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
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Nous tenons à remercier Greg Guitchounts pour ses conseils en matière de conception et de construction d’électrodes et Tim Gardner pour nous avoir ouvert son laboratoire et ses installations. Nous tenons à remercier Christos Michas pour son aide à l’utilisation de PDS dans l’installation centrale de Bio-Interface and Technology et Neil Ritter, Jon Spyreas et David Landesman pour leur aide dans la conception des premières versions du gabarit à 16 canaux. Nous tenons à remercier Tim Cavanaugh pour son aide en imagerie SEM au Center for Harvard Nanoscale Systems à Harvard.

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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. 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Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts financier.

Ce protocole décrit chaque étape nécessaire à la construction d’un CFEA fonctionnel pour une utilisation aiguë et chronique. Le processus décrit est personnalisable en fonction des besoins du chercheur, ce qui en fait une option accessible et peu coûteuse pour surveiller des neurones individuels pendant des mois. Le protocole démontre la faisabilité d’enregistrer à la fois une activité robuste d’une seule unité dans les minutes suivant l’implantation chez un animal anesthésié et pendant quatre mois chez un animal éveillé et se comportant, illustrant le potentiel de ces CFEA pour étudier les changements à court et à long terme dans les réponses neuronales.
Les étapes du protocole décrit ont été soigneusement testées et améliorées au fil du temps pour donner une procédure efficace qui peut être complétée rapidement, à un faible coût marginal (< 100,00 $), avec la capacité d’enregistrer des unités uniques sans ambiguïté, de manière dense et stable pendant des mois. Les étapes de construction peuvent être achevées en moins d’une journée et produiront des signaux électrophysiologiques comparables à n’importe quel réseau commercial de premier plan. Les CFA ont également un encombrement beaucoup plus faible (un faisceau de fibres à 16 canaux a un diamètre d’environ 26 μm) que des réseaux commerciaux similaires, et leur biocompatibilité les rend adaptés à une utilisation à long terme13. Il est important de noter qu’il y a plusieurs étapes et instructions critiques qui doivent être suivies afin de produire un CFEA fonctionnel avec des performances comparables.
En raison de la fragilité des fibres de carbone, elles doivent être manipulées avec le plus grand soin. Les manipuler avec des pinces tranchantes ou d’autres outils peut entraîner la rupture des fibres. De plus, il est important de construire les CFEA dans un espace avec un mouvement d’air limité afin que les fibres ne s’envolent pas. Lors de l’allumage de la partie arrière des fibres, le briquet n’a besoin que d’être déplacé dans un mouvement de va-et-vient très brièvement, pendant environ 1 s. Les étapes qui suivent ce retrait de l’isolation sont cruciales pour la construction d’une électrode avec des canaux de travail. Les pointes enflammées doivent être introduites dans le gabarit sans aucun contact supplémentaire. Ensuite, lors du remplissage du bassin avec du ciment dentaire, il est important que le ciment soit soigneusement appliqué et remplisse complètement les canaux et le bassin en entonnoir, en fermant les ouvertures sans les remplir. Le ciment dentaire doit ensuite être complètement durci à la lumière UV avant de continuer. Une fois cela terminé, la peinture argentée doit être injectée dans chaque canal jusqu’à ce qu’elle soit complètement remplie mais ne déborde pas. Il s’agit de l’étape la plus variable du processus. Tout remplissage excessif peut produire une diaphonie entre les canaux, et un remplissage insuffisant peut entraîner une défaillance de la connexion. S’il est impossible d’injecter de la peinture argentée à l’aide d’une aiguille de 25 G, il est probable que la solution soit trop visqueuse et, dans ce cas, une petite quantité de diluant à peinture peut être ajoutée pour créer une solution plus fluide. Une fois que tous les canaux sont remplis et que le connecteur de la tête est inséré, il est important de laisser durcir le réseau pendant 24 heures avant de fixer le connecteur avec du ciment dentaire. Nous avons constaté que le fait de ne pas le faire réduisait le nombre de canaux connectés. L’application d’une quantité généreuse de ciment dentaire est également importante pour que le connecteur ne se déconnecte pas lors de l’interfaçage avec le système d’acquisition de signal. S’ils se détachent, il est possible de tenter de se reconnecter avec le remplissage répété des canaux avec de la peinture argentée, mais l’utilisateur doit tester les valeurs d’impédance du CFEA pour évaluer le nombre de canaux connectés. Permettre au ciment dentaire de durcir pendant la nuit sert également à prévenir le détachement potentiel.
La mesure de l’impédance de l’électrode fournira une estimation précise des canaux connectés. Cela peut être fait après avoir submergé les fils de terre et de référence et les pointes en fibre de carbone dans PBS. Nous avons observé qu’une impédance élevée (>15 MΩ) est révélatrice d’un canal ouvert et non connecté. Avant d’injecter du courant et de la galvanoplastie, un canal connecté peut avoir une gamme de valeurs d’impédance qui devraient diminuer considérablement avec ce processus. Le nombre moyen de canaux connectés (impédance < 4 MΩ après injection de courant) par électrode à 16 canaux était de 12,96 ± 2,74 (moyenne ± SD; N = 48 électrodes). Un certain nombre de temps de galvanoplastie ont été testés, et 30 s ont produit une isolation de signal supérieure parmi les sites d’enregistrement (Figure 5). Bien qu’il ait été bien établi que PEDOT-pTS12,24,25,26 et PEDOT-TFB21 fournissent des options fiables pour la préparation de sites d’enregistrement de fibre de carbone, nous avons constaté que le placage avec de l’or, une méthode éprouvée et fiable pour la galvanoplastie des électrodes pour l’implantation chronique27,28 , a augmenté la facilité d’implantation et empêché les extrémités des électrodes de s’agglutiner. En produisant des valeurs d’impédance finales inférieures à 0,2 MΩ en moyenne, cette méthode s’avère comparable aux valeurs obtenues en utilisant PEDOT-TFB21 et PEDOT-pTS26.
Lors de l’implantation du réseau de microélectrodes, il est important de suivre visuellement l’insertion des pointes en fibre de carbone sous le microscope. Une insertion réussie doit être apparente, sans flexion des fibres. Si les fibres semblent flamber, il est peu probable qu’elles pénètrent avec succès dans le cerveau. Dans ce cas, l’angle de la sonde doit être ajusté pour une deuxième tentative. Ce processus peut se poursuivre jusqu’à ce que l’insertion de la sonde réussisse. Une fois l’électrode à la profondeur souhaitée, nous avons constaté qu’attendre au moins 30 minutes permettra à la sonde de se contenter d’une acquisition optimale du signal (enregistrements aigus).
Les CFA décrits, en plus de leur faible encombrement et de leur biocompatibilité, offrent une alternative robuste et personnalisable aux réseaux commerciaux en raison de leur facilité de construction et de leur faible coût. La plus grande limitation des CFA détaillées dans ce protocole est leur évolutivité. En raison de la nature manuelle de leur construction, la mise à l’échelle des conceptions avec des centaines de sites d’enregistrement peut ne pas être pratique. En outre, les progrès réalisés dans la fabrication de réseaux de microélectrodes à l’aide de la nanotechnologie permettront des enregistrements de population à plus grande échelle que les méthodes décrites ici. Cependant, ce protocole offre une accessibilité CFEA aux laboratoires intéressés par la fabrication d’électrodes en fibre de carbone sur paillasse. Nous n’avons observé aucune perte de stabilité ou diminution de la robustesse de l’amplitude des pics sur la durée des expériences chroniques de 120 jours, comme l’indique un canal unique représentatif typique de nos observations sur cette échelle de temps(Figure 6A-E). De plus, les CFA montrent la capacité d’activité persistante d’une seule unité, car quatre unités individuelles sont restées discernables 11 mois après l’implantation chez la souris(Figure 6G,H). Il est également possible d’obtenir des enregistrements stables à une seule unité de manière aiguë(Figure 7),ce qui offre un avantage par rapport à de nombreuses autres électrodes commerciales pour l’étude de neurones uniques sur de courtes périodes. À l’avenir, le développement de telles sondes flexibles et biocompatibles avec des diamètres minimaux permettra d’étudier des processus complexes. Ces outils fourniront une utilité substantielle dans l’avancement de la technologie neuronale, y compris des applications dans les interfaces cerveau-machine (IMC), qui nécessitent une stabilité continue et à long terme29.

Les électrodes et les réseaux d’électrodes sont des outils précieux pour comprendre comment le cerveau traite l’information au niveau neuronal. Bien que les enregistrements électrophysiologiques soient réalisables depuis plus de deux siècles1,il n’est toujours pas possible de mesurer simultanément l’activité de circuits neuronaux entiers à la résolution spatiale et temporelle nécessaire pour capturer le pic de neurones individuels. Bien que les méthodes non invasives, telles que l’électroencéphalographie2,la topographie par émission de positons3et l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle4 permettent des mesures du cerveau entier, elles ne peuvent pas atteindre la résolution spatiale et temporelle nécessaire pour résoudre l’activité des circuits neuronaux2,5. En revanche, les méthodes d’imagerie telles que l’imagerie optique utilisant des colorants sensibles à la tension ou des indicateurs de calcium génétiquement codés peuvent atteindre une résolution spatiale unitaire, mais elles posent des problèmes tels qu’une faible résolution temporelle et une mauvaise sélectivité3,4,5,6. Les enregistrements électriques sont une alternative puissante à ces méthodes. Les électrodes d’enregistrement offrent une résolution temporelle inégalée et permettent à l’utilisateur d’effectuer des mesures avec une précision de temps de pointe dans n’importe quelle région du cerveau7. De plus, les réseaux multiélectrodes (MEA) implantés de manière chronique permettent des enregistrements unicellulaires à grande échelle (des dizaines à des centaines de cellules) chez des animaux se comportant sur une période de jours à des mois8,9. Cependant, les sondes en silicium qui enregistrent à des densités plus élevées ont une grande empreinte et sont très invasives, et les réseaux implantés de manière chronique génèrent souvent une réponse inflammatoire, une encapsulation tissulaire et une mort neuronale10,11,12,13.
Les limites des électrodes existantes ont donné lieu à des innovations récentes qui permettent des enregistrements stables, à haute résolution et à long terme. Les électrodes typiques sont constituées d’un conducteur métallique, tel que le tungstène ou le platine-iridium, ou sont à base de silicium ou de polymère. Bien que les réseaux de microfils à base de métal puissent maintenir des enregistrements stables à long terme, ils ont un encombrement beaucoup plus important, avec un diamètre de fil unique allant de 10 à 200 μm14. En revanche, les réseaux d’électrodes à base de silicium produisent des enregistrements à haute résolution spatiale, mais en raison de leur conception relativement rigide, ils sont généralement incapables de maintenir le signal et d’enregistrer à partir des mêmes neurones pendant de nombreux mois15. Les développements récents dans les réseaux à base de silicium ont abouti à des électrodes capables d’effectuer de manière fiable des enregistrements chroniques, mais ces réseaux ne peuvent pas être utilisés pour enregistrer à partir de régions cérébrales profondes chez des animaux plus grands et sont destinés à des enregistrements linéaires9. Les progrès dans les réseaux de polymères ont entraîné une flexibilité et une stabilité d’enregistrement accrues des unités individuelles et offrent le potentiel d’enregistrements à haute densité dans un proche avenir, mais avec une disponibilité limitée àl’heureactuelle8,16,17. Les fibres de carbone permettent des enregistrements à haute densité avec des matériaux prêts à l’emploi décrits ici.
Les microélectrodes d’enregistrement en fibre de carbone sont utilisées depuis des décennies, les premières électrodes en fibre de carbone étant constituées d’une seule fibre de carbone insérée dans une micropipette en verre. Ces microélectrodes ont été utilisées pour des enregistrements extracellulaires unitaires, et bien que le rapport signal/bruit soit comparable aux meilleures microélectrodes en tungstène dans le verre, elles étaient avantageuses en raison de leur flexibilité, de leurs valeurs d’impédance inférieures et de leur simplicité de fabrication18,19. Les efforts visant à développer des réseaux d’électrodes en fibre de carbone se sont récemment accélérés en raison des capacités de biodétection des fibres de carbone. En plus de leur biocompatibilité accrue et de leur conductivité électrique exceptionnelle, ils présentent un ensemble unique de propriétés, notamment une résistance à haute température, une faible densité relative, une résistance élevée à la traction, une faible rigidité en flexion, une sensibilité de détection élevée et une petite section transversale10,12. Toutes ces propriétés ont motivé le développement de réseaux de microélectrodes en fibre de carbone (CFA) qui facilitent les enregistrements chroniques, stables et à haut rendement de neurones uniques. De tels CFA peuvent maintenant être fabriqués à la main20,21 ( Figure1), produisant des réseaux de microélectrodes pouvant contenir des neurones uniques pendant des mois. Décrit ici est un processus de construction accessible pour les CFEA qui a été adapté de deux façons pour les enregistrements aigus et chroniques de neurones individuels chez deux espèces.

<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

Les réseaux d’électrodes multicanaux offrent un aperçu du cerveau en fonctionnement et servent à élucider les processus neuronaux au niveau de la cellule unique et du circuit. Le développement de ces outils est crucial pour comprendre les comportements complexes et la cognition et pour faire progresser les applications cliniques. Cependant, il reste difficile d’enregistrer densément les populations cellulaires de manière stable et continue sur de longues périodes. De nombreuses électrodes populaires, telles que les tétrodes et les réseaux de silicium, présentent de grands diamètres croisés qui produisent des dommages lors de l’insertion et provoquent des réponses tissulaires réactives chroniques associées à la mort neuronale, entravant l’enregistrement d’une activité neuronale stable et continue. En outre, la plupart des faisceaux de fils présentent un large espacement entre les canaux, ce qui empêche l’enregistrement simultané à partir d’un grand nombre de cellules regroupées dans une petite zone. Les réseaux de microélectrodes en fibre de carbone décrits dans ce protocole offrent une solution accessible à ces préoccupations. L’étude fournit une méthode détaillée pour la fabrication de réseaux de microélectrodes en fibre de carbone qui peuvent être utilisés pour des enregistrements aigus et chroniques in vivo. Les propriétés physiques de ces électrodes les rendent idéales pour des enregistrements stables et continus à long terme à des densités cellulaires élevées, permettant au chercheur de réaliser des enregistrements robustes et sans ambiguïté à partir d’unités individuelles au fil des mois.

Avec l’achèvement de ce protocole, des enregistrements stables de l’activité de pointe d’une seule unité seront possibles. Ces réseaux de microélectrodes sont personnalisables en termes de matériau, de nombre de canaux et d’adaptateur de scène en fonction des besoins du chercheur. La galvanoplastie des fibres dans l’or entraîne une diminution des impédances adaptées à l’enregistrement(Figure 4 et Figure 5). Si l’utilisateur a l’intention d’enregistrer de manière chronique, des mesures peuvent être effectuées après que l’animal se soit remis de l’intervention chirurgicale. Les procédures chroniques ont donné lieu à des enregistrements stables d’une seule unité pendant au moins 120 jours. Un enregistrement représentatif est montré à la figure 6, illustrant l’activité électrophysiologique stable à 64 canaux dans le cortex rétrosplénial d’une souris mâle adulte se comportant librement. Si une préparation aiguë est prévue, les enregistrements peuvent commencer peu de temps après l’implantation (~ 30 min). Cela laissera le temps à l’électrode de s’installer dans le cerveau. La figure 7 fournit un exemple représentatif d’un enregistrement CFEA aigu à 16 canaux acquis à partir du cortex visuel primaire d’un furet femelle adulte. Le tri des pointes à la souris et au furet a été effectué à l’aide d’un logiciel de tri des pointes (voir Tableau des matériaux).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig01.jpg"> Figure 1: Anatomie des réseaux de microélectrodes en fibre de carbone (CFA) à 16 et 32 canaux. (A) Schémas des CFEA à 32 canaux (en haut) et à 16 canaux (en bas) à partir de trois vues différentes. Le CFEA à 16 canaux présente une conception étendue à des fins de manipulation. La conception à 32 canaux comporte une face plate qui permet de combiner deux gabarits pour un CFEA à 64 canaux. Les deux diagrammes ont des structures d’identification étiquetées avec des dimensions. L’extrémité du connecteur indique l’emplacement de l’insertion du connecteur et les canaux GND/REF indiquent où le fil de mise à la terre est inséré. Le bassin de l’entonnoir fait référence à l’emplacement traversé par les fibres pour être recouvert de ciment dentaire durci à la lumière UV, et la pointe de l’entonnoir signifie le site d’où les fibres sortent du gabarit. La pointe de l’entonnoir est divisée en quadrants pour minimiser les fibres qui s’accrochent ensemble et créent des dommages. Les fibres sont ensuite tirées en un seul faisceau avec l’utilisation du ciment dentaire. Les gabarits sont imprimés en 3D à l’aide d’imprimantes à résine SLA. Les diagrammes sont agrandis pour afficher les détails. b) Construit l’AEFC. Le diagramme a des structures d’identification étiquetées. La pointe bleue du faisceau représente le segment des fibres de carbone qui acquièrent des mesures d’enregistrement. Le gris à l’intérieur du bassin de l’entonnoir et entourant le connecteur indique un ciment dentaire durci à la lumière UV qui maintient les fibres de carbone en place dans le bassin de l’entonnoir et fixe le connecteur au gabarit. Le fil violet représente le fil de mise à la terre. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig02.jpg"> Figure 2: Chargement des fibres de carbone brutes dans des cassettes pour le revêtement en parylène C. (A) Les fibres de carbone sont chargées sur des cartouches recouvertes de deux bandes de ruban adhésif double face (bleu). Chaque cassette est chargée d’environ 25 fibres. (B) Les cassettes sont chargées dans un support découpé au laser (gris) en préparation du revêtement de parylène C. Chacun contient dix cassettes. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig02large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig03.jpg"> Figure 3: Schéma deconstruction du faisceau de microélectrodes en fibre de carbone (CFEA). (A) 16 fibres de carbone individuelles revêtues (noir) sont filetées à travers le gabarit imprimé en 3D à 32 canaux (gris). (B) Les pointes en fibre de carbone sont coupées avec des micro-ciseaux, laissant l’excès de fibre égal à la hauteur de la base du gabarit, s’étendant hors de la base du gabarit. (C) Un briquet de roue à étincelles en plastique standard est rapidement passé sur l’excès de fibre pour éliminer l’isolation parylène C. Le schéma en haut à droite montre l’élimination du parylène de 9 des 12 fibres. (D) Les fibres sont réinsérées dans le gabarit jusqu’à ce que l’extrémité de la fibre soit au ras de la base. Le schéma en haut à droite montre la réinsertion de 9 fibres avec des pointes de fibres non isolées (grises) logées à l’intérieur de la base du gabarit. Le gabarit est ensuite retourné et les étapes A-D sont répétées pour enfiler les 16 canaux opposés. (E) Le gabarit est rempli de ciment dentaire pour sécuriser les fibres. L’impression argentée est injectée dans chaque puits de la base du gabarit. (F) Le connecteur mâle est inséré dans la base du gabarit. (G) Le CFEA et le scalpel sont congelés dans un congélateur à -20 °C. La pointe de la matrice est coupée à la longueur souhaitée, laissant 32 fibres paires. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig03large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig04.jpg"> Figure 4: Traitement de la pointe et galvanoplastie. (A) Les pointes des électrodes sont d’abord placées dans un PBS de 0,1 M, où le courant est passé à travers chaque électrode. Les embouts sont ensuite rincés et transférés dans une solution de placage d’or, où ils sont galvanisés avec le courant. (B) Les images SEM de fibre de carbone préparée montrent une solution de placage d’or concentrée à la pointe. La barre d’échelle représente 4 μm. (C) Les valeurs d’impédance de 168 canaux après la coupe initiale (violet; 3,11 MΩ ± 0,42 MΩ, médiane ± SE, n = 168 fibres), l’injection de courant positif (rose; 1,23 MΩ ± 0,36 MΩ, médiane ± SE, n = 168 fibres) et la galvanoplastie (orange; 0,19 MΩ ± 0,15 MΩ, médiane ± SE, n = 168 fibres) montrent des valeurs d’impédance réduites après chaque étape de traitement. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig04large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig05.jpg"> Figure 5: Les durées modérées de galvanoplastie de l’or produisent de petits dépôts arrondis sur les pointes des faisceaux de fibres de carbone. Les pointes en fibre de carbone illustrées proviennent toutes de différents réseaux de microélectrodes, reflétant différentes durées de courant injecté pour la réduction de l’impédance ou le placage d’or. Les images représentent également le revêtement de parylène C, qui isole les fibres de carbone et empêche toute acquisition de signal à partir d’un endroit autre que les extrémités des fibres. (A) Image de microscopie électronique à balayage des pointes en fibre de carbone après congélation et faisant une seule coupe avec une lame de rasoir. Les barres d’échelle représentent 10 μm. (B) Identique à A mais ensuite suivi d’une injection de courant positif pendant 10 s. (C) Identique à B mais ensuite galvanisé avec de l’or pendant 5 s. (D) Identique à B mais ensuite galvanisé avec de l’or pendant 15 s. (E) Identique à B mais ensuite galvanisé avec de l’or pendant 30 s. (F) Identique à B mais ensuite galvanisé avec de l’or pendant 120 s. Nous avons constaté que la galvanoplastie pendant 30 s à un courant de -0,05 μA était optimale pour les enregistrements électrophysiologiques. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig05large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig06.jpg"> Figure 6: Les enregistrements extracellulaires chroniques dans le cortex rétrosplénial de souris se comportant librement avec des réseaux de microélectrodes en fibre de carbone montrent une activité neuronale persistante et stable. (A) Onze traces de tension transmises ont été enregistrées simultanément. Les traces suivantes enregistrées à partir du premier canal (rangée du haut) sont tracées en B pour montrer la durabilité dans le temps. Les dix lignes restantes démontrent la cohérence de la qualité d’enregistrement et montrent une activité robuste sur l’ensemble de la baie. La barre d’échelle à gauche de chaque trace représente un potentiel de 200 μV. (B) Données transmises par bande passante provenant de la même fibre que dans la trace supérieure en A, étendues pour montrer une activité robuste sur un enregistrement continu de 120 jours. (C) Le clustering révèle une détection robuste d’une seule unité sur des mois. Les traces représentent la forme d’onde moyenne d’une unité unique représentative observable en continu sur 120 jours, extraite de la fibre tracée en B à chaque point temporel. (D) Formes d’onde moyennes de pointe non normalisées de C empilées pour démontrer la cohérence dans le temps. (E) Les enregistrements en fibre de carbone démontrent un plancher de bruit stable pendant de nombreux mois. L’écart-type du plancher de bruit (trace moins activité de pointe) dans B ne montre aucun changement progressif du bruit. Les barres représentent la contamination moyenne. Les barres d’erreur représentent l’écart-type. (F) Dessin à l’échelle d’une souris avec un CFEA et une scène de tête implantés de manière chronique. (G) La trace de tension brute (en haut) 11 mois après l’implantation montre une LFP robuste. La trace de tension passe-bande (en bas) montre une activité neuronale constante. (H) Forme d’onde moyenne du pic du neurone enregistrée sur la fibre de C, sous-tendue par les 1 000 premières incidences d’activité de pointe. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig06large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig07.jpg"> Figure 7: Enregistrements du réseau de microélectrodes en fibre de carbone (CFEA) du cortex visuel primaire du furet. (A) Formes d’onde d’unités uniques triées par pointe enregistrées à partir d’un CFEA à 16 canaux. Les potentiels d’action d’un seul neurone étaient souvent évidents sur plusieurs canaux à des amplitudes légèrement différentes. (B) Courbes de réglage de direction à partir de neurones sélectionnés. Les couleurs correspondent aux unités enregistrées dans A. Les flèches indiquent la direction du mouvement du stimulus. Les barres d’échelle indiquent le taux de réponse. Les barres d’erreur indiquent la réponse moyenne avec erreur type. La ligne pointillée horizontale représente la vitesse de tir spontanée de la même cellule lors de l’exposition à un écran vide. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig07large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>

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

Ce protocole décrit une procédure de construction de réseaux de microélectrodes en fibre de carbone pour des enregistrements électrophysiologiques in vivo chroniques et aigus chez la souris (Mus musculus) et le furet (Mustela putorius furo) à partir de plusieurs régions du cerveau. Chaque étape, après l’achat de fibres de carbone brutes pour l’implantation de réseaux de microélectrodes, est décrite en détail, en mettant l’accent sur la construction de réseaux de microélectrodes.

Construction et mise en œuvre de réseaux de microélectrodes en fibre de carbone pour les enregistrements in vivo chroniques et aigus

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

La construction de paillasse décrite ici est l’une des rares technologies d’électrodes actuellement disponibles qui permettent d’enregistrer à partir de groupes denses de neurones et de suivre bon nombre de ces neurones au fil du temps. Les réseaux de microélectrodes en fibre de carbone sont peu coûteux à construire. Ils sont petits, biocompatibles et se déplacent avec le cerveau, ce qui permet des enregistrements sains et stables.Les fibres de carbone sont extrêmement minces et au départ, elles sont très difficiles à voir. Cependant, après quelques jours de travail avec eux, ils deviennent plus faciles à manipuler. Pour commencer, posez un morceau de ruban adhésif double face sur deux longs côtés de la cassette, en alignant le bord de la bande avec le bord intérieur de la cassette.Pour préparer un outil de manipulation en fibre de carbone, enroulez un petit morceau de film adhésif autour d’une aiguille de calibre 30 pour former un point pointu mais flexible avec le film. Ensuite, séparez les fibres individuelles du paquet cuit et posez-les parallèlement au côté court de la cassette en gardant une distance de deux à trois millimètres. Après avoir assuré le montage de 20 à 30 fibres sur chaque cassette, scellez les fibres en place en posant du ruban adhésif transparent sur le ruban adhésif double et placez les cassettes remplies dans le support de cassette.Pour assembler le réseau de microélectrodes en fibre de carbone, commencez à alimenter chaque fil de mise à la terre par le canal approprié à l’extrémité du connecteur du gabarit et continuez jusqu’à ce que deux extrémités soient de longueur égale. Ensuite, tordez-les ensemble pour les fixer sur le gabarit. Appliquez du ciment dentaire durci aux UV pour fixer le fil tout en veillant à ne pas obtenir de ciment dentaire dans le canal ouvert à partir duquel le fil est alimenté.Utilisez la baguette de durcissement UV pour durcir le ciment dentaire pendant 20 secondes et alignez le gabarit et l’étau de manière à ce que l’extrémité du connecteur, le bassin et la pointe de l’entonnoir soient visibles. Ensuite, orientez le gabarit de sorte que l’entonnoir pointe loin de l’utilisateur et que le connecteur se termine face à l’utilisateur. Ensuite, faites glisser la pointe de l’aiguille de calibre 25 contre la cassette sur le site d’élimination potentiel de la fibre et coupez une seule fibre de carbone de la cassette.Tenez l’extrémité libre fraîchement coupée de la fibre à l’aide d’un outil en fibre de carbone et, à l’aide de l’aiguille, coupez l’autre extrémité de la fibre loin de la cassette. Ensuite, utilisez à nouveau l’outil en fibre de carbone pour ramasser la fibre de carbone de sorte qu’une extrémité soit à environ un centimètre de longueur de l’outil. Utilisez l’outil en fibre de carbone attaché à la fibre pour alimenter l’extrémité la plus courte de la fibre à travers la pièce de l’entonnoir à partir du bassin central du gabarit.Continuez à alimenter la fibre à travers l’entonnoir de gabarit jusqu’à ce que la majeure partie de la longueur de la fibre soit traversée. Alimentez la partie arrière de la fibre à travers un canal disponible à l’aide de l’outil en fibre de carbone. Continuez à alimenter par l’arrière jusqu’à ce qu’environ cinq millimètres de fibre dépassent ou coupent à la taille si nécessaire.Pour retirer l’isolant à l’extrémité du connecteur, utilisez un briquet à roue à étincelles standard pour passer la flamme sur les fibres exposées, puis alimentez la fibre flammée à travers le gabarit afin que la partie en fibre flammée soit maintenant dans le canal tout en veillant à ce qu’aucune fibre ne dépasse de l’arrière du gabarit. Appliquez du ciment dentaire durci aux UV sur les fibres de bassin du gabarit pour remplir tout le bassin, couvrant les ouvertures des deux canaux et de l’entonnoir. Après avoir retiré le gabarit de l’étau et orienté le gabarit de manière à ce que l’entonnoir pointe vers le bas, fixez le gabarit avec l’extrémité du connecteur pointant vers le haut.Remplissez l’aiguille avec une impression argentée et insérez soigneusement l’aiguille dans un canal jusqu’à ce qu’elle soit arrêtée par le ciment dentaire. Pour remplir le canal avec de la peinture, appuyez lentement sur la seringue tout en retirant l’aiguille du canal, puis trempez un applicateur à pointe de coton dans le diluant à peinture et nettoyez la base de la surface du gabarit de toute peinture. Insérez maintenant le connecteur de l’étage de tête dans la bonne orientation en alignant les broches avec les canaux.Une fois que le connecteur de l’étage de tête est droit, droit et qu’il est aussi rincé que possible sur le gabarit, fixez le connecteur de l’étage de tête au gabarit en appliquant du ciment dentaire le long du bord où le connecteur de l’étage de tête rencontre le gabarit, puis durcissez les UV pendant 20 secondes. Afin de couper l’extrémité de l’électrode à la longueur souhaitée, abaissez l’électrode dans un bécher d’eau désionisée ou distillée jusqu’à ce que la pointe de l’entonnoir soit complètement immergée et maintenue normale à la surface. Maintenant, rassemblez les fibres de carbone individuelles en retirant l’électrode de l’eau.Posez l’électrode de manière à ce que les fibres soient au ras de la surface de guidage et coupez les fibres à la longueur souhaitée avec un scalpel dans un mouvement de roulement, puis fixez l’électrode au testeur d’impédance multiélectrode à l’aide de l’adaptateur approprié et testez l’impédance. Maintenant, abaissez la pointe de l’électrode d’environ deux millimètres dans un tube de microcentrifugation de PBS 0,1 molaire et insérez un fil de mise à la terre dans le tube de microcentrifugeuse. Pour réduire l’impédance de la pointe de l’électrode, injectez un courant positif avec l’amplitude et la durée choisies, puis rincez les fibres dans de l’eau désionisée ou distillée pour les nettoyer.Ensuite, pour effectuer la galvanoplastie dans la solution de placage d’or, abaissez la pointe du faisceau d’électrodes d’environ deux millimètres dans le tube de microcentrifugation dans le mélange de placage et insérez le fil de mise à la terre dans le tube de microcentrifugation. Définissez ensuite les paramètres appropriés pour la galvanoplastie. Rincez soigneusement les fibres avec de l’eau désionisée ou distillée après la galvanoplastie.L’image SEM représentative de la fibre de carbone préparée montrait une solution de placage d’or concentrée à la pointe. La galvanoplastie de fibres en or a entraîné une diminution des impédances adaptées à l’enregistrement. Les valeurs d’impédance de 300 canaux après la coupe initiale, l’injection de courant positif et la galvanoplastie ont montré des valeurs d’impédance réduites après chaque étape de traitement.Des durées modérées de galvanoplastie de l’or ont produit des dépôts petits et arrondis sur les extrémités des faisceaux de fibres de carbone. En outre, l’activité électrophysiologique stable à 64 canaux dans le cortex rétrosplénial d’une souris mâle adulte se comportant librement a été analysée. Les résultats ont démontré la cohérence de la qualité d’enregistrement, la détection robuste d’une seule unité, la cohérence dans le temps, comme le montrent les formes d’onde de pointe non normalisées et le plancher de bruit stable.En outre, la tension brute tracée 11 mois après l’implantation a montré un fort potentiel de champ local. Un exemple représentatif d’un enregistrement aigu de réseaux de microélectrodes en fibre de carbone à 16 canaux acquis à partir du cortex visuel primaire d’un furet femelle adulte est également montré ici. Les réseaux de microélectrodes en fibre de carbone permettent l’enregistrement à court terme ou chronique des neurones voisins dans le cerveau sur de longues périodes de temps, ce qui est essentiel pour comprendre les circuits neuronaux.

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

Haute densité enregistrements EEG des souris se déplacent librement à l&#39;aide à base de polyimide microélectrodes

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

Recherche

Neurosciences

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

Utilisation de neuro-imagerie fonctionnelle par ultrasons rupture de la barrière hémato-encéphalique et le manganèse-IRM

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

Conception et montage d&#39;un Microdrive ultra-léger motorisé pour des enregistrements de neurones chroniques chez les petits animaux

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

Deux enregistrements électrophysiologiques des synapses-réponses évoquées astrogliales et neuronales aiguës dans des coupes d&#39;hippocampe

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Fiber-optic Implantation for Chronic Optogenetic Stimulation of Brain Tissue

Fibre optique d&#39;implantation pour la stimulation chronique optogenetic de tissu cérébral

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

Aigu<em&gt; In vivo</em&gt; Enregistrements électrophysiologiques des potentiels de terrain locaux et activité multi-unités à partir de la voie hyperdirect dans les rats anesthésiés

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

Enregistrement et Modulation de l’activité épileptiforme dans des tranches de cerveau rongeur couplé aux baies de microélectrodes

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Implantation chronique de multiples réseaux d'électrodes polymères flexibles

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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

Chirurgie stéréotaxique pour l'implantation de microélectrodes Arrays dans le Marmoset commun (Callithrix jacchus)

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Préparation de tranches d’hippocampe humaine aiguë pour les enregistrements électrophysiologiques

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