltammetrie (CV) charakterisiert werden. Anwendung der Vorspannschaltung Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode-Gewebe-Grenzfläche und verbessert werden können Aufnahmefähigkeit. Spannung Vorspannung, sind EIS, CV-und neuronalen Aufnahmen ergänzen.

Serie: Voltage Biasing, Cyclic Voltammetry, & Electrical Impedance Spectroscopy for Neural Interfaces

Presynaptic Dopamine Dynamics in Striatal Brain Slices with Fast-scan Cyclic Voltammetry

Extensive research has focused on the neurotransmitter dopamine because of its importance in the mechanism of action of drugs of abuse (e.g. cocaine and amphetamine), the role it plays in psychiatric illnesses (e.g. schizophrenia and Attention Deficit Hyperactivity Disorder), and its involvement in degenerative disorders like Parkinson's and Huntington's disease. Under normal physiological conditions, dopamine is known to regulate locomotor activity, cognition, learning, emotional affect, and neuroendocrine hormone secretion. One of the largest densities of dopamine neurons is within the striatum, which can be divided in two distinct neuroanatomical regions known as the nucleus accumbens and the caudate-putamen. The objective is to illustrate a general protocol for slice fast-scan cyclic voltammetry (FSCV) within the mouse striatum. FSCV is a well-defined electrochemical technique providing the opportunity to measure dopamine release and uptake in real time in discrete brain regions. Carbon fiber microelectrodes (diameter of ~ 7 &mu;m) are used in FSCV to detect dopamine oxidation. The analytical advantage of using FSCV to detect dopamine is its enhanced temporal resolution of 100 milliseconds and spatial resolution of less than ten microns, providing complementary information to in vivo microdialysis.

Using fast-scan cyclic voltammetry to measure electrically evoked presynaptic dopamine dynamics in striatal brain slices.

Präsynaptische Dynamics in striatalen Hirnschnitten mit Fast-Scan-Cyclovoltammetrie

Extensive research has focused on the neurotransmitter dopamine because of its importance in the mechanism of action of drugs of abuse (e.g. cocaine and ...

Forschung

Neurowissenschaften

Detection of Microregional Hypoxia in Mouse Cerebral Cortex by Two-photon Imaging of Endogenous NADH Fluorescence

The brain's ability to function at high levels of metabolic demand depends on continuous oxygen supply through blood flow and tissue oxygen diffusion. Here we present a visualized experimental and methodological protocol to directly visualize microregional tissue hypoxia and to infer perivascular oxygen gradients in the mouse cortex. It is based on the non-linear relationship between nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) endogenous fluorescence intensity and oxygen partial pressure in the tissue, where observed tissue NADH fluorescence abruptly increases at tissue oxygen levels below 10 mmHg1. We use two-photon excitation at 740 nm which allows for concurrent excitation of intrinsic NADH tissue fluorescence and blood plasma contrasted with Texas-Red dextran. The advantages of this method over existing approaches include the following: it takes advantage of an intrinsic tissue signal and can be performed using standard two-photon in vivo imaging equipment; it permits continuous monitoring in the whole field of view with a depth resolution of ~50 &mu;m. We demonstrate that brain tissue areas furthest from cerebral blood vessels correspond to vulnerable watershed areas which are the first to become functionally hypoxic following a decline in vascular oxygen supply. This method allows one to image microregional cortical oxygenation and is therefore useful for examining the role of inadequate or restricted tissue oxygen supply in neurovascular diseases and stroke.

Here we describe a method to directly visualize microregional tissue hypoxia in the mouse cortex in vivo. It is based on concurrent two-photon imaging of nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and the cortical microcirculation. This method is useful for high resolution analysis of tissue oxygen supply.

Erkennung von mikroregionale Hypoxie in Maus-Großhirnrinde Zwei-Photonen-Imaging von endogenen NADH Fluoreszenz

The brain's ability to function at high levels of metabolic demand depends on continuous oxygen supply through blood flow and tissue oxygen diffusion. ...

Reproducible Mouse Sciatic Nerve Crush and Subsequent Assessment of Regeneration by Whole Mount Muscle Analysis

Regeneration in the peripheral nervous system (PNS) is widely studied both for its relevance to human disease and to understand the robust regenerative response mounted by PNS neurons thereby possibly illuminating the failures of CNS regeneration1. Sciatic nerve crush (axonotmesis) is one of the most common models of peripheral nerve injury in rodents2. Crushing interrupts all axons but Schwann cell basal laminae are preserved so that regeneration is optimal3,4. This allows the investigator to study precisely the ability of a growing axon to interact with both the Schwann cell and basal laminae4. Rats have generally been the preferred animal models for experimental nerve crush. They are widely available and their lesioned sciatic nerve provides a reasonable approximation of human nerve lesions5,4. Though smaller in size than rat nerve, the mouse nerve has many similar qualities. Most importantly though, mouse models are increasingly valuable because of the wide availability of transgenic lines now allows for a detailed dissection of the individual molecules critical for nerve regeneration6, 7. Prior investigators have used multiple methods to produce a nerve crush or injury including simple angled forceps, chilled forceps, hemostatic forceps, vascular clamps, and investigator-designed clamps8,9,10,11,12. Investigators have also used various methods of marking the injury site including suture, carbon particles and fluorescent beads13,14,1. We describe our method to obtain a reproducibly complete sciatic nerve crush with accurate and persistent marking of the crush-site using a fine hemostatic forceps and subsequent carbon crush-site marking. As part of our description of the sciatic nerve crush procedure we have also included a relatively simple method of muscle whole mount we use to subsequently quantify regeneration.

In this report we describe a method to crush mouse sciatic nerve. This method uses readily available hemostatic forceps and easily and reproducibly produces complete sciatic nerve crush. In addition, we describe a method to prepare muscle whole mounts suitable for analysis of nerve regeneration after sciatic nerve crush.

Reproduzierbare Maus Ischiasnerv Crush und anschließende Bewertung der Regeneration von Whole mount Muskelanalyse

Regeneration in the peripheral nervous system (PNS) is widely studied both for its relevance to human disease and to understand the robust regenerative ...

Laser Nanosurgery of Cerebellar Axons In Vivo

Only a few neuronal populations in the central nervous system (CNS) of adult mammals show local regrowth upon dissection of their axon. In order to understand the mechanism that promotes neuronal regeneration, an in-depth analysis of the neuronal types that can remodel after injury is needed. Several studies showed that damaged climbing fibers are capable of regrowing also in adult animals1,2. The investigation of the time-lapse dynamics of degeneration and regeneration of these axons within their complex environment can be performed by time-lapse two-photon fluorescence (TPF) imaging in vivo3,4. This technique is here combined with laser surgery, which proved to be a highly selective tool to disrupt fluorescent structures in the intact mouse cortex5-9.
This protocol describes how to perform TPF time-lapse imaging and laser nanosurgery of single axonal branches in the cerebellum in vivo. Olivocerebellar neurons are labeled by anterograde tracing with a dextran-conjugated dye and then monitored by TPF imaging through a cranial window. The terminal portion of their axons are then dissected by irradiation with a Ti:Sapphire laser at high power. The degeneration and potential regrowth of the damaged neuron are monitored by TPF in vivo imaging during the days following the injury.

Laser Nanosurgery of Cerebellar Axons In Vivo

Two-photon imaging, coupled to laser nanodissection, are useful tools to study degenerative and regenerative processes in the central nervous system with subcellular resolution. This protocol shows how to label, image, and dissect single climbing fibers in the cerebellar cortex in vivo.

Laser-Nanochirurgie der Kleinhirn-Axone<em&gt; In Vivo</em

Only a few neuronal populations in the central nervous system (CNS) of adult mammals show local regrowth upon dissection of their axon. In order to ...

Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels). The present protocol describes how this method can be used to stimulate the posterior tibial nerve that activates plantar flexor muscles. Percutaneous electrical nerve stimulation consists of inducing an electrical stimulus to a motor nerve to evoke a muscular response. Direct (M-wave) and/or indirect (H-reflex) electrophysiological responses can be recorded at rest using surface electromyography. Mechanical (twitch torque) responses can be quantified with a force/torque ergometer. M-wave and twitch torque reflect neuromuscular transmission and excitation-contraction coupling, whereas H-reflex provides an index of spinal excitability. EMG activity and mechanical (superimposed twitch) responses can also be recorded during maximal voluntary contractions to evaluate voluntary activation level. Percutaneous nerve stimulation provides an assessment of neuromuscular function in humans, and is highly beneficial especially for studies evaluating neuromuscular plasticity following acute (fatigue) or chronic (training/detraining) exercise.

We present a protocol to assess changes in neuromuscular function. Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method that evokes muscular responses. Electrophysiological and mechanical properties of these responses permit the evaluation of neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels).

Beurteilung der neuromuskulären Funktion Mit Perkutane elektrische Nervenstimulation

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, ...

Modeling Fast-scan Cyclic Voltammetry Data from Electrically Stimulated Dopamine Neurotransmission Data Using QNsim1.0

Central dopaminergic (DAergic) pathways have an important role in a wide range of functions, such as attention, motivation, and movement. Dopamine (DA) is implicated in diseases and disorders including attention deficit hyperactivity disorder, Parkinson's disease, and traumatic brain injury. Thus, DA neurotransmission and the methods to study it are of intense scientific interest. In vivo fast-scan cyclic voltammetry (FSCV) is a method that allows for selectively monitoring DA concentration changes with fine temporal and spatial resolution. This technique is commonly used in conjunction with electrical stimulations of ascending DAergic pathways to control the impulse flow of dopamine neurotransmission. Although the stimulated DA neurotransmission paradigm can produce robust DA responses with clear morphologies, making them amenable for kinetic analysis, there is still much debate on how to interpret the responses in terms of their DA release and clearance components. To address this concern, a quantitative neurobiological (QN) framework of stimulated DA neurotransmission was recently developed to realistically model the dynamics of DA release and reuptake over the course of a stimulated DA response. The foundations of this model are based on experimental data from stimulated DA neurotransmission and on principles of neurotransmission adopted from various lines of research. The QN model implements 12 parameters related to stimulated DA release and reuptake dynamics to model DA responses. This work describes how to simulate DA responses using QNsim1.0 and also details principles that have been implemented to systematically discern alterations in the stimulated dopamine release and reuptake dynamics.

Fast-scan cyclic voltammetry can monitor in vivo dopamine neurotransmission in the context of drugs, disease, and other experimental manipulations. This work describes the implementation of QNsim1.0, a software to model electrically stimulated dopamine responses according to the quantitative neurobiological model to quantify estimates of dopamine release and reuptake dynamics.

Modellierung Fast-Scan Zyklische Voltammetrie Daten aus elektrisch stimulierten Dopamin Neurotransmission Daten mit QNsim1.0

Central dopaminergic (DAergic) pathways have an important role in a wide range of functions, such as attention, motivation, and movement. Dopamine (DA) is ...

Electrophysiological Method for Whole-cell Voltage Clamp Recordings from Drosophila Photoreceptors

Whole-cell voltage clamp recordings from Drosophila melanogaster photoreceptors have revolutionized the field of invertebrate visual transduction, enabling the use of D. melanogaster molecular genetics to study inositol-lipid signaling and Transient Receptor Potential (TRP) channels at the single-molecule level. A handful of labs have mastered this powerful technique, which enables the analysis of the physiological responses to light under highly controlled conditions. This technique allows control over the intracellular and extracellular media; the membrane voltage; and the fast application of pharmacological compounds, such as a variety of ionic or pH indicators, to the intra- and extracellular media. With an exceptionally high signal-to-noise ratio, this method enables the measurement of dark spontaneous and light-induced unitary currents (i.e.&#160;spontaneous and quantum bumps) and macroscopic Light-induced Currents (LIC) from single D. melanogaster photoreceptors. This protocol outlines, in great detail, all the key steps necessary to perform this technique, which includes both electrophysiological and optical recordings. The fly retina dissection procedure for the attainment of intact and viable ex vivo isolated ommatidia in the bath chamber is described. The equipment needed to perform whole-cell and fluorescence imaging measurements are also detailed. Finally, the pitfalls in using this delicate preparation during extended experiments are explained.

Electrophysiological Method for Whole-cell Voltage Clamp Recordings from Drosophila Photoreceptors

Whole-cell recordings from Drosophila melanogaster photoreceptors enable the measurement of spontaneous dark bumps, quantum bumps, macroscopic responses to light, and current-voltage relationships under various conditions. In combination with D. melanogaster genetic manipulation tools, this method enables the study of the ubiquitous inositol-lipid signaling pathway and its target, the TRP channel.

Elektrophysiologische Methode für Ganzzell-Spannungsklemmen Aufnahmen von<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotorezeptoren

Whole-cell voltage clamp recordings from Drosophila melanogaster photoreceptors have revolutionized the field of invertebrate visual transduction, ...

Time-dependent Increase in the Network Response to the Stimulation of Neuronal Cell Cultures on Micro-electrode Arrays

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network dynamics in neuronal cultures. In contrast with more traditional methods, such as patch-clamping, which can only record activity from a single cell, MEAs can record simultaneously from multiple sites in a network, without requiring the arduous task of placing each electrode individually. Moreover, numerous control and stimulation configurations can be easily applied within the same experimental setup, allowing for a broad range of dynamics to be explored. One of the key dynamics of interest in these in vitro studies has been the extent to which cultured networks display properties indicative of learning. Mouse neuronal cells cultured on MEAs display an increase in response following training induced by electrical stimulation. This protocol demonstrates how to culture neuronal cells on MEAs; successfully record from over 95% of the plated dishes; establish a protocol to train the networks to respond to patterns of stimulation; and sort, plot, and interpret the results from such experiments. The use of a proprietary system for stimulating and recording neuronal cultures is demonstrated. Software packages are also used to sort neuronal units. A custom-designed graphical user interface is used to visualize post-stimulus time histograms, inter-burst intervals, and burst duration, as well as to compare the cellular response to stimulation before and after a training protocol. Finally, representative results and future directions of this research effort are discussed.

Mouse neuronal cells cultured on multi-electrode arrays display an increase in response following electrical stimulation. This protocol demonstrates how to culture neurons, how to record activity, and how to establish a protocol to train the networks to respond to patterns of stimulation.

Zeitabhängige Erhöhung der Netzwerkreaktion auf die Stimulation von neuronalen Zellkulturen auf Mikroelektroden-Arrays

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network ...

Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials, Electrocardiogram, Electromyogram, and Breathing Rhythm from a Freely Moving Rat

Monitoring the physiological dynamics of the brain and peripheral tissues is necessary for addressing a number of questions about how the brain controls body functions and internal organ rhythms when animals are exposed to emotional challenges and changes in their living environments. In general experiments, signals from different organs, such as the brain and the heart, are recorded by independent recording systems that require multiple recording devices and different procedures for processing the data files. This study describes a new method that can simultaneously monitor electrical biosignals, including tens of local field potentials in multiple brain regions, electrocardiograms that represent the cardiac rhythm, electromyograms that represent awake/sleep-related muscle contraction, and breathing signals, in a freely moving rat. The recording configuration of this method is based on a conventional micro-drive array for cortical local field potential recordings in which tens of electrodes are accommodated, and the signals obtained from these electrodes are integrated into a single electrical board mounted on the animal's head. Here, this recording system was improved so that signals from the peripheral organs are also transferred to an electrical interface board. In a single surgery, electrodes are first separately implanted into the appropriate body parts and the target brain areas. The open ends of all of these electrodes are then soldered to individual channels of the electrical board above the animal's head so that all of the signals can be integrated into the single electrical board. Connecting this board to a recording device allows for the collection of all of the signals into a single device, which reduces experimental costs and simplifies data processing, because all data can be handled in the same data file. This technique will aid the understanding of the neurophysiological correlates of the associations between central and peripheral organs.

This study introduces a method for the simultaneous recording of local field potentials in the brain, electrocardiograms, electromyograms, and breathing signals of a freely moving rat. This technique, which reduces experimental costs and simplifies data analysis, will contribute to the understanding of the interactions between the brain and peripheral organs.

Gleichzeitige Aufnahmen der kortikalen lokales Feld Potentiale, Elektrokardiogramm, Elektromyogramm und Atemrhythmus aus einem frei beweglichen Ratte

Monitoring the physiological dynamics of the brain and peripheral tissues is necessary for addressing a number of questions about how the brain controls ...

Wide-field Single-photon Optical Recording in Brain Slices Using Voltage-sensitive Dye

Wide-field single photon voltage-sensitive dye (VSD) imaging of brain slice preparations is a useful tool to assess the functional connectivity in neural circuits. Due to the fractional change in the light signal, it has been difficult to use this method as a quantitative assay. This article describes special optics and slice handling systems, which render this technique stable and reliable. The present article demonstrates the slice handling, staining, and recording of the VSD-stained hippocampal slices in detail. The system maintains physiological conditions for a long time, with good staining, and prevents mechanical movements of the slice during the recordings. Moreover, it enables staining of slices with a small amount of the dye. The optics achieve high numerical aperture at low magnification, which allows recording of the VSD signal at the maximum frame rate of 10 kHz, with 100 pixel x 100-pixel spatial resolution. Due to the high frame rate and spatial resolution, this technique allows application of the post-recording filters that provide sufficient signal-to-noise ratio to assess the changes in neural circuits.

We introduce a reproducible and stable optical recording method for brain slices using voltage-sensitive dye. The article describes voltage-sensitive dye staining and recording of optical signals using conventional hippocampal slice preparations.

Weitfeld-Einzelphotonen optische Aufnahme in Gehirnscheiben mit spannungsempfindlichem Farbstoff

Wide-field single photon voltage-sensitive dye (VSD) imaging of brain slice preparations is a useful tool to assess the functional connectivity in neural ...