Name: construction and implementation of carbon fiber microelectrode arrays for chronic and acute in vivo recordings
Uploaded: 2021-08-05T14:30:00
Duration: 7 min 37 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Construction and Implementation of Carbon Fiber Microelectrode Arrays for Chronic and Acute In Vivo Recordings at JoVE.com

نود أن نشكر غريغ Guitchounts للتوجيه مع تصميم القطب والبناء وتيم غاردنر لفتح مختبره والمرافق لنا. نود أن نشكر كريستوس ميشاس على مساعدته في استخدام PDS في منشأة Bio-Interface و Technology الأساسية ونيل ريتر وجون سبيرياس وديفيد لاندسمان لمساعدتهم في تصميم الإصدارات المبكرة من الرقصة ذات ال 16 قناة. نود أن نشكر تيم كافانو على مساعدته في تصوير SEM في مركز أنظمة النانو في جامعة هارفارد في جامعة هارفارد.

<ol>
	<li>Galvani, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> De viribus electricitatis in motu musculari commentarius. , (1791).</li><li>Buzsaki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+origin+of+extracellular+fields+and+currents--EEG,+ECoG,+LFP+and+spikes.">The origin of extracellular fields and currents--EEG, ECoG, LFP and spikes.</a> Nature reviews. Neuroscience. 13 (6), 407-420 (2012).</li><li>Ledochowitsch, P., 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=On+the+correspondence+of+electrical+and+optical+physiology+in+in+vivo+population-scale+two-photon+calcium+imaging.">On the correspondence of electrical and optical physiology in in vivo population-scale two-photon calcium imaging.</a> bioRxiv. , 800102 (2019).</li><li>Lin, M. Z., 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=Genetically+encoded+indicators+of+neuronal+activity.">Genetically encoded indicators of neuronal activity.</a> Nature Neuroscience. 19 (9), 1142-1153 (2016).</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 and Nanoengineering. 3 (1), 16066 (2017).</li><li>Kerr, J. N., Denk, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+in+vivo:+watching+the+brain+in+action.">Imaging in vivo: watching the brain in action.</a> Nature reviews. Neuroscience. 9 (3), 195-205 (2008).</li><li>Hong, G., 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=Novel+electrode+technologies+for+neural+recordings.">Novel electrode technologies for neural recordings.</a> Nature reviews. Neuroscience. 20 (6), 330-345 (2019).</li><li>Chung, J. E., 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=High-density,+long-lasting,+and+multi-region+electrophysiological+recordings+using+polymer+electrode+arrays.">High-density, long-lasting, and multi-region electrophysiological recordings using polymer electrode arrays.</a> Neuron. 101 (1), 21-31 (2019).</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>Kozai, T. D., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+tissue+responses+to+neural+implants+impact+signal+sensitivity+and+intervention+strategies.">Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies.</a> ACS Chemical Neuroscience. 6 (1), 48-67 (2015).</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>Kozai, T. 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=Ultrasmall+implantable+composite+microelectrodes+with+bioactive+surfaces+for+chronic+neural+interfaces.">Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces.</a> Nature Materials. 11 (12), 1065-1073 (2012).</li><li>Chen, R., Canales, A., Anikeeva, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+recording+and+modulation+technologies.">Neural recording and modulation technologies.</a> Nature Reviews Materials. 2 (2), 16093 (2017).</li><li>Szostak, K. M., Grand, L., Constandinou, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+interfaces+for+intracortical+recording:+requirements,+fabrication+methods,+and+characteristics.">Neural interfaces for intracortical recording: requirements, fabrication methods, and characteristics.</a> Frontiers in Neuroscience. 11, 665 (2017).</li><li>Subbaroyan, J., Martin, D. C., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+finite-element+model+of+the+mechanical+effects+of+implantable+microelectrodes+in+the+cerebral+cortex.">A finite-element model of the mechanical effects of implantable microelectrodes in the cerebral cortex.</a> Journal of Neural Engineering. 2 (4), 103-113 (2005).</li><li>Park, S., 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=One-step+optogenetics+with+multifunctional+flexible+polymer+fibers.">One-step optogenetics with multifunctional flexible polymer fibers.</a> Nature Neuroscience. 20 (4), 612-619 (2017).</li><li>Guo, Y., 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=Polymer+composite+with+carbon+nanofibers+aligned+during+thermal+drawing+as+a+microelectrode+for+chronic+neural+interfaces.">Polymer composite with carbon nanofibers aligned during thermal drawing as a microelectrode for chronic neural interfaces.</a> ACS Nano. 11 (7), 6574-6585 (2017).</li><li>Armstrong-James, M., Millar, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+fibre+microelectrodes.">Carbon fibre microelectrodes.</a> Journal of Neuroscience Methods. 1 (3), 279-287 (1979).</li><li>Garris, P. A., Ciolkowski, E. L., Pastore, P., Wightman, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efflux+of+dopamine+from+the+synaptic+cleft+in+the+nucleus+accumbens+of+the+rat+brain.">Efflux of dopamine from the synaptic cleft in the nucleus accumbens of the rat brain.</a> Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society of Neuroscience. 14 (10), 6084-6093 (1994).</li><li>Guitchounts, G., Markowitz, J. E., Liberti, W. A., Gardner, T. 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+carbon-fiber+electrode+array+for+long-term+neural+recording.">A carbon-fiber electrode array for long-term neural recording.</a> Journal of Neural Engineering. 10 (4), 046016 (2013).</li><li>Guitchounts, G., Cox, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=64-channel+carbon+fiber+electrode+arrays+for+chronic+electrophysiology.">64-channel carbon fiber electrode arrays for chronic electrophysiology.</a> Scientific Reports. 10 (1), 3830 (2020).</li><li>Ma, Z., Turrigiano, G. G., Wessel, R., Hengen, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+circuit+dynamics+are+homeostatically+tuned+to+criticality+in+vivo.">Cortical circuit dynamics are homeostatically tuned to criticality in vivo.</a> Neuron. 104 (4), 655-664 (2019).</li><li>Popovic, 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=Development+of+cross-orientation+suppression+and+size+tuning+and+the+role+of+experience.">Development of cross-orientation suppression and size tuning and the role of experience.</a> Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society of Neuroscience. 38 (11), 2656-2670 (2018).</li><li>Patel, P. 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=Chronic+in+vivo+stability+assessment+of+carbon+fiber+microelectrode+arrays.">Chronic in vivo stability assessment of carbon fiber microelectrode arrays.</a> Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066002 (2016).</li><li>Welle, E. 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=Ultra-small+carbon+fiber+electrode+recording+site+optimization+and+improved+in+vivo+chronic+recording+yield.">Ultra-small carbon fiber electrode recording site optimization and improved in vivo chronic recording yield.</a> Journal of Neural Engineering. 17 (2), 026037 (2020).</li><li>Patel, P. 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=Insertion+of+linear+8.4+&#181;m+diameter+16+channel+carbon+fiber+electrode+arrays+for+single+unit+recordings.">Insertion of linear 8.4 &#181;m diameter 16 channel carbon fiber electrode arrays for single unit recordings.</a> Journal of Neural Engineering. 12 (4), 046009 (2015).</li><li>Ferguson, J. E., Boldt, C., Redish, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Creating+low-impedance+tetrodes+by+electroplating+with+additives.">Creating low-impedance tetrodes by electroplating with additives.</a> Sensors and Actuators. A, Physical. 156 (2), 388-393 (2009).</li><li>Vafaiee, M., Vossoughi, M., Mohammadpour, R., Sasanpour, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold-plated+electrode+with+high+scratch+strength+for+electrophysiological+recordings.">Gold-plated electrode with high scratch strength for electrophysiological recordings.</a> Scientific Reports. 9 (1), 2985 (2019).</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></ol>

ولا يعلن صاحبا البلاغ عن أي تضارب مالي في المصالح.

يصف هذا البروتوكول كل خطوة ضرورية لبناء CFEA وظيفية للاستخدام الحاد والمزمن على حد سواء. العملية الموصوفة قابلة للتخصيص لاحتياجات الباحث ، مما يجعلها خيارا متاحا وغير مكلف لمراقبة الخلايا العصبية الفردية على مدار أشهر. يوضح البروتوكول جدوى تسجيل كل من النشاط القوي لوحدة واحدة في غضون دقائق من الزرع في مخدر ، وعلى مدى أربعة أشهر في مستيقظ يتصرف ، مما يوضح إمكانات هذه CFEAs لدراسة التغيرات قصيرة الأجل وطويلة الأجل في الاستجابات العصبية.
وقد تم اختبار خطوات البروتوكول الموصوفة بدقة وتحسينها بمرور الوقت للتوصل إلى إجراء فعال يمكن إكماله بسرعة، بتكلفة هامشية منخفضة (< 100.00 دولار)، مع القدرة على تسجيل وحدات فردية لا لبس فيها، بكثافة وثبات على مدى أشهر. يمكن الانتهاء من خطوات البناء في أقل من يوم واحد، وسوف تنتج إشارات كهربية التي هي مماثلة لأي مجموعة تجارية رائدة. وCFEAs أيضا بصمة أصغر بكثير (حزمة من 16 قناة من الألياف وقطرها ~ 26 ميكرومتر) من صفائف تجارية مماثلة، وعدم توافقها البيولوجي يجعلها مناسبة للاستخدام على المدى الطويل13. الأهم من ذلك، هناك العديد من الخطوات الحاسمة والتعليمات التي يجب اتباعها من أجل إنتاج CFEA يعمل مع أداء مماثل.
نظرا لهشاشة ألياف الكربون ، يجب التعامل معها بأقصى قدر من العناية. التعامل معها مع ملقط حاد أو غيرها من الأدوات قد يؤدي إلى كسر الألياف. بالإضافة إلى ذلك، من المهم بناء CFEAs في الفضاء مع حركة الهواء محدودة بحيث الألياف لا تهب بعيدا. عندما المشتعلة الجزء الخلفي من الألياف، وأخف وزنا يحتاج فقط إلى أن تتحرك في حركة ذهابا وإيابا لفترة وجيزة جدا، لحوالي 1 ق. الخطوات التالية لإزالة العزل هذه حاسمة لبناء قطب كهربائي مع قنوات العمل. وينبغي تغذية نصائح ملتهبة في الرقصة دون أي اتصال إضافي. ثم، عند ملء الحوض مع أسمنت الأسنان، من المهم أن يتم تطبيق الاسمنت بعناية ويملأ تماما القنوات وحوض القمع، وإغلاق الفتحات دون ملء لهم. ثم ينبغي الشفاء تماما من الاسمنت الأسنان مع ضوء الأشعة فوق البنفسجية قبل المتابعة. وبمجرد الانتهاء من ذلك، ينبغي حقن الطلاء الفضي في كل قناة حتى تملأ تماما ولكن لا تتسرب. هذه هي الخطوة الأكثر متغير في العملية. يمكن لأي تعبئة زائدة أن تنتج التحدث المتبادل بين القنوات، ويمكن أن يؤدي عدم كفاية التعبئة إلى فشل الاتصال. إذا لم تتمكن من حقن الطلاء الفضي باستخدام إبرة 25 G ، فمن المرجح أن الحل لزج للغاية ، وفي هذه الحالة ، يمكن إضافة كمية صغيرة من أرق الطلاء لإنشاء محلول أكثر مرونة. بمجرد تعبئة جميع القنوات ، وإدخال موصل headstage ، من المهم السماح للصفيف بالعلاج لمدة 24 ساعة قبل تأمين الموصل باستخدام أسمنت الأسنان. وجدنا أن الفشل في القيام بذلك خفض عدد القنوات المتصلة. تطبيق كمية سخية من الاسمنت الأسنان مهم أيضا بحيث موصل لا قطع عند التواصل مع نظام الحصول على إشارة. إذا أصبحت منفصلة، فمن الممكن محاولة إعادة الاتصال مع ملء المتكررة من القنوات مع الطلاء الفضي، ولكن يجب على المستخدم اختبار قيم المعاوقة من CFEA لتقييم عدد من القنوات المتصلة. السماح للأسمنت الأسنان لعلاج بين عشية وضحاها كما يعمل على منع مفرزة المحتملة.
إن قياس مقاومة القطب الكهربائي سيوفر تقديرا دقيقا للقنوات المتصلة. ويمكن القيام بذلك بعد غمر الأرض والأسلاك المرجعية ونصائح ألياف الكربون في برنامج تلفزيوني. لقد لاحظنا أن المعاوقة العالية (>15 MΩ) تدل على قناة مفتوحة وغير متصلة. قبل حقن التيار والكهرباء، يمكن أن يكون للقناة المتصلة مجموعة من قيم المعاوقة التي يجب أن تنخفض بشكل كبير مع هذه العملية. وبلغ متوسط عدد القنوات المتصلة (المعاوقة < 4 MΩ بعد الحقن الحالي) لكل قطب كهربائي من 16 قناة 12.96 ± 2.74 (متوسط ± SD؛ N = 48 أقطاب كهربائية). تم اختبار عدد من مرات الطلاء الكهربائي، وأنتجت 30 ق عزل إشارة متفوقة بين مواقع التسجيل (الشكل 5). في حين أنه ثبت جيدا أن PEDOT-pTS12و24و25و PEDOT-TFB21 توفر خيارات موثوقة لإعداد مواقع تسجيل ألياف الكربون ، وجدنا أن الطلاء بالذهب ، وهو طريقة مثبتة ويمكن الاعتماد عليها لأقطاب الطلاء الكهربائي للزرع المزمن27،28 ، وزيادة سهولة زرع ومنع نصائح القطب من تتجمع معا. في إنتاج قيم المعاوقة النهائية أقل من 0.2 MΩ في المتوسط ، تثبت هذه الطريقة أنها مماثلة للقيم التي تحققت باستخدام PEDOT-TFB21 و PEDOT-pTS26.
عند زرع صفيف microelectrode ، من المهم متابعة إدراج نصائح ألياف الكربون تحت المجهر بصريا. يجب أن يكون الإدراج الناجح واضحا ، مع عدم وجود ثني للألياف. إذا كانت الألياف ويبدو أن التواء، فمن غير المرجح أنها سوف تدخل بنجاح في الدماغ. في هذه الحالة، يجب تعديل زاوية المسبار لمحاولة ثانية. يمكن أن تستمر هذه العملية حتى يتم إدراج المسبار بنجاح. بمجرد أن يكون القطب في العمق المطلوب ، وجدنا أن الانتظار لمدة 30 دقيقة على الأقل سيسمح للمسبار بالاستقرار بالحصول على الإشارة المثلى (التسجيلات الحادة).
وتوفر العقود مقابل الفروقات الموصوفة، بالإضافة إلى صغر حجمها وتناواها البيولوجي، بديلا قويا وقابلا للتخصيص للصفائف التجارية نظرا لسهولة بنائها وانخفاض تكلفتها. أكبر تقييد ل CFEAs مفصلة في هذا البروتوكول هو قابليتها للتحجيم. نظرا للطبيعة اليدوية لبنائها ، قد لا يكون التوسع في التصاميم مع مئات مواقع التسجيل عملية. بالإضافة إلى ذلك، فإن التقدم في تصنيع صفيف microelectrode باستخدام تكنولوجيا النانو سيمكن التسجيلات السكانية على نطاق أوسع من الأساليب الموصوفة هنا. ومع ذلك ، فإن هذا البروتوكول يوفر إمكانية الوصول إلى CFEA للمختبرات المهتمة بالتصنيع على مقاعد البدلاء لأقطاب ألياف الكربون. لم نلاحظ أي فقدان للاستقرار أو انخفاض في قوة السعة الارتفاع على مدى فترة التجارب المزمنة لمدة 120 يوما، كما هو مبين من قبل قناة واحدة ممثل نموذجية من ملاحظاتنا على ذلك النطاق الزمني(الشكل 6A-ه). بالإضافة إلى ذلك، تظهر CFEAs القدرة على نشاط وحدة واحدة مستمرة، كما ظلت أربع وحدات واحدة ملحوظة بعد 11 شهرا من زرع في الماوس (الشكل 6G،H). ومن الممكن أيضا الحصول على مستقرة، تسجيلات وحدة واحدة بشكل حاد(الشكل 7)،والذي يقدم ميزة على العديد من الأقطاب التجارية الأخرى لدراسة الخلايا العصبية واحدة على مدى فترات زمنية قصيرة. وفي المستقبل، سيمكن تطوير هذه المسابير المرنة والمتوافقة بيولوجيا ذات الأقطار الدنيا من دراسة العمليات المعقدة. ستوفر هذه الأدوات فائدة كبيرة في تقدم التكنولوجيا العصبية ، بما في ذلك التطبيقات في واجهات الدماغ والآلة (BMIs) ، والتي تتطلب استقرار مستمر وطويل الأجل29.

الأقطاب الكهربائية صفائف القطب هي أدوات قيمة لفهم كيفية معالجة الدماغ للمعلومات على مستوى الخلايا العصبية. في حين أن التسجيلات الكهربية كانت قابلة للتحقيق لأكثر من قرنينمن الزمان 1، فإنه لا يزال من غير الممكن قياس نشاط الدوائر العصبية بأكملها في القرار المكاني والزمني المطلوب لالتقاط ارتفاع الخلايا العصبية الفردية. على الرغم من أن الأساليب غير الغازية، مثل تخطيط الدماغ الكهربائي2،تضاريس الانبعاثات البوزيترونية3،والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي4 تسمح لقياسات الدماغ كله، فإنها لا يمكن تحقيق الدقة المكانية والزمنية اللازمة لحل نشاط الدوائر العصبية2،5. في المقابل، يمكن أن تحقق طرق التصوير مثل التصوير البصري باستخدام الأصباغ الحساسة للجهد أو مؤشرات الكالسيوم المشفرة وراثيا دقة مكانية أحادية الوحدة، ولكنها تطرح قضايا مثل الدقة الزمنية المنخفضة وضعف الانتقائية3و4و5و6. التسجيلات الكهربائية هي بديل قوي لهذه الأساليب. تسجيل الأقطاب الكهربائية توفير دقة زمنية لا مثيل لها والسماح للمستخدم لإجراء القياسات بدقة ارتفاع الوقت في أي منطقة من الدماغ7. بالإضافة إلى ذلك، صفائف متعددة الأقطاب المزروعة بشكل مزمن (MEAs) تمكن على نطاق واسع (عشرات إلى مئات الخلايا)، تسجيلات وحيدة الخلية في الحيوانات تتصرف على مدى فترة من الأيام إلى الأشهر8،9. ومع ذلك، المسابير السيليكون التي تسجل في كثافات أعلى لها بصمة كبيرة وهي الغازية للغاية، وصفائف مزروعة بشكل مزمن غالبا ما تولد استجابة التهاب، تغليف الأنسجة، والموت العصبي10،11،12،13.
وقد أدت القيود المفروضة على الأقطاب الكهربائية الموجودة في الابتكارات الأخيرة التي تسمح لتسجيلات مستقرة وعالية الدقة وطويلة الأجل. تتكون الأقطاب الكهربائية النموذجية من موصل معدني ، مثل التنغستن أو البلاتين إيريديوم ، أو تعتمد على السيليكون أو البوليمر. في حين أن صفائف الأسلاك الدقيقة القائمة على المعدن يمكنها الحفاظ على تسجيلات مستقرة طويلة الأجل ، إلا أن لها بصمة أكبر بكثير ، مع قطر سلك واحد يتراوح بين 10-200 ميكرومتر14. في المقابل، صفائف القطب القائم على السيليكون تسفر عن تسجيلات مع دقة المكانية عالية، ولكن نظرا لتصميمها جامدة نسبيا، فإنها عادة ما تكون غير قادرة على الحفاظ على إشارة وتسجيل من نفس الخلايا العصبية على مدى أشهر عديدة15. وقد أسفرت التطورات الأخيرة في صفائف السيليكون القائمة في الأقطاب الكهربائية التي يمكن أن تؤدي بشكل موثوق التسجيلات المزمنة، ولكن لا يمكن استخدام هذه الصفائف لتسجيل من مناطق الدماغ العميق في الحيوانات الكبيرة وتهدف للتسجيلات الخطية9. وقد أدى التقدم في صفائف البوليمر في زيادة المرونة وتسجيل الاستقرار من وحدات واحدة وتوفر إمكانية لتسجيلات عالية الكثافة في المستقبل القريب ولكن مع توافر محدود في الوقت الحاضر8،16،17. تسمح ألياف الكربون بالتسجيلات عالية الكثافة مع المواد الجاهزة الموضحة هنا.
وقد استخدمت ألياف الكربون تسجيل microelectrodes لعقود، مع أول أقطاب ألياف الكربون تتكون من ألياف الكربون واحد إدراجها في micropipette الزجاج. واستخدمت هذه microelectrodes لتسجيلات خارج الخلية وحدة واحدة، وعلى الرغم من أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء كانت مماثلة لأفضل التنغستن في الزجاج microelectrodes، كانت مفيدة نظرا لمرونتها، وانخفاض قيم المعاوقة، والبساطة لتصنيع18،19. تسارعت الجهود الرامية إلى تطوير صفائف أقطاب ألياف الكربون مؤخرا بسبب قدرات الاستشعار البيولوجي لألياف الكربون. بالإضافة إلى زيادة التوافق البيولوجي والتوصيلية الكهربائية الاستثنائية ، فإنها تتميز بمجموعة فريدة من الخصائص ، بما في ذلك مقاومة درجات الحرارة العالية ، والكثافة النسبية المنخفضة ، وقوة الشد العالية ، وتصلب الانحناء المنخفض ، وحساسية الكشف العالية ، ومنطقة صغيرة مقطعية10،12. كل هذه الخصائص قد حفزت على تطوير صفائف ألياف الكربون microelectrode (CFEAs) التي تسهل المزمنة, مستقرة, تسجيلات عالية الغلة من الخلايا العصبية واحدة. ويمكن الآن أن تكون وضعت هذه CFEAs باليد20،21 ( الشكل1) ، مما أسفر عن صفائف microelectrode التي يمكن أن تعقد الخلايا العصبية واحدة على مدى أشهر. وصف هنا هو عملية البناء للوصول لCFEAs التي تم تكييفها بطريقتين للتسجيلات الحادة والمزمنة من الخلايا العصبية الفردية في نوعين.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>#10 scalpel blade</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-840-15</td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>16-channel CFEA Jig</td>
			<td>Realize Inc.</td>
			<td></td>
			<td>CFMA component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>16-channel Omnetics connector</td>
			<td>Omnetics</td>
			<td>A79014-001</td>
			<td>CFMA component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>25 G needle</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-840-84</td>
			<td>Building tool - sharp-tipped</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>30 G needle</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-841-03</td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>31 G stainless steel 304 hypodermic round tubing</td>
			<td>Small Parts Inc</td>
			<td>B000FMYN38</td>
			<td>For guide tube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>32-channel CFEA jig</td>
			<td>Realize Inc.</td>
			<td></td>
			<td>CFMA component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>32-channel Omnetics connector</td>
			<td>Omnetics</td>
			<td>A79022-001</td>
			<td>CFMA component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6 in cotton tip applicators</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>22-363-156</td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>A16P4</td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AutoCad 3D printing software</td>
			<td>Autodesk</td>
			<td></td>
			<td>Computer-aided design tool/ 3D modeling software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Autodesk Fusion 360</td>
			<td>Autodesk</td>
			<td></td>
			<td>Computer-aided design tool/ 3D modeling software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BD disposable syringes</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-823-30</td>
			<td>1 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon fibers</td>
			<td>Good Fellow USA</td>
			<td>C 005725</td>
			<td>7 &#956;m epoxy sized</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cassettes and cassette holder</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>For coating fibers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clear tape</td>
			<td>Scotch</td>
			<td></td>
			<td>For coating raw fibers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deionized water</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Electroplating component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Double-sided tape</td>
			<td>Scotch</td>
			<td></td>
			<td>For coating raw fibers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flowable Dental Composite</td>
			<td>Pentron</td>
			<td>Flow-It ALC</td>
			<td>CFMA component/ UV cured dental cement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gold plating solution</td>
			<td>Sifco ASC</td>
			<td>5355</td>
			<td>10.0-20.0% glycerol, 1.0-5.0% ethylenediamine, 1.0-5.0% acetic acid (ethylenedinitrilo)tetra-, dipotassium salt, 5.0-10.0% butanoic acid, mercapto-monogold(1+) sodium salt, 1.0&#8211;5.0% potassium metabisulfite, 55.0-82.0% water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Jewelry clamp</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B00GRABH9K</td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>JRClust</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Ferret spike sorting software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lighter</td>
			<td>BIC</td>
			<td>LCP62DC</td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micromanipulator</td>
			<td>Scientifica</td>
			<td>PS-7000C</td>
			<td>For guide tube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscissors</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>08-953-1B</td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MountainSort</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Mouse spike sorting software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanoZ 16-channel adapter</td>
			<td>Multi-channel systems</td>
			<td>ADPT-nanoZ-NN-16</td>
			<td>Electroplating component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanoZ 32-channel adapter</td>
			<td>White Matter</td>
			<td>NZA-OMN-32 rev A</td>
			<td>Electroplating component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanoZ multi-electrode impedance tester</td>
			<td>White Matter</td>
			<td></td>
			<td>Electroplating component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm</td>
			<td>Fisher Stockroom</td>
			<td>13-374-10</td>
			<td>Semi-transparent, flexible film with adhesive properties</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parylene &#39;C&#39; Dimer</td>
			<td>Specialty Coating Systems</td>
			<td>980130-C-01LBE</td>
			<td>For coating raw fibers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PEG 8000</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>25322-68-3</td>
			<td>Electroplating component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate-buffered saline</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Electroplating component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyimide tubing</td>
			<td>MicroLumen</td>
			<td>BRAUNI001</td>
			<td>For guide tube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary tool</td>
			<td>Dremel</td>
			<td>300124</td>
			<td>For guide tube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scalpel handle</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>10003-12</td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver conductive coating</td>
			<td>MG Chemicals</td>
			<td>842AR Super Shield</td>
			<td>CFMA component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereo microscope with range 6.7:1</td>
			<td>Motic</td>
			<td>SMZ-168</td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sticky notes</td>
			<td>Post-it</td>
			<td></td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tissue wipes</td>
			<td>Kimtech Science</td>
			<td>34155</td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tungsten wire</td>
			<td>A-M Systems</td>
			<td>797550</td>
			<td>CFMA component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV curing wand</td>
			<td>Woodpecker</td>
			<td></td>
			<td>Building tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum deposition chamber</td>
			<td>Specialty Coating Systems</td>
			<td></td>
			<td>Labcoter 2 (PDS 2010)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

construction and implementation of carbon fiber microelectrode arrays for chronic and acute in vivo recordings

توفر صفائف الأقطاب الكهربائية متعددة القنوات نظرة ثاقبة على الدماغ العامل وتعمل على توضيح العمليات العصبية على مستوى الخلية الواحدة والدائرة. تطوير هذه الأدوات أمر بالغ الأهمية لفهم السلوكيات المعقدة والإدراك وللنهوض بالتطبيقات السريرية. ومع ذلك، فإنه لا يزال يشكل تحديا لتسجيل بكثافة من مجموعات الخلايا بشكل ثابت ومستمر على مدى فترات زمنية طويلة. تتميز العديد من الأقطاب الكهربائية الشائعة ، مثل tetrodes صفائف السيليكون ، بأقطار متقاطعة كبيرة تنتج تلفا عند الإدراج وتثير استجابات الأنسجة التفاعلية المزمنة المرتبطة بموت الخلايا العصبية ، مما يعوق تسجيل نشاط عصبي مستقر ومستمر. بالإضافة إلى ذلك، تظهر معظم حزم الأسلاك تباعد واسع بين القنوات، مما يمنع التسجيل المتزامن من عدد كبير من الخلايا المتجمعة في منطقة صغيرة. توفر صفائف الألياف الكربونية microelectrode الموصوفة في هذا البروتوكول حلا يمكن الوصول إليه لهذه المخاوف. توفر الدراسة طريقة مفصلة لتصنيع صفائف ألياف الكربون microelectrode التي يمكن استخدامها لكل من التسجيلات الحادة والمزمنة في الجسم الحي. الخصائص الفيزيائية لهذه الأقطاب الكهربائية جعلها مثالية للتسجيلات المستقرة والمستمرة على المدى الطويل في كثافات الخلايا العالية، مما يمكن الباحث من إجراء تسجيلات قوية لا لبس فيها من وحدات واحدة عبر أشهر.

ومع الانتهاء من هذا البروتوكول، سيكون من الممكن تسجيل تسجيلات مستقرة لنشاط التصاعد لوحدة واحدة. هذه الصفائف microelectrode قابلة للتخصيص في المواد، وعدد القنوات، ومحول headstage على أساس احتياجات الباحث. ألياف الطلاء الكهربائي في نتائج الذهب في انخفاض المعاوقات مناسبة للتسجيل (الشكل 4 والشكل 5). إذا كان المستخدم ينوي التسجيل بشكل مزمن ، يمكن إجراء القياسات بعد تعافي الحيوان من العملية الجراحية. وقد أدت الإجراءات المزمنة إلى تسجيلات مستقرة من وحدة واحدة لمدة 120 يوما على الأقل. يظهر تسجيل تمثيلي في الشكل 6، يوضح النشاط الكهربي المستقر من 64 قناة في القشرة الرجعية لفأر ذكر بالغ يتصرف بحرية. إذا كان المقصود إعداد حاد، يمكن أن تبدأ التسجيلات بعد فترة وجيزة من زرع (~ 30 دقيقة). وهذا سوف يتيح الوقت للقطب ليستقر في الدماغ. ويقدم الشكل 7 مثالا تمثيليا لتسجيل CFEA حاد من 16 قناة تم الحصول عليه من القشرة البصرية الأولية لنمس أنثى بالغة. تم إجراء فرز سبايك في الماوس والنمس مع برامج فرز المسامير (انظر جدول المواد).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig01.jpg"> الشكل 1: تشريح 16- و 32 قناة من الألياف الكربونية microelectrode صفائف (CFEAs). (أ) التخطيطات من 32 قناة (أعلى) و 16 قناة (أسفل) CFEA من ثلاث وجهات نظر مختلفة. تتميز CFEA ذات ال 16 قناة بتصميم ممتد لأغراض المناولة. يتميز التصميم ذو ال 32 قناة بوجه مسطح يسمح بدمج هزتين ل CFEA من 64 قناة. كل من المخططات لها هياكل تعريف المسمى مع الأبعاد. يشير طرف الموصل إلى موقع الإدراج الموصل، وقنوات GND/REF تشير إلى مكان إدخال سلك التأريض. يشير حوض القمع إلى الموقع الذي تمر منه الألياف ليتم تراكبها مع أسمنت الأسنان المعالج بالأشعة فوق البنفسجية ، ويدل طرف القمع على الموقع من حيث تخرج الألياف من الرقصة. وينقسم طرف القمع إلى أرباع لتقليل الألياف التشبث معا وخلق الضرر. يتم سحب الألياف في وقت لاحق في حزمة واحدة مع استخدام أسمنت الأسنان. Jigs هي 3D المطبوعة باستخدام الطابعات الراتنج جيش تحرير السودان. يتم تكبير المخططات لإظهار التفاصيل. (ب) شيدت CFEA. يحتوي الرسم التخطيطي على هياكل تعريفية تم تسميتها. يمثل طرف الحزمة الزرقاء الجزء من ألياف الكربون التي تكتسب قياسات التسجيل. الرمادي داخل حوض القمع والمحيطة الموصل يدل على الأشعة فوق البنفسجية ضوء الشفاء الأسمنت الأسنان التي تحمل ألياف الكربون في مكان في حوض القمع ويضمن موصل إلى الرقصة. يمثل السلك الأرجواني سلك التأريض. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig01large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig02.jpg"> الشكل 2:تحميل ألياف الكربون الخام في أشرطة طلاء باريلين C. (A) يتم تحميل ألياف الكربون على خراطيش مضافة مع شريطين من الشريط على الوجهين (الأزرق). يتم تحميل كل كاسيت مع ~ 25 الألياف. (ب) يتم تحميل كاسيت في حامل الليزر قطع (رمادي) استعدادا لطلاء باريلين C. كل منها يحمل عشرة أشرطة كاسيت. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig02large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig03.jpg"> الشكل 3:صفيف الألياف الكربونية microelectrode (CFEA) حزمة البناء التخطيطي. (A) 16 الفردية، ألياف الكربون المغلفة (أسود) هي مترابطة من خلال الرقصة المطبوعة 3D 32 قناة (رمادي). (ب) يتم قطع نصائح ألياف الكربون مع مقص صغير، وترك الألياف الزائدة مساوية لارتفاع قاعدة الرقصة، وتمتد من قاعدة الرقصة. (ج)يتم تمرير أخف وزنا عجلة شرارة البلاستيك القياسية بسرعة على الألياف الزائدة لإزالة العزل C parylene. يظهر التخطيطي العلوي الأيمن إزالة الباريلين من 9 من الألياف ال 12. (د) يتم إعادة إدراج الألياف في الرقصة حتى نهاية الألياف هو دافق مع قاعدة. يظهر التخطيطي العلوي الأيمن إعادة إدخال 9 ألياف مع نصائح ألياف غير مخبولة (رمادية) داخل قاعدة الرقصة. ثم يتم قلب الرقصة وتتكرر الخطوات A-D لخيط القنوات ال 16 المقابلة. (ه) يتم تعبئة الرقصة مع أسمنت الأسنان لتأمين الألياف. يتم حقن الفضة المطبوعة في كل بئر من قاعدة الرقصة. (F) يتم إدخال موصل الذكور في قاعدة الرقصة. (G)CFEA والمشرط المجمدة في -20 درجة مئوية الفريزر. يتم قطع طرف الصفيف إلى الطول المطلوب ، تاركا 32 ليفا حتى. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig03large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig04.jpg"> الشكل 4: تلميح العلاج والكهرباء. (أ) يتم وضع نصائح القطب لأول مرة في برنامج تلفزيوني 0.1 M, حيث يتم تمرير التيار من خلال كل قطب كهربائي. ثم يتم شطف النصائح ونقلها إلى محلول طلاء الذهب ، حيث يتم طلاءها بالتيار. (ب) تظهر صور SEM من ألياف الكربون المعدة محلول طلاء الذهب المركزة في الطرف. يمثل شريط المقياس 4 ميكرومتر (C) قيم المعاوقة من 168 قناة بعد القطع الأولي (أرجواني؛ 3.11 MΩ ± 0.42 MΩ، متوسط ± SE، n = 168 ليف)، حقن تيار إيجابي (وردي؛ 1.23 MΩ ± 0.36 MΩ، متوسط ± SE، n = 168 ليف)، واللدائن الكهربائية (البرتقالي؛ 0.19 MΩ ± 0.15 MΩ، متوسط ± SE، n = 168 ليف) تظهر انخفاض قيم المعاوقة بعد كل خطوة معالجة. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig04large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig05.jpg"> الشكل 5:متوسط الذهب الصعق الكهربائي المدد تنتج صغيرة، وودائع مقربة على نصائح حزمة ألياف الكربون. نصائح ألياف الكربون في الصورة كلها من صفائف microelectrode مختلفة، مما يعكس فترات مختلفة من التيار حقن للحد من المعاوقة أو طلاء الذهب. صور تصور بالإضافة إلى ذلك طلاء باريلين C، الذي يعزل ألياف الكربون ويمنع أي الحصول على إشارة من موقع آخر غير نصائح من الألياف. (أ) مسح صورة المجهر الإلكتروني من نصائح ألياف الكربون بعد تجميد وجعل قطع واحد مع شفرة حلاقة. تمثل أشرطة المقياس 10 ميكرومتر (B) نفس A ولكن يتبعها بعد ذلك مع حقن التيار الإيجابي لمدة 10 s. (C) نفس B ولكن بعد ذلك مطلية بالذهب لمدة 5 s. (D)نفس B ولكن بعد ذلك مطلية بالذهب لمدة 15 ثانية (E)نفس B ولكن بعد ذلك مطلية بالذهب لمدة 30 ثانية (F) نفس B ولكن بعد ذلك مطلية بالذهب لمدة 120 ثانية. وجدنا أن اللدائن الكهربائية لمدة 30 ثانية في تيار -0.05 ميكرونا كان الأمثل للتسجيلات الكهربية. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig05large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig06.jpg"> الشكل 6: التسجيلات المزمنة خارج الخلية في التصرف بحرية القشرة الرجعية الماوس مع صفائف ألياف الكربون microelectrode تظهر المستمرة, النشاط العصبي مستقرة. (A) تم تسجيل أحد عشر آثار الجهد بانديباس في وقت واحد. يتم رسم الآثار اللاحقة المسجلة من القناة الأولى (الصف العلوي) في B لإظهار المتانة عبر الزمن. الصفوف العشرة المتبقية إظهار تناسق جودة التسجيل وإظهار نشاط قوي عبر الصفيف. يمثل شريط المقياس إلى يسار كل تتبع إمكانية 200 ميكروفولت. (ب) بيانات من نفس الألياف كما هو الحال في أعلى أثر في A، وسعت لإظهار نشاط قوي عبر تسجيل مستمر لمدة 120 يوما. (ج)يكشف التجميع عن اكتشاف قوي لوحدة واحدة على مدى أشهر. تمثل الآثار متوسط الشكل الموجي لوحدة تمثيلية واحدة يمكن ملاحظتها باستمرار عبر 120 يوما ، يتم استخراجها من الألياف المرسومة في B في كل نقطة زمنية. (D) متوسط، غير تطبيع ارتفاع الطول الموجي من C مكدسة لإظهار الاتساق مع مرور الوقت. (ه)تسجيلات ألياف الكربون تثبت أرضية ضوضاء مستقرة على مدى عدة أشهر. الانحراف المعياري للضوضاء الكلمة (تتبع ناقص النشاط spiking) في باء يظهر أي تغيير تدريجي في الضوضاء. تمثل القضبان التلوث المتوسط. تمثل أشرطة الخطأ الانحراف المعياري. (F) رسم مقياس الماوس مع CFEA مزروع بشكل مزمن و headstage. (G) تتبع الجهد الخام (أعلى) 11 أشهر بعد زرع يظهر LFP قوية. يظهر تتبع الجهد الممر (السفلي) نشاطا عصبيا ثابتا. (H) متوسط الطول الموجي للخلايا العصبية المسجلة على الألياف من C، تحتها أول 1000 حالات نشاط التصاعد. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig06large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig07.jpg"> الشكل 7: ألياف الكربون microelectrode صفيف (CFEA) تسجيلات من القشرة البصرية الأولية النمس. (أ) أشكال الموجات من ارتفاع فرز وحدات واحدة مسجلة من CFEA 16 قناة. كانت إمكانات العمل من الخلايا العصبية الفردية واضحة في كثير من الأحيان على قنوات متعددة باتساعات مختلفة قليلا. (ب) اتجاه ضبط منحنيات من الخلايا العصبية المختارة. تتوافق الألوان مع الوحدات المسجلة في A. تشير الأسهم إلى اتجاه حركة التحفيز. تشير أشرطة المقياس إلى معدل الاستجابة. تشير أشرطة الخطأ إلى متوسط الاستجابة مع الخطأ القياسي. يمثل الخط الأفقي المتقطع معدل إطلاق الخلية التلقائي أثناء التعرض لشاشة فارغة. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig07large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Construction and Implementation of Carbon Fiber Microelectrode Arrays for Chronic and Acute In Vivo Recordings at JoVE.com

Construction and Implementation of Carbon Fiber Microelectrode Arrays for Chronic and Acute In Vivo Recordings

يصف هذا البروتوكول إجراء لبناء صفائف ألياف الكربون microelectrode للتسجيلات المزمنة والحادة في الفيزيولوجيا الكهربية في الجسم الحي في الماوس(Mus musculus)والنمس(موستيلا putorius furo) من مناطق الدماغ متعددة. كل خطوة، بعد شراء ألياف الكربون الخام لزرع صفيف microelectrode، ويرد وصف بالتفصيل، مع التركيز على بناء صفيف microelectrode.

بناء وتنفيذ صفائف الألياف الكربونية Microelectrode للتسجيلات المزمنة والحادة في فيفو

Multichannel electrode arrays offer insight into the working brain and serve to elucidate neural processes at the single-cell and circuit levels. ...

بناء مقاعد البدلاء أعلى وصفها هنا هي واحدة من عدد قليل من التكنولوجيات المتاحة حاليا القطب التي تسمح التسجيلات من مجموعات كثيفة من الخلايا العصبية ومتابعة العديد من تلك الخلايا العصبية مع مرور الوقت. ألياف الكربون microelectrode صفائف غير مكلفة لبناء. إنها صغيرة، متوافقة بيولوجيا، وتتحرك مع الدماغ، مما يسمح بتسجيلات صحية ومستقرة.ألياف الكربون رقيقة للغاية وفي البداية ، من الصعب جدا رؤيتها. ومع ذلك ، بعد بضعة أيام من العمل معهم ، يصبح من الأسهل التلاعب بهم. لتبدأ، وضع قطعة من الشريط على الوجهين على الجانبين طويلة من كاسيت، محاذاة حافة الشريط مع الحافة الداخلية للكسيت.لإعداد أداة التلاعب بألياف الكربون، قم بلف قطعة صغيرة من الأفلام اللاصقة حول إبرة قياس 30 لتشكيل نقطة حادة ولكنها مرنة مع الفيلم. بعد ذلك، فصل الألياف الفردية من حزمة المخبوزات ووضعها بالتوازي مع الجانب القصير من كاسيت الحفاظ على مسافة 2-3 ملليمتر. بعد ضمان تركيب 20 إلى 30 ألياف على كل كاسيت، ختم الألياف في مكان عن طريق وضع شريط واضح على الشريط عصا مزدوجة، ووضع أشرطة مملوءة في حامل كاسيت.لتجميع مصفوفة microelectrode ألياف الكربون، بدء تغذية كل سلك التأريض من خلال القناة المناسبة على نهاية موصل من الرقصة وتستمر حتى طرفي متساوية في الطول. ثم لفها معا لتأمينها على الرقصة. تطبيق الأشعة فوق البنفسجية الشفاء الاسمنت الأسنان لتأمين السلك مع ضمان عدم الحصول على أي أسمنت الأسنان داخل قناة مفتوحة من حيث يتم تغذية السلك من خلال.استخدام عصا علاج الأشعة فوق البنفسجية لعلاج الاسمنت الأسنان لمدة 20 ثانية ومحاذاة الرقصة ونذير مثل أن نهاية الموصل، والحوض، وطرف القمع مرئية. بعد ذلك ، وجه الرقصة بحيث يشير القمع بعيدا عن المستخدم وينتهي الموصل في مواجهة المستخدم. ثم الشريحة تلميح إبرة قياس 25 ضد كاسيت في موقع إزالة الألياف المحتملة وقطع ألياف الكربون واحد من كاسيت.عقد قطع حديثا نهاية خالية من الألياف باستخدام أداة ألياف الكربون واستخدام الإبرة، وقطع الطرف الآخر من الألياف بعيدا عن كاسيت. ثم مرة أخرى استخدام أداة ألياف الكربون لالتقاط ألياف الكربون بحيث نهاية واحدة حوالي سنتيمتر واحد في الطول من الأداة. استخدم أداة ألياف الكربون المرفقة بالألياف لإطعام الطرف الأقصر من الألياف من خلال قطعة القمع من الحوض الأوسط للجيج.الاستمرار في تغذية الألياف من خلال قمع الرقصة حتى معظم طول الألياف من خلال. تغذية الجزء الخلفي من الألياف من خلال قناة متاحة باستخدام أداة ألياف الكربون. الاستمرار في تغذية من خلال الظهر حتى حوالي خمسة ملليمترات من الألياف هو التمسك بها أو قطع لحجم إذا لزم الأمر.لإزالة العزل في نهاية الموصل، استخدم أخف وزنا عجلة شرارة القياسية لتمرير اللهب على الألياف المكشوفة، ثم تغذية الألياف الملتهبة من خلال الرقصة بحيث جزء الألياف الملتهبة الآن داخل القناة مع ضمان عدم وجود ألياف تخرج من الجزء الخلفي من الرقصة. تطبيق الأشعة فوق البنفسجية الشفاء أسمنت الأسنان إلى ألياف حوض الرقصة لملء الحوض بأكمله، وتغطي فتحات كل من القنوات والقمع. بعد إزالة الرقصة من الرذيلة وتوجيه الرقصة بحيث يشير القمع لأسفل ، قم بتأمين الرقصة مع نهاية الموصل التي تشير إلى الأعلى.ملء الإبرة مع طباعة الفضة وإدراج الإبرة بعناية في قناة واحدة حتى توقفت عن طريق الاسمنت الأسنان. لملء القناة بالطلاء، قم بالاكتئاب ببطء الحقنة أثناء إزالة الإبرة من القناة، ثم تراجع قضيب طرف القطن في الطلاء أرق وتنظيف قاعدة سطح الرقصة من أي الطلاء. الآن إدراج موصل مرحلة الرأس في الاتجاه الصحيح عن طريق محاذاة دبابيس مع القنوات.مرة واحدة موصل مرحلة الرأس يجلس على التوالي، تستقيم، ومسح إلى الرقصة ممكن، وتأمين موصل مرحلة الرأس إلى الرقصة عن طريق تطبيق أسمنت الأسنان على طول الحافة حيث موصل مرحلة الرأس يلتقي الرقصة، ثم علاج الأشعة فوق البنفسجية لمدة 20 ثانية. من أجل قطع طرف القطب إلى الطول المطلوب، خفض القطب إلى كوب من الماء المقطر أو deionized حتى يتم غمر طرف القمع بالكامل وعقد طبيعية على السطح. الآن جلب ألياف الكربون الفردية معا عن طريق إزالة القطب من الماء.وضع القطب بحيث الألياف وضع دافق على سطح الدليل وقطع الألياف إلى الطول المطلوب مع مشرط في حركة المتداول، ثم إرفاق القطب إلى اختبار المعاوقة متعددة الإلكترويد باستخدام محول المناسبة واختبار المعاوقة. الآن خفض طرف القطب حوالي ملليمترين في أنبوب الطرد المركزي الدقيق من 0.1 برنامج تلفزيوني الضرس، وإدراج سلك التأريض في أنبوب الطرد المركزي الدقيق. للحد من مقاومة طرف القطب، حقن تيار إيجابي مع السعة والمدة المختارة، ومن ثم شطف الألياف في الماء المقطر أو deionized لتنظيف.بعد ذلك ، لإجراء الطلاء الكهربائي في محلول الطلاء الذهبي ، قم بخفض طرف حزمة القطب الكهربائي حوالي ملليمترين في أنبوب الطرد الدقيق في خليط الطلاء وأدخل سلك التأريض في أنبوب الطرد المركزي الدقيق. ثم تعيين المعلمات المناسبة للكهربائية. شطف الألياف جيدا مع الماء deionized أو المقطر بعد الكهربائي.وأظهرت صورة SEM التمثيلية لألياف الكربون المعدة محلولا طلاء ذهبيا يتركز عند الطرف. أدى الألياف الكهربائي في الذهب في انخفاض المعاوقات مناسبة للتسجيل. وأظهرت قيم المعاوقة من 300 قناة بعد القطع الأولي، والحقن الحالي الإيجابي، والصعق الكهربائي انخفاض قيم المعاوقة بعد كل خطوة معالجة.أنتجت مدة الطلاء الكهربائي الذهب المعتدلة الودائع الصغيرة والمدورة على نصائح حزمة ألياف الكربون. بالإضافة إلى ذلك ، تم تحليل النشاط الكهربي المستقر من 64 قناة في القشرة الرجعية لفأر ذكر بالغ يتصرف بحرية. أظهرت النتائج اتساق جودة التسجيل ، واكتشاف وحدة واحدة قوية ، والاتساق مع مرور الوقت كما يتضح من الأشكال الموجية للارتفاع غير العادي ، وأرضية الضوضاء المستقرة.أيضا، أظهرت الجهد الخام تتبع 11 شهرا بعد زرع إمكانات حقل محلي قوي. كما يظهر هنا مثال تمثيلي على تسجيل صفيف دقيق حاد من ألياف الكربون من 16 قناة تم الحصول عليه من القشرة البصرية الأولية لنمس أنثى بالغة. تسمح صفائف الألياف الكربونية microelectrode بالتسجيل القصير الأجل أو المزمن للخلايا العصبية القريبة في الدماغ على مدى فترات طويلة من الزمن ، وهو أمر ضروري لفهم الدوائر العصبية.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Construction and Implementation of Carbon Fiber Microelectrode Arrays for Chronic and Acute In Vivo Recordings

High-density EEG Recordings of the Freely Moving Mice using Polyimide-based Microelectrode

عالية الكثافة تسجيلات EEG من الفئران تتحرك بحرية باستخدام بوليميد المستندة Microelectrode

Electroencephalogram (EEG) indicates the averaged electrical activity of the neuronal populations on a large-scale level. It is widely utilized as a ...

Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI

تصوير الأعصاب وظيفية عن طريق الموجات فوق الصوتية تعطيل حاجز الدم في الدماغ والتصوير بالرنين المغناطيسي المنغنيز معززة لل

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains ...

Design and Assembly of an Ultra-light Motorized Microdrive for Chronic Neural Recordings in Small Animals

تصميم و تركيب وميكرودريفي الترا ضوء الميكانيكية للتسجيلات العصبية المزمنة في الحيوانات الصغيرة

The ability to chronically record from populations of neurons in freely behaving animals has proven an invaluable tool for dissecting the function of ...

Dual Electrophysiological Recordings of Synaptically-evoked Astroglial and Neuronal Responses in Acute Hippocampal Slices

تسجيلات الكهربية المزدوجة للSynaptically-استجابات Astroglial والخلايا العصبية في الحصين شرائح الحاد

Astrocytes form together with neurons tripartite synapses, where they integrate and modulate neuronal activity. Indeed, astrocytes sense neuronal inputs ...

Fiber-optic Implantation for Chronic Optogenetic Stimulation of Brain Tissue

الألياف الضوئية للزراعة تحفيز Optogenetic المزمن من أنسجة المخ

Elucidating patterns of neuronal connectivity has been a challenge for both clinical and basic neuroscience. Electrophysiology has been the gold standard ...

Acute In Vivo Electrophysiological Recordings of Local Field Potentials and Multi-unit Activity from the Hyperdirect Pathway in Anesthetized Rats

Acute In Vivo Electrophysiological Recordings of Local Field Potentials and Multi-unit Activity from the Hyperdirect Pathway in Anesthetized Rats

حاد<em&gt; في فيفو</em&gt; تسجيلات الكهربية للميكانيات الميدانية المحلية والنشاط متعدد الوحدات من مسار هيبيرديركت في الفئران تخدير

Converging evidence shows that many neuropsychiatric diseases should be understood as disorders of large-scale neuronal networks. To better understand the ...

Recording and Modulation of Epileptiform Activity in Rodent Brain Slices Coupled to Microelectrode Arrays

تسجيل وتعديل النشاط صرعية في الدماغ القوارض شرائح بالإضافة إلى صفائف ميكروليكترودي

Temporal lobe epilepsy (TLE) is the most common partial complex epileptic syndrome and the least responsive to medications. Deep brain stimulation (DBS) ...

Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays

الزرع المزمن للصفائف متعددة البوليمرات المرنة

Simultaneous recordings from large populations of individual neurons across distributed brain regions over months to years will enable new avenues of ...

Stereotaxic Surgery for Implantation of Microelectrode Arrays in the Common Marmoset (Callithrix jacchus)

Stereotaxic Surgery for Implantation of Microelectrode Arrays in the Common Marmoset Callithrix jacchus

الجراحة الفراغية لغرس صفائف ميكروالكترود في المارموسيت المشتركة (Callithrix jacchus)

Marmosets (Callithrix jacchus) are small non-human primates that are gaining popularity in biomedical and preclinical research, including the ...

Preparation of Acute Human Hippocampal Slices for Electrophysiological Recordings

إعداد شرائح فرس النهر البشري الحادة للتسجيلات الكهربية

Epilepsy affects about 1% of the world population and leads to a severe decrease in quality of life due to ongoing seizures as well as high risk for ...