Name: syringe-injectable mesh electronics for stable chronic rodent electrophysiology
Uploaded: 2018-07-21T14:30:00
Duration: 9 min 58 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Syringe-injectable Mesh Electronics for Stable Chronic Rodent Electrophysiology at JoVE.com

C.M.L. anerkender støtte dette arbejde ved Air Force Office for videnskabelig forskning (FA9550-14-1-0136), en Harvard University Physical Sciences og Engineering Accelerator award og en nationale institutter for Health direktørs Pioneer Award ( 1DP1EB025835-01). T.G.S. anerkender støtte af Department of Defense (DoD) gennem de nationale forsvar Science & Engineering Graduate stipendium (NDSEG) program. G.H. anerkender fellowship støtte fra American Heart Association (16POST27250219) og vejen til uafhængighed Award (Parent K99/R00) fra National Institute on Aging af National Institutes of Health. Dette arbejde blev udført dels ved Harvard University Center for nanoskala systemer (CNS), medlem af den nationale nanoteknologi koordineret infrastruktur netværk (NNCI), som støttes af National Science Foundation under NSF ECCS Award nr. 1541959.

<ol>
	<li>Lopes da Silva, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EEG+and+MEG:+relevance+to+neuroscience.">EEG and MEG: relevance to neuroscience.</a> Neuron. 80 (5), 1112-1128 (2013).</li><li>Logothetis, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=What+we+can+do+and+what+we+cannot+do+with+fMRI.">What we can do and what we cannot do with fMRI.</a> Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).</li><li>Seymour, J. P., Wu, F., Wise, K. D., Yoon, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=State-of-the-art+MEMS+and+microsystem+tools+for+brain+research.">State-of-the-art MEMS and microsystem tools for brain research.</a> Microsystems &amp; Nanoengineering. 3, 16066 (2017).</li><li>Buzsaki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Rhythms of the Brain. , (2006).</li><li>Khodagholy, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NeuroGrid:+recording+action+potentials+from+the+surface+of+the+brain.">NeuroGrid: recording action potentials from the surface of the brain.</a> Nature Neuroscience. , (2014).</li><li>Hamel, E. J., Grewe, B. F., Parker, J. G., Schnitzer, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cellular+level+brain+imaging+in+behaving+mammals:+an+engineering+approach.">Cellular level brain imaging in behaving mammals: an engineering approach.</a> Neuron. 86 (1), 140-159 (2015).</li><li>Jun, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fully+integrated+silicon+probes+for+high-density+recording+of+neural+activity.">Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity.</a> Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).</li><li>Berenyi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-scale,+high-density+(up+to+512+channels)+recording+of+local+circuits+in+behaving+animals.">Large-scale, high-density (up to 512 channels) recording of local circuits in behaving animals.</a> Journal of Neurophysiology. 111 (5), 1132-1149 (2014).</li><li>Scholvin, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Close-Packed+Silicon+Microelectrodes+for+Scalable+Spatially+Oversampled+Neural+Recording.">Close-Packed Silicon Microelectrodes for Scalable Spatially Oversampled Neural Recording.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 63 (1), 120-130 (2016).</li><li>Schiller, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Central+Visual+System.">The Central Visual System.</a> Vision Research. 26 (9), 1351-1386 (1986).</li><li>Benabid, A. L., Chabardes, S., Mitrofanis, J., Pollak, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+brain+stimulation+of+the+subthalamic+nucleus+for+the+treatment+of+Parkinson's+disease.">Deep brain stimulation of the subthalamic nucleus for the treatment of Parkinson's disease.</a> The Lancet Neurology. 8 (1), 67-81 (2009).</li><li>Hochberg, L. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reach+and+grasp+by+people+with+tetraplegia+using+a+neurally+controlled+robotic+arm.">Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm.</a> Nature. 485 (7398), 372-375 (2012).</li><li>Lebedev, M. A., Nicolelis, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain-Machine+Interfaces:+From+Basic+Science+to+Neuroprostheses+and+Neurorehabilitation.">Brain-Machine Interfaces: From Basic Science to Neuroprostheses and Neurorehabilitation.</a> Physiological Reviews. 97 (2), 767-837 (2017).</li><li>Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Response+of+brain+tissue+to+chronically+implanted+neural+electrodes.">Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes.</a> Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).</li><li>Perge, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intra-day+signal+instabilities+affect+decoding+performance+in+an+intracortical+neural+interface+system.">Intra-day signal instabilities affect decoding performance in an intracortical neural interface system.</a> Journal of Neural Engineering. 10 (3), 036004 (2013).</li><li>Hong, G., Yang, X., Zhou, T., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mesh+electronics:+a+new+paradigm+for+tissue-like+brain+probes.">Mesh electronics: a new paradigm for tissue-like brain probes.</a> Current Opinion in Neurobiology. 50, 33-41 (2017).</li><li>Dai, X., Hong, G., Gao, T., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mesh+Nanoelectronics:+Seamless+Integration+of+Electronics+with+Tissues.">Mesh Nanoelectronics: Seamless Integration of Electronics with Tissues.</a> Accounts of Chemical Research. 51 (2), 309-318 (2018).</li><li>Feiner, R., Dvir, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tissue-electronics+interfaces:+from+implantable+devices+to+engineered+tissues.">Tissue-electronics interfaces: from implantable devices to engineered tissues.</a> Nature Reviews Materials. 3 (1), 17076 (2017).</li><li>Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S. A., Hudspeth, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Principles of Neural Science. , (2013).</li><li>Rousche, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+polyimide-based+intracortical+electrode+arrays+with+bioactive+capability.">Flexible polyimide-based intracortical electrode arrays with bioactive capability.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 48 (3), 361-371 (2001).</li><li>Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Syringe-injectable+electronics.">Syringe-injectable electronics.</a> Nature Nanotechnology. 10 (7), 629-636 (2015).</li><li>Kasthuri, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Saturated+Reconstruction+of+a+Volume+of+Neocortex.">Saturated Reconstruction of a Volume of Neocortex.</a> Cell. 162 (3), 648-661 (2015).</li><li>Saxena, T., Bellamkonda, R. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+sensor+web+for+neurons.">A sensor web for neurons.</a> Nature Materials. 14, 1190-1191 (2015).</li><li>Xie, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+macroporous+nanoelectronic+networks+as+minimally+invasive+brain+probes.">Three-dimensional macroporous nanoelectronic networks as minimally invasive brain probes.</a> Nature Materials. 14 (12), 1286-1292 (2015).</li><li>Hong, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Syringe+Injectable+Electronics:+Precise+Targeted+Delivery+with+Quantitative+Input/Output+Connectivity.">Syringe Injectable Electronics: Precise Targeted Delivery with Quantitative Input/Output Connectivity.</a> Nano Letters. 15 (10), 6979-6984 (2015).</li><li>Zhou, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Syringe-injectable+mesh+electronics+integrate+seamlessly+with+minimal+chronic+immune+response+in+the+brain.">Syringe-injectable mesh electronics integrate seamlessly with minimal chronic immune response in the brain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (23), 5894-5899 (2017).</li><li>Fu, T. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stable+long-term+chronic+brain+mapping+at+the+single-neuron+level.">Stable long-term chronic brain mapping at the single-neuron level.</a> Nature Methods. 13 (10), 875-882 (2016).</li><li>Fu, T. M., Hong, G., Viveros, R. D., Zhou, T., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+scalable+multichannel+mesh+electronics+for+stable+chronic+brain+electrophysiology.">Highly scalable multichannel mesh electronics for stable chronic brain electrophysiology.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (47), E10046-E10055 (2017).</li><li>Schuhmann, T. G., Yao, J., Hong, G., Fu, T. M., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Syringe-Injectable+Electronics+with+a+Plug-and-Play+Input/Output+Interface.">Syringe-Injectable Electronics with a Plug-and-Play Input/Output Interface.</a> Nano Letters. 17 (9), 5836-5842 (2017).</li><li>Geiger, B. M., Frank, L. E., Caldera-Siu, A. D., Pothos, E. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Survivable+stereotaxic+surgery+in+rodents.">Survivable stereotaxic surgery in rodents.</a> Journal of Visualized Experiments. (20), (2008).</li><li>Kirby, E. D., Jensen, K., Goosens, K. A., Kaufer, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stereotaxic+surgery+for+excitotoxic+lesion+of+specific+brain+areas+in+the+adult+rat.">Stereotaxic surgery for excitotoxic lesion of specific brain areas in the adult rat.</a> Journal of Visualized Experiments. (65), e4079 (2012).</li><li>Gage, G. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surgical+implantation+of+chronic+neural+electrodes+for+recording+single+unit+activity+and+electrocorticographic+signals.">Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals.</a> Journal of Visualized Experiments. (60), (2012).</li><li>. Lab Animal Research. Rodent Handling and Restraint Techniques Available from: <a target="_blank" href="https://www.jove.com/science-education/10221/rodent-handling-and-restraint-techniques">https://www.jove.com/science-education/10221/rodent-handling-and-restraint-techniques</a> (2018)</li><li>Evilsizor, M. N., Ray-Jones, H. F., Lifshitz, J., Ziebell, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Primer+for+immunohistochemistry+on+cryosectioned+rat+brain+tissue:+example+staining+for+microglia+and+neurons.">Primer for immunohistochemistry on cryosectioned rat brain tissue: example staining for microglia and neurons.</a> Journal of Visualized Experiments. 10 (99), e52293 (2015).</li><li>Sodagar, A. M., Perlin, G. E., Yao, Y., Najafi, K., Wise, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Implantable+64-Channel+Wireless+Microsystem+for+Single-Unit+Neural+Recording.">An Implantable 64-Channel Wireless Microsystem for Single-Unit Neural Recording.</a> IEEE Journal of Solid-State Circuits. 44 (9), 2591-2604 (2009).</li><li>Wentz, C. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+wirelessly+powered+and+controlled+device+for+optical+neural+control+of+freely-behaving+animals.">A wirelessly powered and controlled device for optical neural control of freely-behaving animals.</a> Journal of Neural Engineering. 8 (4), 046021 (2011).</li><li>Harrison, R. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wireless+neural+recording+with+single+low-power+integrated+circuit.">Wireless neural recording with single low-power integrated circuit.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 17 (4), 322-329 (2009).</li><li>Landa, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+injectable+alginate+implant+on+cardiac+remodeling+and+function+after+recent+and+old+infarcts+in+rat.">Effect of injectable alginate implant on cardiac remodeling and function after recent and old infarcts in rat.</a> Circulation. 117 (11), 1388-1396 (2008).</li><li>Griffin, D. R., Weaver, W. M., Scumpia, P. O., Di Carlo, D., Segura, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accelerated+wound+healing+by+injectable+microporous+gel+scaffolds+assembled+from+annealed+building+blocks.">Accelerated wound healing by injectable microporous gel scaffolds assembled from annealed building blocks.</a> Nature Materials. 14 (7), 737-744 (2015).</li><li>Zhang, A., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano-Bioelectronics.">Nano-Bioelectronics.</a> Chemical Reviews. 116 (1), 215-257 (2016).</li><li>Zhou, W., Dai, X., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+nanowire+bioelectronics.">Advances in nanowire bioelectronics.</a> Reports on Progress in Physics. 80 (1), 016701 (2017).</li><li>Dai, X., Zhou, W., Gao, T., Liu, J., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+mapping+and+regulation+of+action+potential+propagation+in+nanoelectronics-innervated+tissues.">Three-dimensional mapping and regulation of action potential propagation in nanoelectronics-innervated tissues.</a> Nature Nanotechnology. 11 (9), 776-782 (2016).</li></ol>

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Alle trin i fabrikation og brug af mesh elektronik er vigtige, men et par er især kritisk. Før frigive trådnet elektronikken fra deres wafer, er det vigtigt at oxidere overflade for at gøre masker let suspenderet i vandig opløsning (trin 1.6.1). Hvis dette trin springes over, maskerne normalt flyder på overfladen af vandet, hvilket gør dem svære at indlæse i nåle, og hvis de kan indlæses, de ofte klæbe til siderne af glas nåle, der kræver store mængder (> 100 µL) til injektion. Manglende evne til at oxidere overfladen før udgivelsen, derfor typisk betyder, at maskerne ikke kan benyttes og fremstilling skal re udføres fra begyndelsen. En anden kritisk trin bøjning trådnet elektronikken "stammer" ~ 90 ° under I/O grænseflade (trin 4.3). Hvis vinklen er mindre end 90°, vil så alle 32 I/O puder ikke passe ind i ZIF stik; nogle vil have skal skæres ud i slutningen at tillade indsættelse, reduktion af antallet af tilsluttede elektroder. Processen skal også gøres forsigtigt for at forhindre stammen fra at bryde.
Design af mesh elektronik kan tilpasses til forskellige anvendelser af modificerer komponeneter og bruger den samme fabrikation procedure skitseret i figur 2. For eksempel, mens de trådnet elektronik sonder anvendes til at registrere data i figur 9 var designet til at have 32 optagelse elektroder span mus hippocampus og primære somatosensoriske cortex, kan elektrode placering i masken for ultraflexible være valgt for at målrette næsten enhver hjerne region(er) eller større elektroder til stimulation kan blive indarbejdet27. De samme grundlæggende mesh struktur og fabrikation procedure bevares, men elektrode placering og design er justeret for at opfylde behovene i undersøgelsen. Efterforskere bør være forsigtig, men, og altid test at modificerede design kan injiceres let gennem de tilsigtede nåle. Små ændringer til bøjning mekanik af mesh elektronik kan have væsentlig indvirkning på injektionsydelse. Et eksempel er at en 45° vinkel mellem tværgående og langsgående SU-8 bånd giver en mesh elektronik sonde, der kan sprøjtes facilely men en 90° vinkel resulterer i en crumples og træsko nåle21.
Måling impedans af optagelse elektroder er nyttigt til fejlfinding. En 20 µm diameter cirkulære Pt elektrode bør have en impedans størrelsesorden nær 1 MΩ, naar det maales ved en frekvens på 1 kHz i vivo eller i 1 x PBS29. Impedans betydeligt større end dette indebærer, at elektroden er ikke udsat, som kan ske, hvis det er forurenet med photoresist rester, eller ikke elektrisk forbundet. Sidstnævnte kan opstå hvis for eksempel der er støv på foto maske under PL, der resulterer i en afbryder i Au forbindelser, eller hvis en af trådnet I/O puder ikke er kontaktet af stikbenene ZIF under I/O interfacing. En impedans størrelsesorden omtrent halvdelen den forventede værdi tyder på, at Kanalen kan være kortsluttet til den tilstødende, at skabe et kredsløb af to elektrode impedances parallelt med hinanden. De målte impedans værdier fungere som en vejledning under fejlfinding; kombineret med optisk mikroskopi af mesh elektronik sonder, kilden til problemet kan normalt identificeres og korrigeres i overensstemmelse hermed i den næste fabrikation køre eller I/O interfacing forsøg.
Brugen af sprøjte-injicerbar mesh elektronik til akutte undersøgelser er begrænset, single-Enhed spiking aktivitet ikke er normalt observeret indtil 1 uge post injektion27, selv om de seneste arbejde (upubliceret) viser, at dette problem let overvinde. Vigtige determinanter af tid at se spiking aktivitet er trådnet design, mængden af væske indsprøjtes i hjernen sammen med mesh elektronik og diameteren af nålen anvendes til injektion, da disse påvirker graden af vævsskade i løbet af de injektion og hastigheden af healing. Store injektionsvolumener kan være nødvendig, hvis trådnet elektronikken ikke behandles med ilt plasma før udgivelsen i Ni TIPkan; det vil sige, hvis trådnet ikke er hydrofile, kan det tiltræde glas nålen. Lejlighedsvis, har maskerne defekter, der fører til bøjning mekanik, som gør dem vanskelige at injicere. Under indlæsningen af trådnet elektronikken er det vigtigt at kontrollere, at maskerne bevæger sig let og smidigt inden for nålen (som vist i supplerende Video 1). Hvis ikke, en anden mesh elektroniske sonden bør anvendes. Bedste resultater for problemfri neurale samspil kan opnås med de ideelle injektionsvolumener på 10-50 µL pr. 4 mm af injicerede mesh længde. Nyere resultater med finere mesh elektronik sonder injiceres og/eller mindre diameter kapillær nåle (så små som 150 µm indre diameter, 250 µm ydre diameter) viser, at Enhed spiking kan observeres fra kort efter injektion (akut målinger) gennem længere tid. Maske design filer til disse finere mesh strukturer er tilgængelige ved anmodning eller fra ressource hjemmeside, meshelectronics.org. Vi anslår, at det samlede udbytte af vores i vivo mesh injektion procedurer ved hjælp af 400 µm indre diameter (650 µm ydre diameter) nåle til omkring 70%, selv om udbyttet er tættere på 80-90% for vores nyere arbejde med 150 µm indre diameter (250 µm ydre diameter ) nåle. De mest almindelige årsager til manglende er (1) at trådnet ikke injicere gnidningsløst, der resulterer i hjerneødem fra uventet store injektionsvolumener ind i hjernen, (2) mesh brud under manuel manipulation kræves i I/O interfacing procedure, og (3) blødning fra beskadige et blodkar under injektion. Beskadige et blodkar under injektion er sjældne (årsag til mindre end 10% af fejl) og kan reduceres yderligere ved hjælp af billede-styrede kirurgi. Vi bemærker også, at beskadigelse af blodkar er en fælles begrænsning af alle procedurer, der involverer penetration af hjernevæv, herunder indsprøjtning af virale partikler for Transfektion, implantation af stive hjernen sonder og injektion af trådnet elektronikken.
Mesh elektronik sonder er i stand til stabilt optage fra og spore de samme individuelle neuroner på mindst måneder til år tidsfrister og fremkalder næsten ingen kronisk immunrespons, som vist i figur 9 og figur 10, henholdsvis. Dette repræsenterer en betydelig fordel i forhold til konventionen dybde elektroder, som ofte lider af faldende spike amplituder, ustabile signaler og kronisk betændelse i løbet af langsigtede optagelse eksperimenter14, 15. Derudover trådnet elektronikken har den fordel, at de kan være tilbage i vævet under histologiske skæring, farvning, billedbehandling, i modsætning til konventionelle sonder, som er alt for stive og skal derfor fjernes inden histologi analyser. Derfor, mesh elektronik giver mulighed for den unikke evne til at bruge immunhistokemisk analyse at netop studere de cellulære miljø omkring hver optagelse site.
Protokollen præsenteret her åbner op spændende nye muligheder i neurovidenskab. Minimalt invasive leveringsmetode og problemfri integration af mesh elektronik med hjernevæv minimerer afbrydelser til neurale kredsløb og undgår kronisk immunrespons, som kunne gavne de fleste former for kroniske neurale optagelse eksperimenter. Evne til mesh elektronik til at registrere og spore de samme enkelt neuroner for lange perioder vil især være af interesse for efterforskere forsøger at korrelere millisekund-skala spiking aktivitet med måned-år lange processer såsom aldring, den patogenesen af hjernesygdom eller hjerne udvikling16,18. Derudover findes der betydelige muligheder for at udvide og tilpasse denne protokol, såsom at tilføje aktive elektronik til PCB hoved-scenen for at gennemføre funktionalitet som digital multiplexing8,35, trådløs meddelelse35,36,37, og signalbehandling35, co injektion af stamceller eller polymerer med trådnet elektronikken til støtte i væv revitalisering18,38, 39, og indarbejde Nanotråd felt - effekten transistorer (NW-FETs) i mesh elektronik for stærkt lokaliseret og multifunktionelle hjernen sonder24,29,40,41 ,42.

Udvikling af værktøjer i stand til at kortlægge hjernen med single-neuron opløsning er af central betydning for neurovidenskab og neurologi. Noninvasiv teknologier til neurale undersøgelser såsom electroencefalografi (EEG), magnetoencephalography (MEG) og funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI) har vist sig værdifuld for korrelerede hjerneaktivitet med adfærd i mennesker1, 2, men de mangler den spatiotemporelle opløsning nødvendige for at undersøge strukturen og dynamikken i neurale netværk på deres grundlæggende mikrometer og millisekund skalaer, henholdsvis3,4. Visse electrocorticography (ECoG) sonder og optisk Billeddannende metoder ved hjælp af spænding-følsomme farvestoffer lykkedes optagelse single-Enhed spiking aktivitet i vivo5,6, men de er generelt effektivt kun nær den hjernen overflade, begrænse anvendelighed til undersøgelser af lavvandede hjerneregioner. Derimod implantable elektriske sonder kan måle single-neuron Elektrofysiologi i frit at flytte dyr fra næsten ethvert område af hjernen uden brug af fluorescerende mærkning, hvilket gør dem uundværlige til systemer-niveau neurovidenskab, især som microfabrication teknikker fra halvlederindustrien har skubbet tæller kanal i hundreder og tusinder3,7,8,9. I kraft af disse kapaciteter, har implantable elektriske sonder gjort mange vigtige bidrag til neurovidenskab og neurologi, herunder grundlæggende studier af edb i den visuelle system10, behandling af neurologiske sygdomme som Parkinsons sygdom11og demonstration af hjerne-maskine-grænseflader (BMIs) for avancerede proteser12,13.
Ikke desto mindre har langsigtet ustabilitet manifesteret som faldende spike amplituder og ustabile signaler på tidsskalaer af uger til måneder14,15 begrænset anvendelighed af implantabelt sonder til studiet af relativt kortsigtede fænomener, forlader spørgsmål såsom hjernens ældning og udvikling i høj grad ubesvarede. Begrænsninger i langsigtet ustabilitet er en følge af en uoverensstemmelse mellem konventionelle sonder og hjernevæv i størrelse, mekanik og topologi14,15,16,17,18. Med hensyn til størrelse, mens neuronal synapser og somata er ca snese nanometer til snesevis af mikrometer i diameter19, henholdsvis, traditionelle sonder er ofte betydeligt større, for silicium mikroelektrode arrays > 4 gange størrelsen af en enkelt neuron cellen kroppen7,8. Den relativt store størrelse af disse sonder kan forstyrre den naturlige struktur og tilslutning af tætte neurale væv, dermed bidrage til kronisk immunrespons og prøvningen af neurale kredsløb undersøges. Mekaniske egenskaber er traditionelle sonder drastisk stivere end de meget bløde neurale væv implanteres; selv "fleksible" sonder fra 10 – 20 µm tykke plader af polyimid er mindst 100.000 gange stivere end hjernen væv20,21. Denne uoverensstemmelse i bøjning stivhed forårsager relative shear bevægelse mellem sonde og hjernen væv, fører til upålidelige single-enhed sporing under udvidede optagelser og overtalelse kronisk gliosis på webstedet implantation. Endelig, den topologisk struktur af konventionelle hjernen sonder nødvendigvis udelukker en solid volumen af vævet. Sådanne uoverensstemmelse i topologi forstyrrer forbindelsen af neurale kredsløb, er til hinder for den naturlige tredimensionale (3D) interpenetrated distribution af neuroner og gliaceller blodkar i hjernen væv22og hindrer 3D transport af signalering molekyler23. Sammen, har disse mangler af konventionelle sonder gjort dem ikke opfylder de langsigtede kompatibilitet søges til kliniske applikationer og langsgående neurovidenskab undersøgelser på single-neuron niveau.
For at overvinde disse mangler har søgt vi at sløre grænsen mellem de neurale og elektroniske systemer ved at udvikle et nyt paradigme for "væv-lignende" neurale sonder kaldes mesh elektronik16,21,24. Mesh elektronik løser de ovenfor tilsvarende problemer i størrelse, mekanik og topologi af indlemmede (1) strukturelle egenskaber af den samme nanometer til mikrometer størrelse skala af neurale væv, (2) mekaniske egenskaber ligner dem af hjernevæv, og (3) en 3D kombineret makroporøs topologi, der er > 90% åben plads og kan dermed rumme interpenetration af neuroner og diffusion af molekyler gennem det ekstracellulære miljø. Mesh elektronik sonder kan leveres netop til specifikke hjerneregioner gennem en sprøjte og en nål, forårsager minimal akutte skader mens implanterer selv i dyb hjernen regioner21,25. Neuronal soma og axoner har vist sig at infiltreret åbne 3D-maske elektronik sonde struktur inden for uger efter injektion, hvorved der skabes en problemfri, gliosis-fri grænseflade mellem optagelse elektronik og omgiver hjernen væv21 , 26 , 27. disse unikke funktioner har aktiveret mesh elektronik sonder til stabilt spore spiking aktivitet fra de samme individuelle neuroner over mindst et år tidsskalaen27. Derudover giver fabrikation af den trådnet elektronik baseret på fotolitografi (PL) høj skalerbarhed af antallet af elektroder, der kan blive indarbejdet, med demonstreret kanal tæller op til 128 elektroder pr. sonden ved hjælp af simpel kontakt maske litografi 28 og en plug-and-play input/output (I/O) design, der giver mulighed for hurtig elektrisk forbindelse til perifere elektronik uden specialudstyr29.
En bred vifte af undersøgelser kan drage fordel af at indarbejde mesh elektronik i måling protokoller. De fleste intracortical optagelse forsøg kunne drage fordel af mesh electronics' minimalt invasiv implantation procedure via sprøjte indsprøjtning, drastisk nedsat immunrespons efter implantation, og evnen til at forlade mesh elektronik i den væv under efterfølgende histologi og immunfarvning for præcise analyse af det biologiske miljø omkring hver optagelse site. Kronisk optagelse forsøg vil navnlig udlede værdien fra mesh elektronik unikke evne til at spore stort antal individuelle neuroner i måneder til år. Denne evne skaber muligheder for studier med single-neuron beslutning, der var tidligere upraktisk, såsom langsgående ældning undersøgelser af neurale kredsløb, undersøgelser for at udvikle hjernen, og undersøgelser af patogenesen af encephalopatier16.
I denne protokol beskriver vi alle nøglen skridt i en typisk mus neurale optagelse eksperiment ved hjælp af sprøjte-injicerbar mesh elektronik (Se figur 1). Trinene beskrevet omfatter fabrikation af mesh elektronik i en standard PL-baseret proces mulig på mange universiteter, indlæse mesh elektronik i standard kapillær nåle, stereotaxisk injektion af mesh elektronik i vivo, tilslutning af den mesh I/O til standard instrumentering grænseflader, tilbageholdende eller frit bevægelige indspilningerne og histologiske skæring af hjernevæv indeholdende mesh elektronik. Nogle forskere bruger mesh elektronik kun for histologi undersøgelser kan ikke kræve elektrisk grænseflade og optagelse, hvorefter de kan springe disse trin. Efter sætte sig med denne protokol, skal efterforskerne har al den viden, der er nødvendige for at bruge mesh elektronik i deres egne eksperimenter.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Motorized stereotaxic frame</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>MTM-3</td>
			<td>For mouse stereotaxic surgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>512-channel recording controller</td>
			<td>Intan Technologies</td>
			<td>C3004</td>
			<td>A component of the neural recording system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RHD2132 amplifier board</td>
			<td>Intan Technologies</td>
			<td>C3314</td>
			<td>A component of the neural recording system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RHD2000 3-ft ultra thin SPI interface cable</td>
			<td>Intan Technologies</td>
			<td>C3213</td>
			<td>A component of the neural recording system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mouse restrainer</td>
			<td>Braintree Scientific</td>
			<td>TV-150&#160;STD</td>
			<td>Standard 1.25 inch inner diameter; used to restrain the mouse during restrained recording sessions.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Si wafers</td>
			<td>Nova Electronic Materials</td>
			<td></td>
			<td>3&#34; P &#60;100&#62; .001-.005 ohm-cm 356-406&#956;m Thick 
			Prime Grade SSP Si wafers w/2 Semi-Std. Flats &#38; 
			6,000 A&#176;&#177;5% Wet Thermal Oxide on both sides.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photomasks (chrome on soda lime glass)</td>
			<td>Advance Reproductions</td>
			<td></td>
			<td>Advance Reproductions and other vendors manufacture photomasks from provided design files. Our photomask design files are available by request or from the resource website, meshelectronics.org. Alternatively, some university clean rooms have mask writers for making photomasks on site.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AutoCAD software</td>
			<td>Autodesk Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Design software for drawing photomasks. A free alternative is LayoutEditor. Our photomask design files are available by request or from the resource website, meshelectronics.org.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermal evaporator</td>
			<td>Sharon Vacuum</td>
			<td></td>
			<td>Used to evaporate Ni, Cr, and Au onto mesh electronics during fabrication. Many university clean rooms have this or a similar tool.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SU-8 2000.5 negative photoresist</td>
			<td>MicroChem Corp.</td>
			<td></td>
			<td>Negative photoresist used to define the bottom and top passivating layers of mesh electronics.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MA6 mask aligner</td>
			<td>Karl Suss Microtec AG</td>
			<td></td>
			<td>Used to align each photomask to the pattern on the wafer and expose the wafer to UV light. Most university clean rooms have this or a similar tool.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SU-8 developer</td>
			<td>MicroChem Corp.</td>
			<td></td>
			<td>Used to develop SU-8 negative photoresist following exposure to UV light.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LOR3A lift-off resist</td>
			<td>MicroChem Corp.</td>
			<td></td>
			<td>Used with Shipley 1805 photoresist to promote undercutting during metal lift-off processes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shipley 1805 positive photoresist</td>
			<td>Microposit, The Dow Chemical Company</td>
			<td></td>
			<td>Positive photoresist used to define metal interconnects and Pt electrodes in mesh electronics</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MF-CD-26 positive photoresist developer</td>
			<td>Microposit, The Dow Chemical Company</td>
			<td></td>
			<td>To develop S1805 positive photoresist after exposure in a mask aligner. Many university clean rooms stock this chemical.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin coater</td>
			<td>Reynolds Tech</td>
			<td></td>
			<td>For coating wafers with positive and negative resists. Most university clean rooms have spin coaters.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PJ plasma surface treatment system</td>
			<td>AST Products, Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Used to oxidize the surface of mesh electronics prior to release into aqueous solution. Most university clean rooms have this or a similar tool.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electron beam evaporator</td>
			<td>Denton Vacuum</td>
			<td></td>
			<td>For evaporating Cr and Pt during fabrication of mesh electronics. Many university clean rooms have this or a similar tool.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Remover PG</td>
			<td>MicroChem Corp.</td>
			<td></td>
			<td>Used to dissolve LOR3A and Shipley S1805 resists during metal lift-off</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ferric chloride solution</td>
			<td>MG Chemicals</td>
			<td>415-1L</td>
			<td>A component of Ni etching solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>36% hydrochloric acid solution</td>
			<td>Kanto Corp.</td>
			<td></td>
			<td>A component of Ni etching solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass capillary needles</td>
			<td>Drummond Scientific Co.</td>
			<td></td>
			<td>Inner diameter 0.40 mm, outer diameter 0.65 mm. Other diameters are available.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette holder U-type</td>
			<td>Molecular Devices, LLC</td>
			<td>1-HL-U</td>
			<td>Used to hold the glass capillary needles during stereotaxic injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1-mL syringe</td>
			<td>NORM-JECT&#174;, Henke Sass Wolf</td>
			<td></td>
			<td>Used for manual loading of mesh electronics into capillary needles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene intrademic catheter tubing</td>
			<td>Becton Dickinson and Company</td>
			<td></td>
			<td>Inner diameter 1.19 mm, outer diameter 1.70 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5-mL syringe</td>
			<td>Becton Dickinson and Company</td>
			<td></td>
			<td>Used in the syringe pump for injection of mesh electronics in vivo</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eyepiece camera</td>
			<td>Thorlabs Inc.</td>
			<td>DCC1240C</td>
			<td>Used to view mesh electronics within capillary needles during injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ThorCam uc480 image acquisition software for USB cameras</td>
			<td>Thorlabs Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Used to view mesh electronics within capillary needles during injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>Harvard Apparatus</td>
			<td>PHD 2000</td>
			<td>Used to flow precise volumes of solution through capillary needles during injection of mesh electronics</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EXL-M40 dental drill</td>
			<td>Osada</td>
			<td>3144-830</td>
			<td>For drilling the craniotomy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.9 mm drill burr</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>19007-09</td>
			<td>For drilling the craniotomy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot bead sterilizer 14 cm</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>18000-50</td>
			<td>Used to sterlize surgical instruments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CM1950 cryosectioning instrument</td>
			<td>Leica Microsystems</td>
			<td></td>
			<td>Used to slice frozen tissue into sections. Many universities have this or a similar tool available in a shared facility.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.3% Triton x-100</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td></td>
			<td>Used for histology</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5% goat serum</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td></td>
			<td>Used for histology</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3% goat serum</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td></td>
			<td>Used for histology</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rabbit anti-NeuN</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab177487</td>
			<td>Used for histology</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mouse anti-Neurofilament</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab8135</td>
			<td>Used for histology</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rat anti-GFAP</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific Inc.</td>
			<td>PA516291</td>
			<td>Used for histology</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ProLong Gold Antifade Mountant</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific Inc.</td>
			<td>P36930</td>
			<td>Used for histology</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly-D-lysine</td>
			<td>Sigma-Aldrich Corp.</td>
			<td>P6407-5MG</td>
			<td>Molecular weight = 70-150 kDA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Right-angle end clamp</td>
			<td>Thorlabs Inc.</td>
			<td>RA180/M</td>
			<td>Used to attach the pipette holder to the stereotaxic frame</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Printed circuit board (PCB)</td>
			<td>Advanced Circuits</td>
			<td></td>
			<td>Used to interface between mesh electronics and peripheral measurement electronics such as the Intan recording system. Advanced Circuits and other vendors manufacture and assemble PCBs based on provided design files. Our PCB design files are available by request or at the resource site meshelectronics.org</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>32-channel standard amplifier connector</td>
			<td>Omnetics Connector Corp.</td>
			<td>A79024-001</td>
			<td>Component assembled onto the PCB</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>32-channel flat flexible cable (FFC)</td>
			<td>Molex, LLC</td>
			<td>152660339</td>
			<td>Used as a clamping substrate when interfacing to mesh electronics I/O pads with the PCB-mounted ZIF connector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>32-ch zero insertion force (ZIF) connector</td>
			<td>Hirose Electric Co., LTD</td>
			<td>FH12A-32S-0.5SH(55)</td>
			<td>Component assembled onto the PCB</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

syringe-injectable mesh electronics for stable chronic rodent electrophysiology

Implantable hjernen Elektrofysiologi sonder er værdifulde værktøjer i neurovidenskab på grund af deres evne til at optage neurale aktivitet med høj spatiotemporelle opløsning fra overfladisk og dyb hjerneregioner. Deres anvendelse har været forhindret, men af mekaniske og strukturelle misforholdet mellem sonder og hjernen væv, ofte føre til micromotion og gliosis med deraf følgende signal ustabilitet i kronisk optagelse eksperimenter. I kontrast, efter implantation af ultraflexible mesh elektronik via sprøjte indsprøjtning, sonder trådnet form en problemfri, gliosis-fri interface med de omkringliggende hjernevæv, der giver mulighed for stabile sporing af individuelle neuroner på mindst et år tidsskalaen. Denne protokol detaljer de vigtigste skridt i en typisk mus neurale optagelse eksperiment ved hjælp af sprøjte-injicerbar mesh elektronik, herunder fabrikation af mesh elektronik i en standard fotolitografi-baseret proces muligt på mange universiteter, lastning mesh elektronik i standard kapillær nåle, stereotaxisk injektion in vivo, tilslutning af den trådnet input/output til standard instrumentering grænseflader, tilbageholdende eller frit flytte indspilningerne, og histologisk skæring af hjernen væv indeholdende mesh elektronik. Repræsentative neurale optagelser og histologi data præsenteres. Efterforskere fortrolig med denne protokol vil have den nødvendige viden til at indarbejde mesh elektronik i deres egne eksperimenter og drage fordel af de unikke muligheder af langsigtede stabile neurale interfacing, såsom undersøgelser af befolkningens aldring processer, hjernens udvikling og patogenesen af hjernesygdom.

Resultaterne varierer afhængig af dyrearter i undersøgelsen, regionen målrettede hjernen, den forløbne tid siden injektion, mængden af akutte skader påført under injektion, og succesen af I/O interfacing procedure, blandt andre faktorer. Single-Enhed spiking aktivitet kan ikke vises indtil 1 dag (ved 150 µm indre diameter nåle) til 1 uge efter injektion og spike amplituder kan variere op til 4-6 uger. Figur 9 viser repræsentative elektrofysiologiske data fra en 32-kanals mesh elektronik sonde indsprøjtes i hippocampus og primære somatosensoriske cortex af en voksen mand C57BL/6J mus. Ca 300-µV amplitude lokale felt potentialer (LFPs) blev optaget på alle 32 kanaler og single-Enhed spiking aktivitet blev indspillet på 26 kanaler. LFPs og isoleret pigge forblev lignende mellem 2 og 4 måneder, hvilket tyder på en meget stabil grænseflade mellem optagelse elektronik og neuroner i denne udvidede periode. Figur 10 viser repræsentative resultater af histologiske skæring og immunfarvning af hjernevæv indeholdende mesh elektronik 1 år efter injektion. Farvning for NeuN, en markør for neurale somata, og neurofilament, en markør for neurale axoner, afslører lidt eller ingen tab af væv tæthed på injektionsstedet, antyde sømløse sammenknytning mellem trådnet elektronik og hjernen væv. Farvning for GFAP (markør for astrocytter) yderligere afslører nær baggrundsværdier for astrocytter omkring mesh elektronik, der angiver, at dets tilstedeværelse fremkalder lidt kronisk immunrespons.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58003/58003fig1.jpg"> Figur 1: trin i en sprøjte-injicerbar mesh elektronik eksperiment. Denne protokol beskriver alle vigtige trin i en typisk gnaver neurale optagelse eksperiment ved hjælp af mesh elektronik. Eksperimenter som regel medfører, med henblik på gennemførelsen, (1) fabrikation af mesh elektronik, (2) indlæsning af mesh elektronik ind i kapillære nåle, (3) stereotaxisk injektion af mesh elektronik ind i hjernen, (4) elektriske I/O grænseflade for maskestørrelser elektronik, (5) tilbageholdende eller frit bevægelige optagelser og (6) mesh/væv skæring og farvning for histologi. I nogle undersøgelser, kan kun histologi data ønske, i hvilket tilfælde trin (4) og (5) kan hoppet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58003/58003fig1large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58003/58003fig2.jpg"> Figur 2: skematisk skildrer fabrikation proceduren til plug-and-play mesh elektronik i regionen ultraflexible enhed (øverste række), stængel forbinder region (midterste række) og I/O region (nederste række). (A) SU-8 negative photoresist (rød) er mønstrede med PL maske-1 til at definere bunden passiverende lag af hver plug-and-play mesh elektronik sonde. (B) mønstre med PL maske-2, termisk fordampning og metal lift-off definere Au forbinder og I/O pads (guld). (C) mønstre med PL maske-3, elektron beam fordampning og metal lift-off definere Pt elektroder (blå). (D) SU-8 negative photoresist (rød) er mønstrede med PL maske-4 til at definere passiverende slidlaget. Åbninger i SU-8 er tilbage på hver Pt elektrode og I/O pad. (E) A afsluttet mesh elektronik sonde med stiplede bokse med angivelse af de steder i toppen, midten og bunden rækker udvidet. Photomask design-filer er tilgængelige ved anmodning fra forfatterne eller fra den ressource site, meshelectronics.org. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58003/58003fig2large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58003/58003fig3.jpg"> Figur 3: fotografier og optisk mikroskop billeder af plug-and-play mesh elektronik. (A) flise optisk mikroskop billeder af en sprøjte-injicerbar mesh elektronik sonde med plug-and-play I/O. Sonden var afbildet efter afslutningen af fabrikation trin i figur 2 men før frigivelsen fra de Ni-belagt substrat. Stiplede bokse svarer fra venstre mod højre til dele af ultraflexible enhed region, stængel og I/O region forstørret i C, D og E, henholdsvis. Skalalinjen = 1 mm. (B) fotografi af en 3 tommer Si wafer indeholdende 20 afsluttet mesh elektronik sonder. Skalalinjen = 20 mm. (C) optisk mikroskop billede af 20 µm diameter Pt optagelse elektroder i regionen ultraflexible enhed. Skalalinjen = 100 µm. (D) optisk mikroskop billede af high-density Au forbindelser i regionen stilk. Hver Au interconnect er elektrisk isoleret og forbinder en enkelt Pt elektrode til en enkelt I/O pad. Skalalinjen = 100 µm. (E) optisk mikroskop billede af I/O puder. Hver pad består af en sammenklappelig mesh region og en kontinuerlig tynd-hinde region beliggende på stænglen. Non-udførelse af SU-8 bånd forbinde trådnet dele af puder sammen for at hjælpe med at opretholde justering. Skalalinjen = 200 µm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58003/58003fig3large.jpg" target="_blank">venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58003/58003fig4.jpg"> Fig. 4: montage af apparater til at holde kapillær kanyler under injektionen. (A) fotografi af dele af apparatet. Komponenterne omfatter (1) et glas kapillær nål, (2) en pipette indehaveren, (3) en cirkulær skrue fasteneren for indehaveren pipette, og (4) en kegle skive til indehaveren af pipette. Elementer (2) gennem (4) er inkluderet med køb af en pipette indehaveren. Pil markerer outlet pipette indehaveren, som skal være limet lukket med epoxy. (B) fotografi af pipette indehaveren efter forsamling og indsættelse af et glas kapillær nål. Den ekstra epoxy er synlig på den øverste outlet pipette indehaveren (markeret med pil) og kapillær slanger forbinder pipette indehaveren med en sprøjte (ikke vist). (C) foto af indehaveren pipette og kapillær nålen efter den vedhæftede fil til stereotaxisk rammen med en højre-vinkel slutningen klemme. Skala barer er 1 cm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58003/58003fig4large.jpg" target="_blank">venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58003/58003fig5.jpg"> Figur 5: Ilægning af mesh elektronik i glas nåle. (A) skematisk illustration af proceduren lastning til plug-and-play mesh elektronik. Glas nål er placeret i nærheden af I/O slutningen af en mesh elektronik sonde, mens det er suspenderet i løsning. Sprøjte stemplet er derefter manuelt trukket tilbage for at tegne i mesh elektronik sonde. Ideel placering er med regionen ultraflexible enhed lige inden slutningen af nålen. (B) fotografier svarende til (A) af en mesh elektronik sonde indlæses ikke i et glas nål. Skalere barer = 2 mm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58003/58003fig5large.jpg" target="_blank">venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58003/58003fig6.jpg"> Figur 6: skematisk af stereotaxisk kirurgi station. En motoriseret stereotaxisk ramme (A) med vedlagte pipette indehaveren er bruges til at placere nålen ind i ønskede hjernen regionen. Placeringen af nålen og indlæst mesh elektronik overvåges med et mål linse og knyttet kamera (B) og vises på en computer (C). En sprøjten pumpe (D) løber præcise mængder af saltvand gennem nålen, giver mulighed for nøjagtig, kontrolleret injektion af mesh elektronik i regionen ønskede hjernen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58003/58003fig6large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58003/58003fig7.jpg"> Figur 7: Plug-and-play I/O interfacing procedure. (A) en FFC fastspænding substrat er sikret med dental cement støder op til kraniotomi. (B) Plug-and-play mesh elektronik stereotaxically injiceres i den ønskede hjernen regionen ved hjælp af metoden FoV. (C) nålen med I/O puder af trådnet elektronik sonde stadig inde, flyttes over FFC fastspænding substrat. (D) Flow er genoptages gennem nål til at skubbe I/O puder på FFC fastspænding substrat. (E) I/O pads er bøjet 90 ° i forhold til stilken, udfoldede sig med den ledende side opad, og tørrede i stedet. (F) FFC substrat er trimmet med saks til en lineær ca. 0,5 mm fra kanten af I/O puder. Overskydende substrat er skåret væk for at tillade indsættelse i en 32-kanals ZIF stik. (G) I/O pads er indsat i en 32-kanals ZIF stik monteret på en brugerdefineret PCB. ZIF stik er smækket lukkede at gøre kontakt med I/O puder. (H) låsen er cementeret lukket, Printet er vendt på kraniet, og Printet er fast på plads med dental cement. (jeg) The PCB danner en kompakt headstage med en standard forstærker stik til nem interfacing under indspilningerne. Skalere barer = 1 cm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58003/58003fig7large.jpg" target="_blank">venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58003/58003fig8.jpg"> Figur 8: tilbageholdende og frit bevægelige optagelser. (A) fotografi af en mandlig C57BL/6J mus i en Tilbageholderen under indspilningen. En 32-kanals forforstærker PCB er blevet indsat i standard forstærker stik. (B) fotografi af den samme mus med 32-kanals forforstærker PCB i løbet af en frit bevægende optagelse eksperiment. Skalere barer = 1 cm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58003/58003fig8large.jpg" target="_blank">venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58003/58003fig9.jpg"> Figur 9: repræsentative neurale optagelse resultater. (A) repræsentant LFP varme kort fra 32-kanals mesh elektronik sonder injiceres mus hippocampus og somatosensoriske cortex. Data blev registreret mens musen frit udforskede sit bur på 2 måneder (øverst) og 4 måneder (nederst) efter injektion. LFP amplitude er farvekodede ifølge farvelinjen til højre. High-pass filtreret spor (sort) viser spiking aktivitet er overlejret på spektrogram for hver af de 32 kanaler. (B) pigge isoleret efter sortering dataene afbildes i (A). Single-Enhed spiking aktivitet blev opdaget på 26 af de 32 kanaler begge 2 måneder efter injektion (øverst) og 4 måneder efter injektion (nederst). Tal over hver klynge af pigge svarer til kanalnumre i (A). Dette tal er blevet ændret fra Fu, et al. 28. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58003/58003fig9large.jpg" target="_blank">venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58003/58003fig10.jpg"> Figur 10: repræsentative histologi resultater. (A) skematiske illustrerer orienteringen af mesh elektronik inden for vandret (midterste panel) og sagittal (nederste panel) hjerne skiver. (B) Fluorescens mikroskop billede af en 10 µm tykt kortikale hjernen skive et år efter injektion af en 16-kanals mesh elektronik sonde. Skive har været immunostained for NeuN (grøn). (C) den samme hjerne slice immunostained for neurofilament (rød). (D) den samme hjerne slice immunostained for GFAP (cyan). (E) A sammensat billede af (B) til (D) viser trådnet elektronik/væv interface med mærket NeuN (grøn), neurofilament (rød), GFAP (cyan), og mesh elektronik (blå). Skalere barer = 100 µm. Dette tal er blevet ændret fra Fu et al. 27. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58003/58003fig10large.jpg" target="_blank">venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Supplerende Video 1: gentagne lastning og injektion af mesh elektronik i løsning. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58003/video1.mp4">Venligst klik her for at downloade denne fil.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Syringe-injectable Mesh Electronics for Stable Chronic Rodent Electrophysiology at JoVE.com

Syringe-injectable Mesh Electronics for Stable Chronic Rodent Electrophysiology

Mesh elektronik sonder problemfrit integrere og sikre stabile, langsigtede, single-neuron optagelse i hjernen. Denne protokol bruger mesh elektronik til i vivo eksperimenter, der involverer fabrikation af mesh elektronik, ilægning i nåle, stereotaxisk injektion, input/output interfacing, optagelse eksperimenter og histologi væv indeholdende mesh sonder.

Sprøjte-injicerbar Mesh elektronik til stabil kronisk gnaver Elektrofysiologi

Implantable brain electrophysiology probes are valuable tools in neuroscience due to their ability to record neural activity with high spatiotemporal ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Cellular Lipid Extraction for Targeted Stable Isotope Dilution Liquid Chromatography-Mass Spectrometry Analysis

Cellular Lipid Ekstraktion for målrettet stabile isotoper Fortynding Liquid Chromatography-massespektrometri Analyse

The metabolism of fatty acids, such as arachidonic acid (AA) and linoleic acid (LA), results in the formation of oxidized bioactive lipids, including ...

Evaluation of Biomaterials for Bladder Augmentation using Cystometric Analyses in Various Rodent Models

Evaluering af Biomaterials for blære Augmentation anvendelse Cytometriske Analyser i forskellige gnavermodeller

Renal function and continence of urine are critically dependent on the proper function of the urinary bladder, which stores urine at low pressure and ...

Engineering 3D Cellularized Collagen Gels for Vascular Tissue Regeneration

Engineering 3D Cellularized kollagengeler for Vascular Tissue Regeneration

Synthetic materials are known to initiate clinical complications such as inflammation, stenosis, and infections when implanted as vascular substitutes. ...

Epithelial Cell Repopulation and Preparation of Rodent Extracellular Matrix Scaffolds for Renal Tissue Development

Epithelial cellerepopulationskilde og Udarbejdelse af Gnaver ekstracellulær matrix Stilladser for Renal Tissue Udvikling

This protocol details the generation of acellular, yet biofunctional, renal extracellular matrix (ECM) scaffolds that are useful as small-scale model ...

Studying Soft-matter and Biological Systems over a Wide Length-scale from Nanometer and Micrometer Sizes at the Small-angle Neutron Diffractometer KWS-2

Studere Soft-stof og biologiske systemer over en bred Længde skala fra nanometer og mikrometer Størrelser på Små-vinkel Neutron diffraktometer KWS-2

The KWS-2 SANS diffractometer is dedicated to the investigation of soft matter and biophysical systems covering a wide length scale, from nm to &#181;m. ...

Microfluidic Platform with Multiplexed Electronic Detection for Spatial Tracking of Particles

Mikrofluid Platform med Multiplexed Elektronisk Detection for fysisk sporing af partikler

Microfluidic processing of biological samples typically involves differential manipulations of suspended particles under various force fields in order to ...

Rodent Behavioral Testing to Assess Functional Deficits Caused by Microelectrode Implantation in the Rat Motor Cortex

Gnaver adfærdsmæssige test for at vurdere funktionelle mangler forårsaget af mikroelektrode Implantation i rotte motoriske Cortex

Medical devices implanted in the brain hold tremendous potential. As part of a Brain Machine Interface (BMI) system, intracortical microelectrodes ...

Nanosensors to Detect Protease Activity In Vivo for Noninvasive Diagnostics

Nanosensors to Detect Protease Activity In Vivo for Noninvasive Diagnostics

Sensorer til at registrere Protease aktivitet In Vivo for invasiv diagnostik

Proteases are multi-functional enzymes that specialize in the hydrolysis of peptide-bonds and control broad biological processes including homeostasis and ...

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Bioinspireret blød robot med indbyggede mikroelektroder

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics ...

Preclinical Cardiac Electrophysiology Assessment by Dual Voltage and Calcium Optical Mapping of Human Organotypic Cardiac Slices

Præklinisk hjerteelektrofysiologivurdering ved dobbelt spænding og calciumoptisk kortlægning af humane organotypiske hjerteskiver

Human cardiac slice preparations have recently been developed as a platform for human physiology studies and therapy testing to bridge the gap between ...