Fokussierte Ultraschall-Neuromodulation von humanen In-vitro-Neuralkulturen in Multi-Well-Mikroelektroden-Arrays

Fokussierte Ultraschall-Neuromodulation. Dieses aufstrebende spannende Feld ist Gegenstand laufender Studien Im Bereich des fokussierten Ultraschalls sind die optimalen Stimulationsparameter für eine bestimmte Anwendung oft unbekannt. Ziel dieser Studie ist eine systematische Bestimmung dieser Parameter durch empirische In-vitro-Tests an Neuronen.

Diese Methode kann den neuronalen Mechanismus untersuchen, der dem Fokus der reschallenden Neuromodulation zugrunde liegt, indem sie es den Forschern ermöglicht, die Reaktionen genetisch und pharmazeutisch veränderter Neuronen zu analysieren. Zu Beginn wird das Kulturmedium abgesaugt, um eine einzelne Vertiefung in einer 24-Well-Neuronenkulturplatte mit eingebetteten Mikroelektrodenarrays oder MEA zu füllen. Nachdem Sie 300 Milliliter entgastes und deionisiertes Wasser vorbereitet haben, füllen Sie es vorsichtig in den fokussierten Ultraschall- oder FUS-Schallkopfkegel.

Befestigen Sie den 3D-gedruckten Halter mit einer kundenspezifischen Gewindestange an einem Rahmen. Positionieren Sie den Rahmen so, dass sich der Kopf des FUS-Wandlers über der Vertiefung befindet, die stimuliert werden soll. Verwenden Sie ein Gummiband, um Paraform über der Vertiefung auf der 24-Well-MEA-Platte zu befestigen, die das Medium und die humanen induzierten pluripotenten Stammzellen oder HIPSCs enthält.

Stellen Sie die FUS-Parameter am Leistungsausgang des Wandlers oder am TPO-Bedienfeld ein. Die Werte der verschiedenen Parameter werden auf dem Bildschirm angezeigt. Tragen Sie dann das Kupplungsgel auf die Paraform über der Vertiefung auf und senken Sie den FUS-Wandler in das Kupplungsgel ab, um den Kontakt mit dem Gel mit minimalen Luftblasen sicherzustellen.

Starten Sie die FUS-Beschallung, indem Sie die untere rechte Taste am TPO drücken, und warten Sie zwischen den einzelnen Beschallungsrunden mindestens fünf Minuten, damit die Neuronen in den Ausgangszustand zurückkehren können. Wenn die Verbindung geeignet ist, wird der vom FUS-System erzeugte Triggerimpuls die FUS-Stimulationssequenz automatisch an die MEA-Aufzeichnung anpassen. Analysieren Sie das Signal, indem Sie die FUS-Beschallungszeit mit den Übertragungsdaten basierend auf der Änderung der mit der FUS verbundenen Feuerrate ablesen.

Der FUS-Brennfleck wurde sowohl durch die Visualisierung auf thermochromatischen Folien als auch durch Wasserhydrophon-Scans charakterisiert. Nachbearbeitungsschritte, einschließlich Filterung, Schwellwertbildung und Berechnung der Feuerrate, filterten das Rauschen aus der Umgebung, um die durch FUS verursachten neuronalen Aktivitätsänderungen aufzudecken. Die Raster-Plots zeigten die erkannten Spitzen in jedem Kanal.

Das Feuerratendiagramm zeigte, dass die gewählten Stimulationsparameter die neuronale Feuerrate erhöhten. Die Feuerrate vor FUS betrug 140 Hertz, während die Feuerrate nach FUS 786 Hertz mit Dauerstrich-FUS betrug. Die Änderung des FUS-Beschallungsmodus veränderte auch die Zeitspanne, bevor die Neuronen in ihren Ausgangszustand zurückkehren.

Es ist wichtig, die Blasenbildung beim Aufsetzen des Wandlers auf die Paraform-Schnittstelle sorgfältig zu minimieren. Eine weitere Überlegung ist die elektrische Leistung, die an den Wandler abgegeben wird. Die Leistung muss hoch genug sein, um einen Effekt hervorzurufen, aber niedrig genug, um keine Wandler- oder Zellschäden hervorzurufen.

Diese Technik könnte den optimalen Stimulationsparameter zur Behandlung der Parkinson-Krankheit und anderer neurologischer Erkrankungen identifizieren und das mit der invasiven Operation verbundene Risiko eliminieren, einschließlich irreversibler Schäden, langer Genesung und Rehabilitationszeit. Weitere Anstrengungen zur Aufklärung des Mechanismus und zur Kontrolle der präklinischen Optimierung sind notwendig, um die Sicherheit in zukünftigen Studien, einschließlich klinischer Studien, zu gewährleisten.