Сфокусированная ультразвуковая нейромодуляция нейронных культур человека in vitro в многолуночных микроэлектродных решетках

Сфокусированная ультразвуковая нейромодуляция. В области сфокусированного ультразвука оптимальные параметры стимуляции для конкретного применения часто неизвестны. Данное исследование направлено на систематическое определение этих параметров с помощью эмпирического тестирования in vitro на нейронах.

Этот метод позволяет исследовать нейронный механизм, лежащий в основе резонансной нейромодуляции, позволяя анализировать реакцию генетически и фармацевтически модифицированных нейронов. Для начала аспирировать питательную среду для заполнения одной лунки в 24-луночную планшет для культивирования нейронов, имеющую встроенные микроэлектродные решетки или МЭА. После приготовления 300 миллилитров дегазированной и деионизированной воды осторожно залейте ее в конус сфокусированного ультразвука или датчика ФУЗ.

С помощью индивидуального резьбового стержня прикрепите держатель, напечатанный на 3D-принтере, к раме. Расположите раму таким образом, чтобы головка преобразователя FUS находилась над скважиной, которая будет стимулироваться. Используйте резиновую ленту, чтобы закрепить параформу над лункой на 24-луночной пластине MEA, содержащей среду и индуцированные человеческие плюрипотентные стволовые клетки или HIPSC.

Установите параметры FUS на выходной мощности преобразователя или на панели управления TPO. На экране указаны значения различных параметров. Затем нанесите соединительный гель поверх параформы над лункой и опустите датчик FUS в соединительный гель, обеспечив контакт с гелем с минимальным количеством пузырьков воздуха.

Начните ультразвуковую терапию FUS, нажав нижнюю правую кнопку на TPO, и подождите не менее пяти минут между каждым раундом ультразвуковой обработки, чтобы нейроны вернулись в исходное состояние. Если соединение подходящее, триггерный импульс, генерируемый системой FUS, автоматически выровняет последовательность стимуляции FUS с записью MEA. Анализ сигнала путем считывания времени ультразвуковой обработки ФУС с данными передачи, основанными на изменении скорости срабатывания, связанной с ФУ.

Фокальное пятно FUS характеризовалось как визуализацией его на термохроматических листах, так и с помощью сканирования гидрофоном воды. Этапы постобработки, включая фильтрацию, пороговые значения и расчет частоты возбуждения, отфильтровывали шум из окружающей среды, чтобы выявить изменения активности нейронов, вызванные FUS. Растровые графики показали обнаруженные всплески в каждом канале.

График частоты возбуждения показал, что выбранные параметры стимуляции увеличивают частоту возбуждения нейронов. Частота срабатывания до FUS составляла 140 Гц, в то время как частота срабатывания после FUS составляла 786 Гц с непрерывной волной FUS. Изменение режима ультразвуковой обработки FUS также изменило количество времени, прежде чем нейроны вернутся в исходное состояние.

Очень важно тщательно свести к минимуму образование пузырьков при размещении преобразователя на границе раздела параформ. Еще одним фактором, который следует учитывать, является электрическая мощность, подаваемая на преобразователь. Мощность должна быть достаточно высокой, чтобы вызвать эффект, но должна быть достаточно низкой, чтобы не вызвать повреждения преобразователя или клетки.

Этот метод может определить оптимальный параметр стимуляции для лечения болезни Паркинсона и других неврологических расстройств, устраняя риск, связанный с инвазивной хирургией, включая необратимые повреждения, длительное восстановление и время реабилитации. Необходимы дальнейшие усилия по раскрытию его механизма и контрольной доклинической оптимизации для обеспечения безопасности в будущих исследованиях, включая клинические испытания.