Oprode Array para modulação optogenética simultânea e gravação neural elétrica

Resumo

Aqui, apresentamos o método de fabricação de um sistema optrode com fibras ópticas para entrega de luz e uma matriz de eletrodos para gravação neural. Experimentos in vivo com camundongos transgênicos expressando channelrhodopsin-2 mostram a viabilidade do sistema para estimulação optogenética simultânea e gravação eletrofisiológica.

Resumo

Durante a última década, a optogenética tornou-se uma ferramenta essencial para a investigação da sinalização neural devido à sua capacidade única de modulação ou monitoramento neural seletivo. Como tipos específicos de células neuronais podem ser geneticamente modificados para expressar proteínas de opsina, a optogenética permite estimulação óptica ou inibição dos neurônios selecionados. Houve vários avanços tecnológicos no sistema óptico para optogenética. Recentemente, foi proposto combinar o guia óptico de ondas para entrega de luz com gravação eletrofisiológica para monitorar simultaneamente as respostas neurais à estimulação ou inibição optogenética. Neste estudo, foi desenvolvido um conjunto de optrode implantável (fibras ópticas 2x2) com eletrodos multicanais incorporados.

Um diodo emissor de luz (LED) foi empregado como fonte de luz, e uma matriz de microluvas microfrágico foi integrada para fornecer energia de luz suficiente na ponta das fibras ópticas. O sistema de matriz optrode compreende a parte descartável e a parte reutilizável. A peça descartável possui fibras ópticas e eletrodos, enquanto a parte reutilizável possui o LED e circuitos eletrônicos para controle de luz e processamento de sinal neural. O novo desenho do sistema de matriz optrode implantável é introduzido no vídeo que acompanha, além do procedimento da cirurgia de implantação de optrode, estimulação de luz optogenética e gravação neural eletrofisiológica. Os resultados de experimentos in vivo mostraram com sucesso picos neurais bloqueados pelo tempo evocados pelos estímulos de luz dos neurônios excitatórios hipocampais de camundongos.

Introdução

Gravar e controlar a atividade neural é essencial para entender como o cérebro funciona em uma rede neural e em níveis celulares. Os métodos convencionais de gravação eletrofisiológica incluem o grampo^de remendo 1,2,3,4 utilizando um micropipette e gravação extracelular usando eletrodos microneurais 5,6,7,8. Como método de neuromodulação, a estimulação elétrica tem sido frequentemente usada para estimular diretam....

Protocolo

Os procedimentos cirúrgicos e de cuidados com animais foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC) da Universidade da Mulher de Ewha (nº 20-029).

1. Preparação de uma matriz optrode (Figura 1 e Figura 2)

1. Conecte fibras ópticas com a matriz de microlens.
   1. Remova o revestimento de passivação da fibra óptica e corte-a em pedaços de 5 mm de comprimento usando um cutelo de fibra óptica de precisão.
   2. Mergulhe a fibra óptica na resina UV clara e coloque as fibras ópticas na matr....

Resultados

O sistema optrode é fabricado com sucesso para fornecer energia de luz suficiente para ativar os neurônios alvo. O fino alinhamento dos eletrodos de tungstênio é alcançado através do silício microfrágico através dos orifícios. A intensidade da luz medida é de 3,6 mW/mm² na ponta da fibra óptica quando a corrente de 50 mA é aplicada. Os microlens aumentaram a eficiência da luz em 3,13 dB. Devido à matriz de microlens, que melhora o acoplamento de luz, a corrente aplicada é aproximadamente metade.......

Discussão

Verificou-se a viabilidade do sistema para estimulação optogenética simultânea e registro eletrofisiológico (Figura 6). Os grandes picos durante a estimulação da luz são artefatos fotoelétricos que ocorrem ao mesmo tempo que a estimulação da luz (Figura 6A). Isso é claro na visão ampliada da forma de onda no retângulo tracejado vermelho (Figura 6A). Como mostrado na Figura 6A, os artefatos.......

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
5-pin Connector	NW3	HD127K	1.27 mm (.050") pitch
Bovie	Fine Science Tools(F.S.T)	18010-00	High Temperature Cautery Kit
Data Acquisition Software	Intan Technologies, LLC	USB Interface Board software	Work with the RHD USB Interface Board
Dental Cement	Lang Dental Manufacturing Company, Inc.	1223CLR	Use Jet Liquid and powder in jet denture repair package
Digital Manipulator Arm	Stoelting Co.	51904/51906	Left, Right each Digital Manipulator Arm, 3-Axes, Add-On
Gel Foam	Cutanplast	Standard (70*50*10 mm)	Sterile re-absorbable gelatin sponge with a haemostatic effect
Headstage Preamplifier	Intan Technologies, LLC	#C3314	RHD 16-Channel Recording Headstages
Heating Pad	Stoelting Co.	53800R	Stoelting Rodent Warmer X1 with Rat Heating Pad
LED	OSLON	GB CS8PM1.13	λ typ. 470 nm, Viewing angle 80 °, Forward voltage 2.85 V
MATLAB	MathWorks, Inc.	R2019a
Micro Clamp	SURGIWAY	12-1002-04	Straight type, Serre-fine DIEFFENBACH droite 3.5 cm
Optical Fiber	Thorlabs, Inc.	FT200UMT	0.39 NA, Ø 200 µm Core Multimode Optical Fiber, High OH for 300 - 1200 nm
PFA-Coated Tungsten Wire	A-M System	Custom ordered	Rod type, Ø 101.6 μm (.004")
Photodiode	Thorlabs	S121C
power meter	Thorlabs Inc.	PM100D
Precision cleaver	FITEL	S326	Fiber slicer tool
Prism	GraphPad	5.01 version
Scalpel	Feather™	#20	Scalpel blade with 100mm long Scalpel Handle
screw	Nasa Korea	stainless steel	diameter: 1.2 mm, length: 3 mm
Silver Wire	The Nilaco Corporation	AG-401265	Ø 200 µm
Stereotaxic Fxrame	Stoelting Co.	51500D	Digital new standard stereotaxic, rat and mouse
suture	ETHICON	W9106	suture size: 4-0, length:75 cm, wire diameter: 4-0
Vaseline	Unilever PLC	Original	100% pure petroleum jelly
Wave_Clus	N/A	N/A	https://github.com/csn-le/wave_clus