Neuromodulazione ad ultrasuoni focalizzati di colture neurali umane in vitro in array di microelettrodi multi-pozzetto

Neuromodulazione ad ultrasuoni focalizzati. Questo entusiasmante campo emergente è oggetto di studi in corso Nel campo degli ultrasuoni focalizzati, i parametri di stimolazione ottimali per una particolare applicazione sono spesso sconosciuti. Questo studio mira ad una determinazione sistematica di questi parametri attraverso test empirici in vitro sui neuroni.

Questo metodo può esplorare il meccanismo neuronale alla base della neuromodulazione del suono, consentendo ai ricercatori di analizzare le risposte dei neuroni geneticamente e farmacologicamente modificati. Per iniziare, aspirare il terreno di coltura per riempire un singolo pozzetto in una piastra di coltura neuronale a 24 pozzetti, con array di microelettrodi incorporati o MEA. Dopo aver preparato 300 millilitri di acqua degassata e deionizzata, riempirla con cura nel cono del trasduttore a ultrasuoni focalizzato o FUS.

Utilizzando un'asta filettata personalizzata, fissare il supporto stampato in 3D a un telaio. Posizionare il telaio in modo tale che la testa del trasduttore FUS si trovi sopra il pozzetto che verrà stimolato. Utilizzare un elastico per fissare la paraforma sul pozzetto sulla piastra MEA a 24 pozzetti contenente il terreno e le cellule staminali pluripotenti indotte umane o HIPSC.

Impostare i parametri FUS sull'uscita di potenza del trasduttore o sul pannello di controllo TPO. I valori dei vari parametri sono indicati sullo schermo. Successivamente, applicare il gel di accoppiamento sopra la paraforma sopra il pozzetto e abbassare il trasduttore FUS nel gel di accoppiamento garantendo il contatto con il gel con bolle d'aria minime.

Avviare la sonicazione FUS premendo il pulsante in basso a destra sul TPO e attendere almeno cinque minuti tra ogni ciclo di sonicazione per consentire ai neuroni di tornare a uno stato basale. Se il collegamento è appropriato, l'impulso di trigger generato dal sistema FUS allineerà automaticamente la sequenza di stimolazione FUS con la registrazione MEA. Analizza il segnale leggendo il tempo di sonicazione FUS con i dati di trasferimento in base alla variazione della velocità di accensione associata al FUS.

La macchia focale FUS è stata caratterizzata sia visualizzandola su fogli termocromatici che attraverso la scansione dell'idrofono ad acqua. Le fasi di post-elaborazione, tra cui il filtraggio, la soglia e il calcolo della frequenza di attivazione, hanno filtrato il rumore dall'ambiente per rivelare i cambiamenti dell'attività neuronale causati dal FUS. I grafici raster mostravano i picchi rilevati in ciascun canale.

Il grafico della frequenza di attivazione ha mostrato che i parametri di stimolazione scelti aumentavano la frequenza di attivazione neuronale. La velocità di accensione pre FUS era di 140 hertz, mentre la velocità di accensione post FUS era di 786 hertz con FUS ad onda continua. L'alterazione della modalità di sonicazione FUS ha anche cambiato la quantità di tempo prima che i neuroni tornino al loro stato di base.

È fondamentale ridurre al minimo la formazione di bolle quando si posiziona il trasduttore sull'interfaccia paraform. Un'altra considerazione è la potenza elettrica erogata al trasduttore. La potenza deve essere sufficientemente alta da indurre un effetto, ma deve essere abbastanza bassa da non indurre danni al trasduttore o alle cellule.

Questa tecnica potrebbe identificare il parametro di stimolazione ottimale per trattare il morbo di Parkinson e altri disturbi neurologici, eliminando il rischio associato alla chirurgia invasiva, tra cui danni irreversibili, lunghi tempi di recupero e riabilitazione. Sono necessari ulteriori sforzi per scoprirne il meccanismo e controllare l'ottimizzazione preclinica per garantire la sicurezza negli studi futuri, compresi gli studi clinici.