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

We willen Greg Guitchounts bedanken voor de begeleiding bij het ontwerpen en bouwen van elektroden en Tim Gardner voor het openstellen van zijn laboratorium en faciliteiten voor ons. We willen Christos Michas bedanken voor zijn hulp bij pds-gebruik in de bio-interface en technologie kernfaciliteit en Neil Ritter, Jon Spyreas en David Landesman voor hun hulp bij het ontwerpen van vroege versies van de 16-kanaals mal. We willen Tim Cavanaugh bedanken voor zijn hulp bij SEM-beeldvorming in het Center for Harvard Nanoscale Systems aan Harvard.

<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>

De auteurs verklaren geen financiële belangenconflicten te hebben.

Dit protocol beschrijft elke stap die nodig is voor het samenstellen van een functionele CFEA voor zowel acuut als chronisch gebruik. Het beschreven proces is aanpasbaar aan de behoeften van de onderzoeker, waardoor het een toegankelijke en goedkope optie is voor het monitoren van afzonderlijke neuronen gedurende maanden. Het protocol toont de haalbaarheid aan van het registreren van zowel robuuste activiteit met één eenheid binnen enkele minuten na implantatie bij een verdoofd dier, als gedurende vier maanden in een wakker, zich gedragend dier, wat het potentieel van deze CFEA's illustreert om veranderingen in neurale reacties op korte en lange termijn te bestuderen.
De stappen van het beschreven protocol zijn in de loop van de tijd grondig getest en verbeterd om een efficiënte procedure op te leveren die snel kan worden voltooid, tegen lage marginale kosten (< $ 100,00), met de mogelijkheid om ondubbelzinnige afzonderlijke eenheden op te nemen, dicht en stabiel gedurende maanden. De bouwstappen kunnen in minder dan één dag worden voltooid en produceren elektrofysiologische signalen die vergelijkbaar zijn met elke toonaangevende commerciële array. De CFEA's hebben ook een veel kleinere voetafdruk (16-kanaals bundel vezels heeft een diameter van ~ 26 μm) dan vergelijkbare commerciële arrays, en hun biocompatibiliteit maakt ze geschikt voor langdurig gebruik13. Belangrijk is dat er verschillende kritieke stappen en instructies zijn die moeten worden gevolgd om een functionerende CFEA met vergelijkbare prestaties te produceren.
Vanwege de kwetsbaarheid van de koolstofvezels moeten ze met de grootste zorg worden behandeld. Het hanteren ervan met een scherpe tang of ander gereedschap kan leiden tot breuk van de vezels. Daarnaast is het belangrijk om de CFEA's te construeren in een ruimte met beperkte luchtbeweging zodat de vezels niet wegwaaien. Bij het vlammen van het achterste deel van de vezels hoeft de aansteker slechts heel kort in een heen-en-weer beweging te worden bewogen, gedurende ongeveer 1 s. De stappen na deze verwijdering van isolatie zijn cruciaal voor het bouwen van een elektrode met werkkanalen. De gevlamde uiteinden moeten zonder extra contact in de mal worden gevoerd. Vervolgens is het bij het vullen van het bassin met tandcement belangrijk dat het cement zorgvuldig wordt aangebracht en de kanalen en het trechterbekken volledig vult, waardoor de openingen worden afgesloten zonder ze te vullen. Het tandcement moet dan volledig worden uitgehard met UV-licht voordat u verder gaat. Zodra dit is voltooid, moet zilververf in elk kanaal worden geïnjecteerd totdat het volledig is gevuld, maar niet uitlekt. Dit is de meest variabele stap in het proces. Elke overvulling kan overspraak tussen kanalen veroorzaken en onvoldoende vulling kan leiden tot een verbindingsfout. Als u geen zilververf kunt injecteren met een naald van 25 G, is het waarschijnlijk dat de oplossing te stroperig is en in dit geval kan een kleine hoeveelheid verfverdunner worden toegevoegd om een meer vloeiende oplossing te creëren. Zodra alle kanalen zijn gevuld en de headstage-connector is geplaatst, is het belangrijk om de array 24 uur te laten uitharden voordat de connector met tandcement wordt vastgezet. We ontdekten dat als we dit niet deden, het aantal aangesloten kanalen daalde. Het aanbrengen van een royale hoeveelheid tandcement is ook belangrijk, zodat de connector niet wordt losgekoppeld bij het koppelen met het signaalacquisitiesysteem. Als ze losraken, is het mogelijk om opnieuw verbinding te maken met het herhaaldelijk vullen van kanalen met zilververf, maar de gebruiker moet de impedantiewaarden van de CFEA testen om het aantal aangesloten kanalen te beoordelen. Het tandheelkundig cement 's nachts laten uitharden dient ook om mogelijke loslating te voorkomen.
Het meten van de impedantie van de elektrode zal een nauwkeurige schatting van aangesloten kanalen opleveren. Dit kan na het onderdompelen van de grond- en referentiedraden en de koolstofvezeltips in PBS. We hebben waargenomen dat een hoge impedantie (>15 MΩ) indicatief is voor een open, niet-verbonden kanaal. Voorafgaand aan het injecteren van stroom en galvaniseren, kan een aangesloten kanaal een reeks impedantiewaarden hebben die met dit proces aanzienlijk zouden moeten afnemen. Het gemiddelde aantal aangesloten kanalen (impedantie < 4 MΩ na stroominjectie) per 16-kanaals elektrode was 12,96 ± 2,74 (gemiddelde ± SD; N = 48 elektroden). Een aantal galvaniseertijden werden getest en 30 s produceerden superieure signaalisolatie tussen de opnamelocaties(figuur 5). Hoewel het goed is vastgesteld dat PEDOT-pTS12,24,25, 26 en PEDOT-TFB21 betrouwbare opties bieden voor het voorbereiden van koolstofvezelregistratielocaties, ontdekten we dat plating met goud, een bewezen en betrouwbare methode voor galvaniserende elektroden voor chronische implantatie27,28 , verhoogde het gemak van implantatie en voorkwam dat de elektrodepunten samenklonterden. Bij het produceren van eindimpedantiewaarden van gemiddeld minder dan 0,2 MΩ blijkt deze methode vergelijkbaar met waarden die zijn bereikt met PEDOT-TFB21 en PEDOT-pTS26.
Bij het implanteren van de micro-elektrode-array is het belangrijk om het inbrengen van de koolstofvezeltips onder de microscoop visueel te volgen. Succesvolle inbrenging moet duidelijk zijn, zonder buiging van de vezels. Als de vezels lijken te knikken, is het onwaarschijnlijk dat ze met succes de hersenen zullen binnendringen. In dit geval moet de hoek van de sonde worden aangepast voor een tweede poging. Dit proces kan doorgaan totdat het inbrengen van de sonde succesvol is. Zodra de elektrode op de gewenste diepte is, hebben we ontdekt dat het wachten van ten minste 30 minuten de sonde in staat stelt om te bezinken voor optimale signaalacquisitie (acute opnames).
De beschreven CFEA's bieden, naast hun kleine voetafdruk en biocompatibiliteit, een robuust, aanpasbaar alternatief voor commerciële arrays vanwege hun bouwgemak en lage kosten. De grootste beperking voor de CFEA's die in dit protocol worden beschreven, is hun schaalbaarheid. Vanwege de handmatige aard van hun constructie is het opschalen naar ontwerpen met honderden opnamelocaties mogelijk niet praktisch. Bovendien zal vooruitgang in de fabricage van micro-elektrode-arrays met behulp van nanotechnologie grootschalige populatieregistraties mogelijk maken dan de hier beschreven methoden. Dit protocol biedt echter CFEA-toegankelijkheid voor laboratoria die geïnteresseerd zijn in benchtopfabricage van koolstofvezelelektroden. We hebben geen verlies van stabiliteit of verminderde robuustheid in piekamplitude waargenomen gedurende de duur van de 120-daagse chronische experimenten, zoals aangegeven door een representatief enkel kanaal dat typerend is voor onze waarnemingen op die tijdschaal (Figuur 6A-E). Bovendien tonen de CFEA's de capaciteit voor aanhoudende activiteit met één eenheid, aangezien vier afzonderlijke eenheden 11 maanden na implantatie bij muizen waarneembaar bleven(figuur 6G,H). Het is ook mogelijk om acute stabiele opnamen met één eenheid te verkrijgen(figuur 7),wat een voordeel biedt ten opzichte van veel andere commerciële elektroden voor de studie van afzonderlijke neuronen gedurende korte tijdsperioden. In de toekomst zal de ontwikkeling van dergelijke flexibele, biocompatibele sondes met minimale diameters de studie van complexe processen mogelijk maken. Deze hulpmiddelen zullen een aanzienlijk nut bieden bij de vooruitgang van neurale technologie, inclusief toepassingen in brain-machine interfaces (BMI's), die continue stabiliteit op lange termijn vereisen29.

Elektroden en elektrode-arrays zijn waardevolle hulpmiddelen om te begrijpen hoe de hersenen informatie verwerken op neuronaal niveau. Hoewel elektrofysiologische opnames al meer dan twee eeuwen haalbaar zijn1, is het nog steeds niet mogelijk om tegelijkertijd de activiteit van hele neurale circuits te meten met de ruimtelijke en temporele resolutie die nodig is om het spikken van individuele neuronen vast te leggen. Hoewel niet-invasieve methoden, zoals elektro-encefalografie2,positronemissietopografie3en functionele magnetische resonantiebeeldvorming4 metingen van de hele hersenen mogelijk maken, kunnen ze niet de ruimtelijke en temporele resolutie bereiken die nodig is voor het oplossen van de activiteit van neurale circuits2,5. Daarentegen kunnen beeldvormingsmethoden zoals optische beeldvorming met behulp van spanningsgevoelige kleurstoffen of genetisch gecodeerde calciumindicatoren een ruimtelijke resolutie van één eenheid bereiken, maar ze stellen problemen zoals een lage temporele resolutie en slechte selectiviteit3,4,5,6. Elektrische opnames zijn een krachtig alternatief voor deze methoden. Opname-elektroden bieden een ongeëvenaarde temporele resolutie en stellen de gebruiker in staat om metingen uit te voeren met spike-time precisie in elk gebied van de hersenen7. Bovendien maken chronisch geïmplanteerde multi-elektrode arrays (MEA's) grootschalige (tientallen tot honderden cellen), eencellige opnames mogelijk in zich gedragende dieren gedurende een periode van dagen tot maanden8,9. Siliciumsondes die bij hogere dichtheden registreren, hebben echter een grote voetafdruk en zijn zeer invasief, en chronisch geïmplanteerde arrays genereren vaak een ontstekingsreactie, weefselinkapseling en neuronale dood10,11,12,13.
De beperkingen van bestaande elektroden hebben geresulteerd in recente innovaties die stabiele opnames met hoge resolutie en lange termijn mogelijk maken. Typische elektroden bestaan uit een metalen geleider, zoals wolfraam of platina-iridium, of zijn op silicium- of polymeerbasis. Hoewel op metaal gebaseerde microdraadarrays langdurige, stabiele opnames kunnen behouden, hebben ze een veel grotere voetafdruk, met een diameter van een enkele draad variërend van 10-200 μm14. Daarentegen leveren op silicium gebaseerde elektrode-arrays opnames op met een hoge ruimtelijke resolutie, maar vanwege hun relatief rigide ontwerp zijn ze meestal niet in staat om het signaal te behouden en gedurende vele maanden van dezelfde neuronen op te nemen15. Recente ontwikkelingen in op silicium gebaseerde arrays hebben geresulteerd in elektroden die betrouwbaar chronische opnames kunnen uitvoeren, maar deze arrays kunnen niet worden gebruikt om op te nemen vanuit diepe hersengebieden bij grotere dieren en zijn bedoeld voor lineaire opnames9. Vooruitgang in polymeerarrays heeft geresulteerd in verhoogde flexibiliteit en opnamestabiliteit van afzonderlijke eenheden en biedt het potentieel voor opnames met hoge dichtheid in de nabijetoekomst,maar met beperkte beschikbaarheid op dit moment8,16,17. Koolstofvezels maken opnames met een hoge dichtheid mogelijk met kant-en-klare materialen die hier worden beschreven.
Koolstofvezelregistratie micro-elektroden worden al tientallen jaren gebruikt, waarbij de eerste koolstofvezelelektroden bestaan uit een enkele koolstofvezel die in een glazen micropipette is ingebracht. Deze micro-elektroden werden gebruikt voor extracellulaire opnames met één eenheid, en hoewel de signaal-ruisverhouding vergelijkbaar was met de beste wolfraam-in-glas micro-elektroden, waren ze voordelig vanwege hun flexibiliteit, lagere impedantiewaarden en eenvoud om18,19te vervaardigen . Inspanningen om koolstofvezelelektrode-arrays te ontwikkelen zijn onlangs versneld vanwege de biosensing-mogelijkheden van koolstofvezels. Naast hun verhoogde biocompatibiliteit en uitzonderlijke elektrische geleidbaarheid, beschikken ze over een unieke reeks eigenschappen, waaronder weerstand tegen hoge temperaturen, lage relatieve dichtheid, hoge treksterkte, lage buigstijfheid, hoge detectiegevoeligheid en een klein dwarsdoorsnedegebied10,12. Al deze eigenschappen hebben de ontwikkeling van koolstofvezel micro-elektrode arrays (CFEA's) gemotiveerd die chronische, stabiele, hoogrenderende opnames van afzonderlijke neuronen vergemakkelijken. Dergelijke CFEA's kunnen nu met de hand worden vervaardigd20,21 ( Figuur1), wat micro-elektrode-arrays oplevert die gedurende maanden afzonderlijke neuronen kunnen vasthouden. Hier beschreven is een toegankelijk bouwproces voor CFEA's dat op twee manieren is aangepast voor acute en chronische opnames van individuele neuronen in twee soorten.

<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

Meerkanaals elektrode-arrays bieden inzicht in de werkende hersenen en dienen om neurale processen op het niveau van eencellige en circuit op te helderen. De ontwikkeling van deze hulpmiddelen is cruciaal voor het begrijpen van complex gedrag en cognitie en voor het bevorderen van klinische toepassingen. Het blijft echter een uitdaging om celpopulaties stabiel en continu gedurende lange tijdsperioden dicht te registreren. Veel populaire elektroden, zoals tetroden en siliciumarrays, hebben grote kruisdiameters die schade veroorzaken bij het inbrengen en chronische reactieve weefselreacties uitlokken die verband houden met neuronale dood, waardoor de registratie van stabiele, continue neurale activiteit wordt belemmerd. Bovendien vertonen de meeste draadbundels een grote afstand tussen kanalen, waardoor gelijktijdige opname van een groot aantal cellen in een klein gebied wordt uitgesloten. De koolstofvezel micro-elektrode arrays beschreven in dit protocol bieden een toegankelijke oplossing voor deze zorgen. De studie biedt een gedetailleerde methode voor het fabriceren van koolstofvezel micro-elektrode arrays die kunnen worden gebruikt voor zowel acute als chronische opnames in vivo. De fysische eigenschappen van deze elektroden maken ze ideaal voor stabiele en continue langdurige opnames bij hoge celdichtheden, waardoor de onderzoeker robuuste, ondubbelzinnige opnames kan maken van afzonderlijke eenheden gedurende maanden.

Met de voltooiing van dit protocol zullen stabiele opnames van spiking-activiteit met één eenheid mogelijk zijn. Deze micro-elektrode-arrays kunnen worden aangepast in materiaal, kanaaltelling en headstage-adapter op basis van de behoeften van de onderzoeker. Galvaniserende vezels in goud resulteren in verminderde impedanties die geschikt zijn voor opname(figuur 4 en figuur 5). Als de gebruiker van plan is om chronisch te registreren, kunnen metingen worden uitgevoerd nadat het dier is hersteld van de chirurgische ingreep. Chronische procedures hebben geresulteerd in stabiele opnames met één eenheid gedurende ten minste 120 dagen. Een representatieve opname wordt getoond in figuur 6, ter illustratie van stabiele 64-kanaals elektrofysiologische activiteit in de retrospleniale cortex van een vrij gedragende, volwassen mannelijke muis. Als een acuut preparaat is bedoeld, kunnen de opnames kort na de implantatie beginnen (~ 30 min). Dit geeft de elektrode de tijd om zich in de hersenen te vestigen. Figuur 7 geeft een representatief voorbeeld van een acute 16-kanaals CFEA-opname verkregen uit de primaire visuele cortex van een volwassen vrouwelijke fret. Spike sorteren in muis en fret werd uitgevoerd met spike sorteersoftware (zie Tabel van materialen).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig01.jpg"> Figuur 1: Anatomie van 16- en 32-kanaals koolstofvezel micro-elektrode arrays (CFEA's). (A) Schema's van 32-kanaals (boven) en 16-kanaals (onder) CFEA vanuit drie verschillende weergaven. De 16-kanaals CFEA heeft een uitgebreid ontwerp voor handlingdoeleinden. Het 32-kanaals ontwerp heeft een vlakke vlakken waarmee twee mallen kunnen worden gecombineerd voor een 64-kanaals CFEA. Beide diagrammen hebben identificerende structuren gelabeld met afmetingen. Het uiteinde van de connector geeft de locatie aan van de connectorinbrenging en GND/REF-kanalen geven aan waar de aardingsdraad is geplaatst. Het trechterbassin verwijst naar de locatie waar de vezels doorheen gaan om te worden bedekt met UV-lichtgehard tandheelkundig cement, en de trechterpunt duidt op de plaats van waaruit de vezels de mal verlaten. De trechterpunt is verdeeld in kwadranten om te minimaliseren dat vezels zich aan elkaar vastklampen en schade veroorzaken. De vezels worden later in een enkele bundel getrokken met behulp van het tandcement. Mallen worden 3D-geprint met SLA-harsprinters. Diagrammen worden vergroot om details weer te geven. (B) Geconstrueerde CFEA. Diagram heeft identificerende structuren gelabeld. De blauwe bundelpunt vertegenwoordigt het segment van de koolstofvezels die registratiemetingen verkrijgen. Het grijs in het trechterbassin en rondom de connector is indicatief voor UV-lichtgehard tandcement dat koolstofvezels op zijn plaats houdt in het trechterbassin en de connector aan de mal vastzet. De paarse draad staat voor de aardingsdraad. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig01large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig02.jpg"> Figuur 2: Laden van ruwe koolstofvezels in cassettes voor paryleen C-coating. (A) Koolstofvezels worden geladen op cartridges bedekt met twee stroken dubbelzijdige tape (blauw). Elke cassette is geladen met ~ 25 vezels. (B) Cassettes worden in een lasergesneden houder (grijs) geladen ter voorbereiding op paryleen C-coating. Elk bevat tien cassettes. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig02large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig03.jpg"> Figuur 3: Koolstofvezel micro-elektrode array (CFEA) bundel constructie schematisch. (A) 16 individuele, gecoate koolstofvezels (zwart) worden geregen door de 32-kanaals 3D-geprinte mal (grijs). (B)Koolstofvezelpunten worden gesneden met een microschaar, waardoor overtollige vezels gelijk blijven aan de hoogte van de malbasis, die zich uitstrekt uit de malbasis. (C)Een standaard plastic vonkwielaansteker wordt snel over de overtollige vezel geleid om paryleen C-isolatie te verwijderen. Het schema rechtsboven toont de verwijdering van paryleen uit 9 van de 12 vezels. (D) Vezels worden opnieuw in de mal geplaatst totdat het vezeluiteinde gelijk is met de basis. Het schema rechtsboven toont de herinjectie van 9 vezels met ongeïsoleerde (grijze) vezelpunten in de malbasis. De mal wordt vervolgens omgedraaid en stappen A-D worden herhaald om de tegenoverliggende 16 kanalen te rijgen. (E) De mal is gevuld met tandcement om de vezels vast te zetten. Zilverdruk wordt geïnjecteerd in elke put van de malbasis. (F) De mannelijke connector wordt in de malbasis gestoken. (G) CFEA en scalpel worden ingevroren in een vriezer van -20 °C. De arraytip wordt op de gewenste lengte gesneden, waardoor 32 gelijkmatige vezels overblijven. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig03large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig04.jpg"> Figuur 4: Tipbehandeling en galvaniseren. (A) Elektrodepunten worden eerst in 0,1 M PBS geplaatst, waar stroom door elke elektrode wordt geleid. De uiteinden worden vervolgens gespoeld en overgebracht naar een vergulde oplossing, waar ze worden gegalvaniseerd met de stroom. (B)SEM-afbeeldingen van geprepareerde koolstofvezel tonen een vergulde oplossing geconcentreerd aan de punt. Schaalbalk vertegenwoordigt 4 μm. (C) Impedantiewaarden van 168 kanalen na initieel snijden (paars; 3,11 MΩ ± 0,42 MΩ, mediaan ± SE, n = 168 vezels), positieve stroominjectie (roze; 1,23 MΩ ± 0,36 MΩ, mediaan ± SE, n = 168 vezels) en galvaniseren (oranje; 0,19 MΩ ± 0,15 MΩ, mediaan ± SE, n = 168 vezels) vertonen verminderde impedantiewaarden na elke verwerkingsstap. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig04large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig05.jpg"> Figuur 5: Matige goud galvaniseerduur produceert kleine, afgeronde afzettingen op koolstofvezelbundeltips. De afgebeelde koolstofvezeltips zijn allemaal afkomstig van verschillende micro-elektrode-arrays, die verschillende duur van geïnjecteerde stroom weerspiegelen voor impedantiereductie of vergulding. Afbeeldingen tonen bovendien de paryleen C-coating, die de koolstofvezels isoleert en elke verwerving van signaal van een andere locatie dan de uiteinden van de vezels voorkomt. (A)Scanning elektronenmicroscopie beeld van koolstofvezel tips na bevriezing en het maken van een enkele snede met een scheermesje. Schaalstaven vertegenwoordigen 10 μm. (B) Hetzelfde als A maar dan gevolgd door injectie van positieve stroom gedurende 10 s. (C) Hetzelfde als B maar dan gegalvaniseerd met goud voor 5 s. (D) Hetzelfde als B maar dan gegalvaniseerd met goud voor 15 s. (E) Hetzelfde als B maar dan gegalvaniseerd met goud voor 30 s. (F) Hetzelfde als B maar dan gegalvaniseerd met goud voor 120 s. We ontdekten dat galvaniseren gedurende 30 s bij een stroom van -0,05 μA optimaal was voor elektrofysiologische opnames. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig05large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig06.jpg"> Figuur 6: Chronische extracellulaire opnames in vrij gedragende retrosplenial cortex van muizen met koolstofvezel micro-elektrode arrays tonen aanhoudende, stabiele neurale activiteit. (A) Elf bandpassed spanningssporen werden tegelijkertijd geregistreerd. Volgende sporen die zijn vastgelegd vanaf het eerste kanaal (bovenste rij) worden in B uitgezet om de duurzaamheid in de loop van de tijd aan te tonen. De overige tien rijen tonen de consistentie van de opnamekwaliteit en tonen robuuste activiteit in de array. De schaalbalk links van elk spoor vertegenwoordigt een potentiaal van 200 μV. (B) Bandpassed gegevens van dezelfde vezel als in het bovenste spoor in A, uitgebreid om robuuste activiteit te tonen over een 120-daagse continue opname. (C) Clustering onthult robuuste detectie van één eenheid gedurende maanden. Sporen vertegenwoordigen de gemiddelde golfvorm van een continu waarneembare representatieve eenheid gedurende 120 dagen, geëxtraheerd uit de vezel die op elk tijdstip in B is uitgezet. (D) Gemiddelde, niet-genormaliseerde piekgolfvormen van C gestapeld om consistentie in de loop van de tijd aan te tonen. (E) Koolstofvezel opnames tonen een stabiele ruisvloer gedurende vele maanden. De standaardafwijking van de geluidsvloer (spoor minus spikingactiviteit) in B vertoont geen progressieve verandering in geluid. Staven vertegenwoordigen gemiddelde verontreiniging. Foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie. (F) Schaaltekening van een muis met een chronisch geïmplanteerde CFEA en headstage. (G) Ruw spanningsspoor (boven) 11 maanden na implantatie toont robuuste LFP. Bandpassed spanningsspoor (onder) vertoont gestage neurale activiteit. (H) Gemiddelde piekgolfvorm van het neuron geregistreerd op de vezel van C, bedekt door de eerste 1.000 incidenties van spiking activiteit. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig06large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig07.jpg"> Figuur 7: Koolstofvezel micro-elektrode array (CFEA) opnames van de fret primaire visuele cortex. (A) Golfvormen van spike gesorteerde enkele eenheden opgenomen van een 16-kanaals CFEA. Actiepotentialen van afzonderlijke neuronen waren vaak zichtbaar op meerdere kanalen bij enigszins verschillende amplitudes. (B) Richtingafstemmingscurven van geselecteerde neuronen. Kleuren komen overeen met opgenomen eenheden in A. Pijlen geven de richting van de stimulusbeweging aan. Schaalbalken geven het responspercentage aan. Foutbalken geven de gemiddelde reactie met standaardfout aan. De horizontale stippellijn vertegenwoordigt de spontane vuursnelheid van dezelfde cel tijdens blootstelling aan een leeg scherm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig07large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</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

Dit protocol beschrijft een procedure voor het construeren van koolstofvezel micro-elektrolectrode arrays voor chronische en acute in vivo elektrofysiologische opnames bij muizen(Mus musculus)en fretten(Mustela putorius furo) uit meerdere hersengebieden. Elke stap, na de aankoop van ruwe koolstofvezels voor micro-elektrode array implantatie, wordt in detail beschreven, met de nadruk op micro-elektrode array constructie.

Constructie en implementatie van koolstofvezel micro-elektrode arrays voor chronische en acute in vivo opnames

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

De hier beschreven bench top-constructie is een van de weinige momenteel beschikbare elektrodetechnologieën die opnames van dichte clusters van neuronen mogelijk maken en veel van die neuronen in de loop van de tijd volgen. Koolstofvezel micro-elektrode arrays zijn goedkoop om te bouwen. Ze zijn klein, biocompatibel en bewegen met de hersenen mee, wat gezonde en stabiele opnames mogelijk maakt.Koolstofvezels zijn extreem dun en in eerste instantie zijn ze erg moeilijk te zien. Na een paar dagen met hen te hebben gewerkt, worden ze echter gemakkelijker te manipuleren. Leg om te beginnen een stuk dubbelzijdige tape op twee lange zijden van de cassette, waarbij u de rand van de tape uitlijnt met de binnenrand van de cassette.Om een koolstofvezelmanipulatietool te bereiden, wikkelt u een klein stukje zelfklevende film rond een naald van 30 gauge om een scherp maar flexibel punt met de film te vormen. Scheid vervolgens individuele vezels van de gebakken bundel en leg ze parallel aan de korte kant van de cassette en houd een afstand van twee tot drie millimeter. Nadat u ervoor hebt gezorgd dat er 20 tot 30 vezels op elke cassette zijn aangebracht, sluit u de vezels op hun plaats af door doorzichtige tape over de dubbele plakband te leggen en plaatst u de gevulde cassettes in de cassettehouder.Om de koolstofvezel micro-elektrode-array te monteren, begint u elke aardingsdraad door het juiste kanaal aan het connectoruiteinde van de mal te voeren en gaat u door totdat twee uiteinden even lang zijn. Draai ze vervolgens samen om ze op de mal vast te zetten. Breng UV-uitgehard tandheelkundig cement aan om de draad vast te zetten en zorg ervoor dat er geen tandcement in het open kanaal komt van waaruit de draad wordt doorgevoerd.Gebruik de UV-uithardingsstaaf om het tandcement gedurende 20 seconden uit te harden en lijn de mal en bankschroef zo uit dat het uiteinde van de connector, het bassin en de trechterpunt zichtbaar zijn. Oriënteer vervolgens de mal zodat de trechter weg wijst van de gebruiker en de connector naar de gebruiker toe eindigt. Schuif vervolgens de naaldpunt van 25 gauge tegen de cassette op de potentiële vezelverwijderingsplaats en snijd een enkele koolstofvezel uit de cassette.Houd het vers gesneden vrije uiteinde van de vezel vast met behulp van een koolstofvezelgereedschap en snijd met behulp van de naald het andere uiteinde van de vezel weg van de cassette. Gebruik dan opnieuw het koolstofvezelgereedschap om de koolstofvezel op te pakken, zodat het ene uiteinde ongeveer een centimeter lang is van het gereedschap. Gebruik het vezelgelijmde koolstofvezelgereedschap om het kortere uiteinde van de vezel door het trechterstuk van het middelste bassin van de mal te voeren.Blijf de vezel door de maltrechter voeren totdat het grootste deel van de lengte van de vezel door is. Voer het achterste deel van de vezel door een beschikbaar kanaal met behulp van het koolstofvezelgereedschap. Blijf door de rug voeren totdat er ongeveer vijf millimeter vezel uitsteekt of indien nodig op maat gesneden.Om de isolatie aan het uiteinde van de connector te verwijderen, gebruikt u een standaard vonkwielaansteker om de vlam over de blootgestelde vezels te laten gaan en voert u vervolgens de gevlamde vezel door de mal zodat het gevlamde vezelgedeelte zich nu in het kanaal bevindt en zorgt u ervoor dat er geen vezels uit de achterkant van de mal steken. Breng UV-uitgehard tandcement aan op de bassinvezels van de mal om het hele bassin te vullen en de openingen van beide kanalen en trechter te bedekken. Nadat u de mal van de bankschroef hebt verwijderd en de mal zo hebt georiënteerd dat de trechter naar beneden wijst, zet u de mal vast met het uiteinde van de connector naar boven gericht.Vul de naald met zilverprint en steek de naald voorzichtig in één kanaal totdat deze wordt gestopt door het tandcement. Om het kanaal met verf te vullen, drukt u de spuit langzaam in terwijl u de naald uit het kanaal verwijdert, dompelt u vervolgens een wattenstaapplicator in de verfverdunner en reinigt u de basis van het maloppervlak van elke verf. Plaats nu de hoofdtrapconnector in de juiste richting door de pinnen uit te lijnen met de kanalen.Zodra de head stage connector rechtop zit, rechtop staat en zo gespoeld mogelijk is op de mal, bevestigt u de head stage connector aan de mal door tandcement aan te brengen langs de rand waar de head stage connector de mal ontmoet, en vervolgens UV-uitharding gedurende 20 seconden. Om de elektrodepunt op de gewenste lengte te snijden, laat u de elektrode in een bekerglas van gedeïoniseerd of gedestilleerd water zakken totdat de trechterpunt volledig is ondergedompeld en normaal aan het oppervlak is gehouden. Breng nu de afzonderlijke koolstofvezels samen door de elektrode uit het water te verwijderen.Leg de elektrode zo dat de vezels vlak op het geleideoppervlak liggen en snijd de vezels op de gewenste lengte met een scalpel in een rollende beweging, bevestig vervolgens de elektrode aan de multi-elektrode impedantietester met behulp van de juiste adapter en test de impedantie. Laat nu de elektrodepunt ongeveer twee millimeter in een microcentrifugebuis van 0,1 kies PBS zakken en steek aardingsdraad in de microcentrifugebuis. Om de impedantie van de elektrodepunt te verminderen, injecteert u een positieve stroom met de gekozen amplitude en duur en spoelt u de vezels vervolgens in gedeïoniseerd of gedestilleerd water om schoon te maken.Om vervolgens galvaniseren in de vergulde oplossing uit te voeren, laat u de elektrodebundelpunt ongeveer twee millimeter in de microcentrifugebuis in het platingmengsel zakken en steekt u de aardingsdraad in de microcentrifugebuis. Stel vervolgens de juiste parameters in voor galvaniseren. Spoel de vezels grondig af met gedeïoniseerd of gedestilleerd water na galvaniseren.De representatieve SEM-afbeelding van geprepareerde koolstofvezel toonde een vergulde oplossing geconcentreerd aan de punt. Het galvaniseren van vezels in goud resulteerde in verminderde impedanties die geschikt waren voor de opname. Impedantiewaarden van 300 kanalen na initieel snijden, positieve stroominjectie en galvaniseren vertoonden verminderde impedantiewaarden na elke verwerkingsstap.Matige goud galvaniseerduur produceerde de kleine en afgeronde afzettingen op de koolstofvezelbundelpunten. Bovendien werd stabiele 64-kanaals elektrofysiologische activiteit in de retrospleniale cortex van een vrij gedragende volwassen mannelijke muis geanalyseerd. De resultaten toonden de consistentie van opnamekwaliteit, robuuste detectie van één eenheid, consistentie in de tijd zoals aangetoond door niet-genormaliseerde spike-golfvormen en stabiele ruisvloer.Ook de ruwe spanning die 11 maanden na implantatie werd getraceerd, vertoonde een robuust lokaal veldpotentieel. Een representatief voorbeeld van een acute 16-kanaals koolstofvezel micro-elektrode array opname verkregen uit de primaire visuele cortex van een volwassen vrouwelijke fret wordt hier ook getoond. Koolstofvezel micro-elektrode arrays maken de korte termijn of chronische opname van nabijgelegen neuronen in de hersenen gedurende lange perioden mogelijk, wat essentieel is voor het begrijpen van neurale circuits.

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

High-density EEG-registraties van de vrij bewegende muizen met behulp van Polyimide op basis van micro-elektrode

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

Functionele neuroimaging Met behulp van ultrasone bloed-hersen barrière verstoring en mangaan-enhanced MRI

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

Ontwerp en Montage van een Ultra-light Gemotoriseerde Microdrive voor Chronische Neurale Opnamen in Kleine Dieren

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

Dubbele Elektrofysiologische Opnames van synaptisch-opgeroepen astrogliale en Neuronale responsen bij acute hippocampus Slices

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

Glasvezel-implantatie voor chronische Optogenetic Stimulatie van hersenweefsel

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

acuut<em&gt; In Vivo</em&gt; Elektrofysiologische opnamen van lokale veldpotentialen en multi-unit activiteit van de Hyperdirect Pathway in verdoofde ratten

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

Opname en moduleren van Epileptiform activiteit in knaagdier hersenen plakjes gekoppeld aan micro-elektrode Arrays

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

Chronische implantatie van meerdere flexibele polymeer elektrode arrays

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

Stereotaxic chirurgie voor implantatie van micro-elektrode arrays in de gewone marmoset (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

Voorbereiding van acute menselijke hippocampal slices voor elektrofysiologische opnames

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 ...