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

Мы хотели бы поблагодарить Грега Гитчунтса за руководство проектированием и строительством электродов и Тима Гарднера за открытие своей лаборатории и объектов для нас. Мы хотели бы поблагодарить Кристоса Михаса за его помощь в использовании PDS на базовом объекте Bio-Interface and Technology, а также Нила Риттера, Джона Спайреаса и Дэвида Ландесмана за их помощь в разработке ранних версий 16-канального джига. Мы хотели бы поблагодарить Тима Кавано за его помощь в визуализации SEM в Центре наноразмерных систем Гарварда в Гарварде.

<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>

Авторы заявляют об отсутствии финансовых конфликтов интересов.

Этот протокол описывает каждый шаг, необходимый для построения функционального CFEA как для острого, так и для хронического использования. Описанный процесс настраивается в соответствии с потребностями исследователя, что делает его доступным и недорогим вариантом для мониторинга отдельных нейронов в течение нескольких месяцев. Протокол демонстрирует возможность регистрации как надежной одиночной активности в течение нескольких минут после имплантации у анестезированного животного, так и в течение четырех месяцев у бодрствующего, ведущего себя животного, иллюстрируя потенциал этих CFEA для изучения краткосрочных и долгосрочных изменений в нейронных реакциях.
Этапы описанного протокола были тщательно протестированы и улучшены с течением времени, чтобы получить эффективную процедуру, которая может быть завершена быстро, при низких предельных затратах (< 100,00 долларов США), с возможностью записи однозначных одиночных единиц, плотно и стабильно в течение нескольких месяцев. Этапы строительства могут быть завершены менее чем за один день и будут производить электрофизиологические сигналы, сопоставимые с любым ведущим коммерческим массивом. CFEA также имеют гораздо меньшую площадь (16-канальный пучок волокон имеет диаметр ~26 мкм), чем аналогичные коммерческие массивы, а их биосовместимость делает их пригодными для длительногоиспользования13. Важно отметить, что существует несколько критических шагов и инструкций, которым необходимо следовать, чтобы создать функционирующий CFEA с сопоставимой производительностью.
Из-за хрупкости углеродных волокон с ними необходимо обращаться с максимальной осторожностью. Обращение с ними острыми щипцами или другими инструментами может привести к поломке волокон. Кроме того, важно построить CFEA в пространстве с ограниченным движением воздуха, чтобы волокна не сдувались. При воспламенении задней части волокон зажигалку нужно только перемещать движением вперед-назад очень коротко, примерно на 1 с. Этапы, следующие за этим удалением изоляции, имеют решающее значение для строительства электрода с рабочими каналами. Горючие наконечники должны подаваться в джиг без какого-либо дополнительного контакта. Затем при заполнении тазика зубным цементом важно, чтобы цемент аккуратно нанес и полностью заполнил каналы и воронкообразный таз, закрыв отверстия без их заполнения. Затем зубной цемент должен быть полностью отвержден ультрафиолетовым светом, прежде чем продолжить. Как только это будет завершено, серебряная краска должна быть введена в каждый канал до полного заполнения, но не выплескивания. Это самый изменчивый шаг в процессе. Любое чрезмерное заполнение может привести к перекрестным помехам между каналами, а недостаточное заполнение может привести к сбою соединения. Если невозможно ввести серебряную краску с помощью иглы 25 Г, вполне вероятно, что раствор слишком вязкий и, в этом случае, небольшое количество разбавителя краски может быть добавлено для создания более жидкого раствора. После того, как все каналы заполнены, и разъем головной ступени вставлен, важно дать массиву отверждаться в течение 24 часов, прежде чем закрепить соединитель зубным цементом. Мы обнаружили, что неспособность сделать это снизила количество подключенных каналов. Применение большого количества зубного цемента также важно, чтобы разъем не отключался при сопряжении с системой сбора сигнала. Если они отсоединяются, можно попытаться повторно соединиться с повторным заполнением каналов серебряной краской, но пользователь должен проверить значения импеданса CFEA для оценки количества подключенных каналов. Позволяя зубному цементу отверждаться в течение ночи, также служит для предотвращения потенциального отслоения.
Измерение импеданса электрода обеспечит точную оценку подключенных каналов. Это можно сделать после погружения заземляющих и опорных проводов и наконечников из углеродного волокна в PBS. Мы заметили, что высокое сопротивление (>15 МОм) указывает на открытый, неподключенный канал. До впрыска тока и гальванического покрытия подключенный канал может иметь диапазон значений импеданса, которые должны значительно уменьшаться при этом процессе. Среднее количество подключенных каналов (импеданс < 4 МОм после впрыска тока) на 16-канальный электрод составило 12,96 ± 2,74 (среднее ± SD; N = 48 электродов). Было протестировано несколько раз гальванического покрытия, и 30 с произвели превосходную изоляцию сигнала между регистрирующими сайтами(рисунок 5). Хотя было хорошо установлено, что PEDOT-pTS12,24, 25,26 и PEDOT-TFB21 обеспечивают надежные варианты подготовки участков регистрации углеродного волокна, мы обнаружили, что покрытие золотом, проверенный и надежный метод гальванического покрытия электродов для хронической имплантации27,28 , увеличивал легкость имплантации и предотвращал слипание наконечников электродов. При получении конечных значений импеданса менее 0,2 МОм в среднем этот метод оказывается сопоставимым со значениями, достигнутыми с использованием PEDOT-TFB21 и PEDOT-pTS26.
При имплантации микроэлектродного массива важно визуально следить за введением наконечников из углеродного волокна под микроскопом. Успешное введение должно быть очевидным, без изгиба волокон. Если волокна кажутся изгибающимися, маловероятно, что они успешно попадут в мозг. В этом случае угол наклона зонда должен быть скорректирован для второй попытки. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока установка зонда не будет успешной. Как только электрод окажется на нужной глубине, мы обнаружили, что ожидание не менее 30 минут позволит зонду освоиться для оптимального получения сигнала (острые записи).
Описанные CFEA, в дополнение к их небольшой занимаемой площади и биосовместимости, предлагают надежную, настраиваемую альтернативу коммерческим массивам из-за их простоты конструкции и низкой стоимости. Самым большим ограничением для CFEA, подробно описанных в этом протоколе, является их масштабируемость. Из-за ручного характера их конструкции масштабирование до проектов с сотнями сайтов записи может быть непрактичным. Кроме того, достижения в изготовлении микроэлектродных массивов с использованием нанотехнологий позволят проводить более масштабные записи населения, чем методы, описанные здесь. Тем не менее, этот протокол обеспечивает доступность CFEA для лабораторий, заинтересованных в настольном изготовлении электродов из углеродного волокна. Мы не наблюдали потери стабильности или снижения надежности амплитуды шипов в течение 120-дневных хронических экспериментов, о чем свидетельствует репрезентативный единый канал, типичный для наших наблюдений на этой шкалевремени (рисунок 6A-E). Кроме того, CFEA показывают способность к постоянной одноблочной активности, поскольку четыре отдельных единицы оставались различимыми через 11 месяцев после имплантации в мышь(рисунок 6G,H). Также можно получить стабильные, одноблочные записи остро(рисунок 7),что дает преимущество перед многими другими коммерческими электродами для изучения одиночных нейронов в течение коротких периодов времени. В будущем разработка таких гибких, биосовместимых зондов с минимальными диаметрами позволит изучать сложные процессы. Эти инструменты обеспечат существенную полезность в развитии нейронных технологий, включая приложения в интерфейсах мозг-машина (ИМТ), которые требуют непрерывной, долгосрочной стабильности29.

Электроды и электродные массивы являются ценными инструментами для понимания того, как мозг обрабатывает информацию на нейронном уровне. Хотя электрофизиологические записи были достижимы на протяжении более двух столетий1,до сих пор невозможно одновременно измерить активность целых нейронных цепей с пространственным и временным разрешением, необходимым для захвата всплесков отдельных нейронов. Хотя неинвазивные методы, такие как электроэнцефалография2,позитронно-эмиссионная топография3и функциональная магнитно-резонансная томография4, позволяют проводить измерения всего мозга, они не могут достичь пространственного и временного разрешения, необходимого для разрешения активности нейронныхцепей 2,5. Напротив, методы визуализации, такие как оптическая визуализация с использованием чувствительных к напряжению красителей или генетически закодированных показателей кальция, могут достигать одноблочного пространственного разрешения, но они создают такие проблемы, как низкое временное разрешение и плохая селективность3,4,5,6. Электрические записи являются мощной альтернативой этим методам. Регистрирующие электроды обеспечивают беспрецедентное временное разрешение и позволяют пользователю производить измерения с точностью до времени всплеска в любой области мозга7. Кроме того, хронически имплантированные многоэлектродные массивы (MEA) позволяют проводить крупномасштабные (от десятков до сотен клеток) одноклеточные записи у ведущих себя животных в течение периода от нескольких дней до месяцев8,9. Тем не менее, кремниевые зонды, которые регистрируют при более высоких плотностях, имеют большой след и являются высокоинвазивными, а хронически имплантированные массивы часто генерируют реакцию воспаления, инкапсуляцию тканей и гибель нейронов10,11,12,13.
Ограничения существующих электродов привели к недавним инновациям, которые позволяют проводить стабильные долгосрочные записи с высоким разрешением. Типичные электроды состоят из металлического проводника, такого как вольфрам или платина-иридий, или имеют кремниевую или полимерную основу. В то время как металлические микропроводные массивы могут поддерживать долгосрочную, стабильную запись, они имеют гораздо большую площадь, с диаметром одного провода в диапазоне от 10 до 200 мкм14. Напротив, электродные решетки на основе кремния дают записи с высоким пространственным разрешением, но из-за их относительно жесткой конструкции они, как правило, не могут поддерживать сигнал и запись от одних и тех же нейронов в течение многих месяцев15. Недавние разработки в массивах на основе кремния привели к появлению электродов, которые могут надежно выполнять хронические записи, но эти массивы не могут использоваться для записи из глубоких областей мозга у более крупных животных и предназначены для линейных записей9. Достижения в области полимерных массивов привели к повышению гибкости и стабильности регистрации отдельных единиц и предлагают потенциал для записей высокой плотности в ближайшем будущем, но с ограниченной доступностью в настоящее время8,16,17. Углеродные волокна позволяют проводить записи высокой плотности с готовыми материалами, которые описаны здесь.
Микроэлектроды, регистрирующие углеродное волокно, использовались в течение десятилетий, причем первые электроды из углеродного волокна состояли из одного углеродного волокна, вставленного в стеклянную микропипетку. Эти микроэлектроды использовались для одноблочных внеклеточных записей, и хотя отношение сигнал/шум было сопоставимо с лучшими микроэлектродами вольфрама в стекле, они были выгодны из-за их гибкости, более низких значений импеданса и простоты изготовления18,19. Усилия по разработке электродных массивов из углеродного волокна в последнее время ускорились из-за возможностей биозондирования углеродных волокон. В дополнение к их повышенной биосовместимости и исключительной электропроводности, они обладают уникальным набором свойств, включая устойчивость к высоким температурам, низкую относительную плотность, высокую прочность на растяжение, низкую жесткость при изгибе, высокую чувствительность обнаружения и небольшую площадь поперечного сечения10,12. Все эти свойства мотивировали разработку микроэлектродных массивов углеродного волокна (CFEA), которые облегчают хронические, стабильные, высокопроизводительные записи одиночных нейронов. Такие CFEA теперь могут быть созданы вручную20,21 (рисунок 1),давая микроэлектродные массивы, которые могут удерживать одиночные нейроны в течение нескольких месяцев. Здесь описан доступный процесс построения для CFEA, который был адаптирован двумя способами для острой и хронической регистрации отдельных нейронов у двух видов.

<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

Многоканальные электродные массивы дают представление о рабочем мозге и служат для выяснения нейронных процессов на одноклеточном и цепном уровнях. Разработка этих инструментов имеет решающее значение для понимания сложного поведения и познания, а также для продвижения клинических применений. Тем не менее, остается проблемой плотная запись из клеточных популяций стабильно и непрерывно в течение длительных периодов времени. Многие популярные электроды, такие как тетроды и кремниевые массивы, имеют большие поперечные диаметры, которые вызывают повреждение при вставке и вызывают хронические реакции реактивной ткани, связанные с гибелью нейронов, препятствуя регистрации стабильной, непрерывной нейронной активности. Кроме того, большинство пучков проводов имеют широкий интервал между каналами, что исключает одновременную запись из большого количества ячеек, сгруппированных на небольшой площади. Микроэлектродные массивы из углеродного волокна, описанные в этом протоколе, предлагают доступное решение этих проблем. Исследование предоставляет подробный метод изготовления микроэлектродных массивов из углеродного волокна, которые могут быть использованы как для острых, так и для хронических записей in vivo. Физические свойства этих электродов делают их идеальными для стабильных и непрерывных долгосрочных записей при высокой плотности клеток, что позволяет исследователю делать надежные, однозначные записи из отдельных единиц в течение нескольких месяцев.

С завершением этого протокола будут возможны стабильные записи одноблочной пиковой активности. Эти микроэлектродные массивы настраиваются по материалу, количеству каналов и адаптеру headstage в зависимости от потребностей исследователя. Гальваническое покрытие волокон золотом приводит к снижению импедансов, пригодных для записи(рисунок 4 и рисунок 5). Если пользователь намерен записывать хронически, измерения могут быть сделаны после того, как животное оправилось от хирургической процедуры. Хронические процедуры привели к стабильным записям в течение не менее 120 дней. Репрезентативная запись показана на рисунке 6,иллюстрирующем стабильную 64-канальную электрофизиологическую активность в ретросплениальной коре свободно ведущего себя взрослого самца мыши. Если предполагается острая подготовка, запись может начаться вскоре после имплантации (~ 30 мин). Это даст время электроду осесть в мозге. На рисунке 7 приведен репрезентативный пример острой 16-канальной записи CFEA, полученной из первичной зрительной коры взрослой самки хорька. Сортировка шипов у мышей и хорьков выполнялась с помощью программного обеспечения для сортировки шипов (см. Таблицу материалов).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig01.jpg"> Рисунок 1:Анатомия 16- и 32-канальных микроэлектродных массивов углеродного волокна (CFEA). (A)Схемы 32-канальных (сверху) и 16-канальных (снизу) CFEA из трех различных видов. 16-канальный CFEA имеет расширенную конструкцию для целей обработки. 32-канальная конструкция имеет плоскую грань, которая позволяет комбинировать два джига для 64-канального CFEA. Обе диаграммы имеют идентифицирующие структуры, помеченные размерами. Конец разъема указывает местоположение вставки разъема, а каналы GND/REF указывают, где вставлен провод заземления. Воронкообразный бассейн относится к месту, через которое проходят волокна, чтобы быть наложенными УФ-светом отвержденным зубным цементом, а наконечник воронки означает место, откуда волокна выходят из джига. Наконечник воронки разделен на квадранты, чтобы свести к минимуму волокна, цепляющиеся вместе и создающие повреждение. Волокна позже втягиваются в один пучок с использованием зубного цемента. Джиги печатаются на 3D-принтерах с использованием смоляных принтеров SLA. Диаграммы увеличены, чтобы показать детали. (B) Построенный CFEA. Диаграмма имеет идентифицирующие структуры, помеченные метками. Синий наконечник пучка представляет собой сегмент углеродных волокон, которые получают регистрирующие измерения. Серый цвет в воронковом бассейне и вокруг соединителя указывает на зубной цемент, отвержденный ультрафиолетовым светом, который удерживает углеродные волокна на месте в воронковом бассейне и закрепляет соединитель с джигом. Фиолетовый провод представляет собой провод заземления. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig01large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig02.jpg"> Рисунок 2:Загрузка необработанных углеродных волокон в кассеты для покрытия париленом С. (А)Углеродные волокна загружаются на картриджи, наложенные двумя полосками двусторонней ленты (синего цвета). Каждая кассета загружена ~25 волокнами. (B) Кассеты загружаются в держатель лазерной резки (серый) при подготовке к покрытию париленовым C. Каждый вмещает десять кассет. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig02large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig03.jpg"> Рисунок 3:Схема построения пучка микроэлектродной решетки из углеродного волокна (CFEA). (A)16 отдельных углеродных волокон с покрытием (черный) продеты через 32-канальный 3D-печатный джиг (серый). (B)Наконечники из углеродного волокна разрезаются микроножными ножницами, оставляя избыток волокна, равный высоте основания джига, простираясь от основания джига. (C) Стандартная пластиковая зажигалка для искрового колеса быстро пропускается через избыточное волокно для удаления париленовой изоляции C. На схеме в правом верхнем углу показано удаление парилена из 9 из 12 волокон. (D) Волокна повторно вставляются в джиг до тех пор, пока конец волокна не будет заподлицо с основанием. На схеме в правом верхнем углу показана повторная вставка 9 волокон с неизолированными (серыми) наконечниками волокон, размещенными внутри основания джига. Затем джиг переворачивается, и шаги A-D повторяются, чтобы протянуть противоположные 16 каналов. (E) Джиг заполнен зубным цементом для закрепления волокон. Серебряный отпечаток впрыскивается в каждую лунку основания джига. (F) Штекерный разъем вставляется в основание джига. (G)CFEA и скальпель замораживают в морозильной камере при температуре -20 °C. Наконечник массива разрезается на нужную длину, оставляя 32 ровных волокна. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig03large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig04.jpg"> Рисунок 4:Обработка наконечника и гальваническое покрытие. (A)Наконечники электродов сначала помещаются в 0,1 М PBS, где ток пропускается через каждый электрод. Затем наконечники промывают и переносят в позолоченный раствор, где они гальванизируются током. (B) SEM изображения подготовленного углеродного волокна показывают раствор золотого покрытия, сконцентрированный на кончике. Шкала представляет собой значения импеданса 4 мкм.(C)из 168 каналов после первоначальной резки (фиолетовый; 3,11 МОм ± 0,42 МОм, медиана ± SE, n = 168 волокон), впрыска положительного тока (розовый; 1,23 МОм ± 0,36 МОм, медиана ± SE, n = 168 волокон) и гальваническое покрытие (оранжевый; 0,19 МОм ± 0,15 МОм, медиана ± SE, n = 168 волокон) показывают снижение значений импеданса после каждого этапа обработки. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig04large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig05.jpg"> Рисунок 5:Средняя продолжительность гальванического покрытия золота производит небольшие, округлые отложения на кончиках пучков углеродного волокна. Все наконечники из углеродного волокна из разных микроэлектродных массивов, отражающих различную продолжительность впрыскиваемого тока для уменьшения импеданса или позолочения. Изображения дополнительно изображают покрытие parylene C, которое изолирует углеродные волокна и предотвращает любое получение сигнала из места, отличного от кончиков волокон. (A) Сканирующая электронная микроскопия изображения кончиков углеродного волокна после замораживания и выполнения одного разреза лезвием бритвы. Шкала слитков представляет собой 10 мкм. (B) То же, что и A, но затем с последующим впрыском положительного тока в течение 10 с. (C) То же самое, что B, но затем гальванизированное золотом в течение 5 с. (D) То же самое, что B, но затем гальванизированное золотом в течение 15 с. (E) То же самое, что B, но затем гальванизированное золотом в течение 30 с. (F) То же самое, что B, но затем гальванизированное золотом в течение 120 с. Мы обнаружили, что гальваническое покрытие в течение 30 с при токе -0,05 мкА было оптимальным для электрофизиологических записей. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig05large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig06.jpg"> Рисунок 6:Хронические внеклеточные записи в свободно ведущей себя ретросплениальной коре мыши с микроэлектродными массивами углеродного волокна показывают стойкую, стабильную нейронную активность. (A)Одиннадцать следов полосатого напряжения были зарегистрированы одновременно. Последующие следы, записанные с первого канала (верхний ряд), отображаются в B, чтобы показать долговечность во времени. Остальные десять строк демонстрируют согласованность качества записи и показывают надежную активность по всему массиву. Шкала слева от каждого следа представляет потенциал 200 мкВ. (B)Полосовые данные из того же волокна, что и в верхней трассе в A, расширены, чтобы показать надежную активность в течение 120-дневной непрерывной записи. (C)Кластеризация показывает надежное обнаружение одного блока в течение нескольких месяцев. Следы представляют собой среднюю форму сигнала непрерывно наблюдаемой репрезентативной единицы в течение 120 дней, извлеченную из волокна, построенного в B в каждой точке времени. (D) Средние, ненормализованные формы сигналов шипов от C, сложенные для демонстрации согласованности с течением времени. (E)Записи из углеродного волокна демонстрируют стабильный уровень шума в течение многих месяцев. Стандартное отклонение уровня шума (след минус пиковая активность) в B не показывает прогрессивного изменения шума. Бары представляют собой среднее загрязнение. Полосы погрешностей представляют стандартное отклонение. (F)Масштабный рисунок мыши с хронически имплантированным CFEA и головной стадией. (G) След необработанного напряжения (сверху) через 11 месяцев после имплантации показывает надежный LFP. Ленточный след напряжения (внизу) показывает устойчивую нейронную активность. (H)Средняя форма спайкового волна нейрона, записанная на волокне от C, подкрепляемая первыми 1000 случаями всплесков активности. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig06large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig07.jpg"> Рисунок 7:Записи микроэлектродной решетки углеродного волокна (CFEA) из первичной зрительной коры хорька. (A) Формы сигналов шипов, отсортированных одиночных единиц, записанных с 16-канального CFEA. Потенциалы действия отдельных нейронов часто были очевидны на нескольких каналах при слегка отличающихся амплитудах. (B) Кривые настройки направления от выбранных нейронов. Цвета соответствуют записанным единицам измерения в A. Стрелки указывают направление движения стимула. Шкалы шкалы указывают на частоту ответов. Полосы ошибок указывают на средний ответ со стандартной ошибкой. Горизонтальная пунктирная линия представляет спонтанную скорость срабатывания той же ячейки во время воздействия пустого экрана. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig07large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</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

Этот протокол описывает процедуру построения микроэлектродных массивов из углеродного волокна для хронических и острых электрофизиологических записей in vivo у мышей(Mus musculus)и хорьков(Mustela putorius furo) из нескольких областей мозга. Каждый шаг, следующий за покупкой необработанных углеродных волокон для имплантации микроэлектродного массива, подробно описан с акцентом на конструкцию микроэлектродной решетки.

Построение и внедрение микроэлектродных массивов из углеродного волокна для хронических и острых записей in vivo

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

Настольная конструкция, описанная здесь, является одной из немногих доступных в настоящее время электродных технологий, которые позволяют записывать из плотных кластеров нейронов и следовать за многими из этих нейронов с течением времени. Микроэлектродные массивы из углеродного волокна недороги в строительстве. Они маленькие, биосовместимые и двигаются вместе с мозгом, что позволяет вести здоровые и стабильные записи.Углеродные волокна чрезвычайно тонкие, и изначально их очень трудно увидеть. Однако после нескольких дней работы с ними ими становится легче манипулировать. Для начала укладываем кусок двусторонней ленты на две длинные стороны кассеты, выравнивая край ленты с внутренним краем кассеты.Чтобы подготовить инструмент для манипуляций с углеродным волокном, оберните небольшой кусочек клейкой пленки вокруг иглы 30 калибра, чтобы сформировать острую, но гибкую точку с пленкой. Далее отделяют отдельные волокна от обожженного пучка и укладывают их параллельно короткой стороне кассеты, сохраняя расстояние в два-три миллиметра. Обеспечив установку от 20 до 30 волокон на каждую кассету, запечатайте волокна на месте, уложив прозрачную ленту поверх двойной палочной ленты, и поместите заполненные кассеты в держатель кассеты.Чтобы собрать микроэлектродную решетку из углеродного волокна, начните подачу каждого провода заземления через соответствующий канал на соединительном конце джига и продолжайте до тех пор, пока два конца не будут равны по длине. Затем скрутите их вместе, чтобы закрепить их на джиге. Примените зубной цемент, отвержденный УФ-излучением, чтобы закрепить проволоку, гарантируя, что зубной цемент не попадет в открытый канал, откуда проволока подается.Используйте палочку для УФ-отверждения, чтобы вылечить зубной цемент в течение 20 секунд и выровнять джиг и тиски таким образом, чтобы был виден конец соединителя, таз и наконечник воронки. Затем сориентируйте джиг так, чтобы воронка указывала в сторону от пользователя, а соединитель заканчивался лицом к пользователю. Затем сдвиньте наконечник иглы 25 калибра к кассете в потенциальном месте удаления волокна и вырежьте одно углеродное волокно из кассеты.Держите свежеразрезанный свободный конец волокна с помощью инструмента из углеродного волокна и с помощью иглы отрежьте другой конец волокна от кассеты. Затем снова используйте инструмент из углеродного волокна, чтобы поднять углеродное волокно таким образом, чтобы один конец был около одного сантиметра в длину от инструмента. Используйте инструмент из углеродного волокна, прикрепленный к волокну, чтобы подать более короткий конец волокна через кусок воронки из среднего бассейна джига.Продолжайте подавать волокно через воронку джига до тех пор, пока большая часть длины волокна не пройдет. Подайте заднюю часть волокна через доступный канал с помощью инструмента из углеродного волокна. Продолжайте подавать через спину до тех пор, пока около пяти миллиметров волокна не выльется наружу или не разрежьте по размеру, если это необходимо.Чтобы удалить изоляцию на конце разъема, используйте стандартную зажигалку искрового колеса, чтобы пропустить пламя по открытым волокнам, а затем подайте пламенное волокно через джиг, чтобы пламенная часть волокна теперь находилась в канале, гарантируя, что волокна не торчат из задней части джига. Нанесите УФ-отвержденный зубной цемент на тазовые волокна джига, чтобы заполнить весь таз, покрыв отверстия как каналов, так и воронки. После снятия джига с тисков и ориентации джига так, чтобы воронка указывала вниз, закрепите джиг концом разъема, направленным вверх.Заполните иглу серебряным принтом и осторожно вставьте иглу в один канал, пока не остановит зубной цемент. Чтобы заполнить канал краской, медленно нажмите на шприц, снимая иглу с канала, затем окуните аппликатор хлопкового наконечника в разбавитель краски и очистите основание поверхности джига от любой краски. Теперь вставьте разъем головной ступени в правильной ориентации, выровняв контакты с каналами.Как только разъем головной ступени сядет прямо, вертикально и будет как можно более смыт к джигу, закрепите разъем головной ступени на джиг, нанеся зубной цемент вдоль края, где разъем головной ступени встречается с джигом, а затем отвержьте УФ-излучение в течение 20 секунд. Чтобы разрезать наконечник электрода на нужную длину, опустите электрод в стакан с деионизированной или дистиллированной водой до тех пор, пока наконечник воронки не будет полностью погружен и не будет нормально удерживаться на поверхности. Теперь соберите отдельные углеродные волокна вместе, удалив электрод из воды.Уложите электрод так, чтобы волокна лежали заподлицо на направляющей поверхности и разрезайте волокна до нужной длины скальпелем в движении качения, затем прикрепите электрод к многоэлектродному тестеру импеданса с помощью соответствующего адаптера и проверьте импеданс. Теперь опустите наконечник электрода примерно на два миллиметра в микроцентрифужную трубку 0,1 молярного PBS и вставьте заземляющий провод в трубку микроцентрифуги. Чтобы уменьшить импеданс наконечника электрода, вводят положительный ток с выбранной амплитудой и длительностью, а затем промывают волокна в деионизированной или дистиллированной воде для очистки.Далее, чтобы выполнить гальваническое покрытие в позолоченном растворе, опустите наконечник пучка электродов примерно на два миллиметра в микроцентрифужную трубку в гальванической смеси и вставьте заземляющий провод в трубку микроцентрифуги. Затем задайте соответствующие параметры для гальванического покрытия. Тщательно промойте волокна деионизированной или дистиллированной водой после гальванического покрытия.На репрезентативном SEM изображении подготовленного углеродного волокна был показан позолоченный раствор, сконцентрированный на кончике. Гальваническое покрытие волокна золотом приводило к уменьшению импедансов, пригодных для записи. Значения импеданса от 300 каналов после первоначальной резки, впрыска положительного тока и гальванического покрытия показали снижение значений импеданса после каждого этапа обработки.Умеренная продолжительность гальванического покрытия золота привела к появлению небольших и округлых отложений на кончиках пучков углеродного волокна. Кроме того, проанализирована стабильная 64-канальная электрофизиологическая активность в ретросплениальной коре свободно ведущего себя взрослого самца мыши. Результаты продемонстрировали постоянство качества записи, надежное обнаружение одного блока, согласованность во времени, как показывают ненормализованные формы сигналов шипов, и стабильный уровень шума.Кроме того, исходное напряжение, отслеживаемое через 11 месяцев после имплантации, показало надежный потенциал локального поля. Здесь также показан репрезентативный пример острой 16-канальной микроэлектродной решетки из углеродного волокна, полученной из первичной зрительной коры взрослой самки хорька. Микроэлектродные массивы углеродного волокна позволяют кратковременно или хронически регистрировать близлежащие нейроны в мозге в течение длительных периодов времени, что важно для понимания нейронных цепей.

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

Высокая плотность ЭЭГ Записи свободно движущихся мышей использованием полиимида основе Микроэлектродные

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

Функциональные нейровизуализации с использованием ультразвуковых Гематоэнцефалический Разрушение барьеров и марганца-МРТ

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

Проектирование и монтаж Сверхлегкий моторизованная Microdrive при хронических нейронных Recordings у мелких животных

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

Двойной Электрофизиологические Записи синаптически-вызванных астроглиального и нейрональных ответов, при остром срезов гиппокампа

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

Волоконно-оптические имплантации для хронической стимуляции Optogenetic ткани головного мозга

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

острый<em&gt; В Виво</em&gt; Электрофизиологические записи локальных полевых потенциалов и многоуровневой активности по пути гиперперспекции у анестезированных крыс

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

Запись и модуляция активности эпилептиформный ломтиками грызунов мозга в сочетании с микроэлектродные массивы

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

Хроническая имплантация нескольких гибких полимерных электродов

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

Стереотаксическая хирургия для имплантации микроэлектродных массивов в общем Мармосете (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

Подготовка острых человеческих гиппокампа для электрофизиологических записей

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 ...