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

Greg Guitchounts'a elektrot tasarımı ve yapımı konusunda rehberlik yaptığı için ve Tim Gardner'a laboratuvarını ve tesislerini bize açtığı için teşekkür ederiz. Christos Michas'a Biyo-Arayüz ve Teknoloji çekirdek tesisinde PDS kullanımına yaptığı yardım için ve Neil Ritter, Jon Spyreas ve David Landesman'a 16 kanallı jig'in erken sürümlerini tasarlamadaki yardımları için teşekkür ederiz. Tim Cavanaugh'a Harvard Nano ölçekli sistemler merkezinde SEM görüntüleme konusundaki yardımı için teşekkür ederiz.

<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>

Yazarlar finansal çıkar çatışması olmadığını beyan eder.

Bu protokol, hem akut hem de kronik kullanım için işlevsel bir CFEA oluşturmak için gerekli her adımı açıklar. Açıklanan süreç araştırmacının ihtiyaçlarına göre özelleştirilebilir, bu da onu aylar boyunca tek nöronları izlemek için erişilebilir ve ucuz bir seçenek haline getirir. Protokol, uyuşturulmış bir hayvana implantasyondan sonraki dakikalar içinde ve uyanık, davranışlı bir hayvanda dört ay boyunca hem sağlam tek ünite aktivitesinin kaydedilme fizibilitesini gösterir ve bu CFEA'ların sinirsel yanıtlardaki kısa süreli ve uzun vadeli değişiklikleri inceleme potansiyelini göstermektedir.
Açıklanan protokolün adımları, aylar boyunca net tek birimleri yoğun ve kesin bir şekilde kaydetme yeteneğine sahip, düşük marjinal maliyetle (< 100,00 $) hızlı bir şekilde tamamlanabilecek verimli bir prosedür sağlamak için zaman içinde kapsamlı bir şekilde test edilmiş ve geliştirilmiştir. İnşaat adımları bir günden daha kısa bir sürede tamamlanabilir ve önde gelen herhangi bir ticari diziyle karşılaştırılabilir elektrofizyolojik sinyaller üretecektir. CFEA'lar ayrıca benzer ticari dizilerden çok daha küçük bir ayak izine (16 kanallı lif demeti ~ 26 μm çapa sahiptir) sahiptir ve biyouyumlulukları onları uzun süreli kullanım için uygun hale getirir13. Daha da önemlisi, benzer performansa sahip işleyen bir CFEA üretmek için izlenmesi gereken birkaç kritik adım ve talimat vardır.
Karbon fiberlerin kırılganlığı nedeniyle, son derece dikkatli bir şekilde ele alınmalıdır. Bunları keskin kanatlarla veya diğer aletlerle işlemek liflerin kırılmasına neden olabilir. Ek olarak, CTA'ları sınırlı hava hareketine sahip bir alanda inşa etmek önemlidir, böylece lifler patlamaz. Liflerin arka kısmını alevlerken, çakmağın sadece yaklaşık 1 sn boyunca çok kısa bir süre ileri geri hareket etmesi gerekir. İzolasyonun bu şekilde kaldırılmasını takip eden adımlar, çalışma kanallarına sahip bir elektrot oluşturmak için çok önemlidir. Alevli uçlar, herhangi bir ek temas olmadan jig içine beslenmelidir. Daha sonra, havzayı diş çimentosu ile doldururken, çimentonun dikkatlice uygulanması ve kanalları ve huni havzasını tamamen doldurması, açıklıkları doldurmadan kapatması önemlidir. Diş çimentosu devam etmeden önce UV ışığı ile tamamen iyileştirilmelidir. Bu tamamlandıktan sonra, gümüş boya tamamen dolana kadar her kanala enjekte edilmeli, ancak dökülmemelidir. Bu, işlemdeki en değişken adımdır. Herhangi bir aşırı doldurma kanallar arasında çapraz konuşma üretebilir ve yetersiz doldurma bağlantı hatasına neden olabilir. 25 G'lık bir iğne kullanarak gümüş boya enjekte edemezse, çözeltinin çok viskoz olması ve bu durumda daha akışkan bir çözelti oluşturmak için az miktarda boya tinerinin eklenmesi muhtemeldir. Tüm kanallar doldurulduktan ve baş sahne konektörü yerleştirildikten sonra, konektörü diş çimentosu ile sabitlemeden önce dizinin 24 saat boyunca kürlemesine izin vermek önemlidir. Bunu yapmamanın bağlı kanalların sayısını düşürdüğünü gördük. Sinyal alma sistemiyle etkileşime girdiğinde konektörün bağlantısının kesilmemesi için bol miktarda diş çimentosu uygulamak da önemlidir. Ayrılırlarsa, kanalların tekrarlanan gümüş boya ile doldurulmasıyla yeniden bağlanmayı denemek mümkündür, ancak kullanıcı bağlı kanalların sayısını değerlendirmek için CFEA'nın empedans değerlerini test etmelidir. Diş çimentoslarının bir gecede tedavi edilmesine izin vermek de olası kopuşun önlenmesine hizmet eder.
Elektrodun empedansının ölçülmesi bağlı kanalların doğru bir tahminini sağlayacaktır. Bu, zemini ve referans tellerini ve PBS'deki karbon fiber uçları batırdıktan sonra yapılabilir. Yüksek empedans (>15 MΩ) açık, bağlantısız bir kanalın göstergesi olduğunu gözlemledik. Akım ve elektrolizleme enjekte etmeden önce, bağlı bir kanal bu işlemle önemli ölçüde azalması gereken bir dizi empedans değerine sahip olabilir. 16 kanallı elektrot başına ortalama bağlı kanal sayısı (akım enjeksiyonundan sonra empedans < 4 MΩ) 12,96 ± 2,74 (ortalama ± SD; N = 48 elektrot). Bir dizi elektrolizleme süreleri test edildi ve 30 s kayıt siteleri arasında üstün sinyal yalıtımı üretti (Şekil 5). PEDOT-pTS12, 24,25,26ve PEDOT-TFB21'in karbon fiber kayıt alanlarını hazırlamak için güvenilir seçenekler sunduğu iyi tespit edilmiş olsa da, kronik implantasyon için elektrotların elektrolizlenmesi için kanıtlanmış ve güvenilir bir yöntem olan altın kaplamanın27,28 , implantasyon kolaylığını artırdı ve elektrot uçlarının bir araya topaklanmasını önledi. Ortalama 0,2 MΩ'den daha az nihai empedans değerleri üretirken, bu yöntem PEDOT-TFB21 ve PEDOT-pTS26kullanılarak elde edilen değerlerle karşılaştırılabilir.
Mikroelekrod dizisini yerleştirirken, karbon fiber uçlarının mikroskop altına yerleştirilmesini görsel olarak takip etmek önemlidir. Liflerin bükülmemesi olmadan başarılı yerleştirme belirgin olmalıdır. Lifler bükleniyor gibi görünüyorsa, beyne başarılı bir şekilde girmeleri olası değildir. Bu durumda, probun açısı ikinci bir deneme için ayarlanmalıdır. Bu işlem, probun eklenmesi başarılı olana kadar devam edebilir. Elektrot istenen derinliğe geldikten sonra, en az 30 dakika beklemenin probun optimum sinyal alımına (akut kayıtlar) razı olmasını sağlayacağını bulduk.
Açıklanan CFEA'lar, küçük ayak izlerine ve biyouyumlanabilirliklerine ek olarak, inşaat kolaylığı ve düşük maliyeti nedeniyle ticari dizilere sağlam, özelleştirilebilir bir alternatif sunar. Bu protokolde ayrıntılı olarak açıklanan CFA'lar için en büyük sınırlama ölçeklenebilirlikleridir. Yapımlarının manuel doğası nedeniyle, yüzlerce kayıt sitesiyle tasarımlara kadar ölçeklendirme pratik olmayabilir. Ayrıca, nanoteknoloji kullanarak mikroelekrod dizi imalatındaki gelişmeler, burada açıklanan yöntemlerden daha büyük ölçekli popülasyon kayıtlarına olanak sağlayacaktır. Bununla birlikte, bu protokol, karbon fiber elektrotların tezgah üstü imalatı ile ilgilenen laboratuvarlara CFEA erişilebilirliği sağlar. 120 günlük kronik deneyler süresince spike genliğinde stabilite kaybı veya sağlamlık azalması gözlemlemedik, bu zaman ölçeğindeki gözlemlerimizin tipik temsili tek bir kanalda belirtildiği gibi (Şekil 6A-E). Ek olarak, CFEA'lar kalıcı tek ünite aktivite kapasitesini gösterir, çünkü dört tek ünite fareye implantasyondan 11 ay sonra ayırt edilebilir kalmıştır (Şekil 6G, H). Tek nöronların kısa süreler içinde incelenmesi için diğer birçok ticari elektrota göre avantaj sağlayan kararlı, tek üniteli kayıtları akut olarak elde etmek de mümkündür (Şekil 7). Gelecekte, minimum çapa sahip bu tür esnek, biyouyumlu probların geliştirilmesi karmaşık süreçlerin incelenmesini sağlayacaktır. Bu araçlar, sürekli, uzun vadeli stabilite gerektiren beyin-makine arayüzlerindeki (BMI' ler) uygulamalar da dahil olmak üzere sinir teknolojisinin geliştirilmesinde önemli bir yardımcı program sağlayacaktır29.

Elektrotlar ve elektrot dizileri, beynin nöronal düzeyde bilgiyi nasıl işlerdiğini anlamak için değerli araçlardır. Elektrofizyolojik kayıtlar iki yüzyılı aşkın bir süredir ulaşılabilir olsa da1, tüm sinir devrelerinin aktivitesini, bireysel nöronların sıçramasını yakalamak için gereken mekansal ve zamansal çözünürlükte aynı anda ölçmek hala mümkün değildir. Elektroensefalografi2, pozitron emisyon topografyası3ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme4 gibi invaziv olmayan yöntemler tüm beyin ölçümlerine izin verse de, nöral devrelerin aktivitesini çözmek için gerekli mekansal ve zamansal çözünürlüğe ulaşamazlar2,5. Buna karşılık, voltaja duyarlı boyalar veya genetik olarak kodlanmış kalsiyum göstergeleri kullanılarak optik görüntüleme gibi görüntüleme yöntemleri tek birimli uzamsal çözünürlük elde edebilir, ancak düşük zamansal çözünürlük ve zayıf seçicilik3, 4,5,6gibi sorunlar oluşturur. Elektrik kayıtları bu yöntemlere güçlü bir alternatiftir. Kayıt elektrotları benzersiz zamansal çözünürlük sağlar ve kullanıcının beynin herhangi bir bölgesinde çivi zamanı hassasiyetiyle ölçümler yapmasına izin verir7. Ek olarak, kronik olarak implante edilmiş multielekrod dizileri (MEA'lar),8,9aylarına kadar bir süre boyunca hayvanların davranışlarında büyük ölçekli (on ila yüzlerce hücre), tek hücreli kayıtlar sağlar. Bununla birlikte, daha yüksek yoğunluklarda kayıt yapan silikon problar büyük bir ayak izine sahiptir ve oldukça invazivdir ve kronik olarak implante edilmiş diziler genellikle iltihap yanıtı, doku kapsülleme ve nöronal ölüm10 , 11,12,13oluşturur.
Mevcut elektrotların sınırlamaları, istikrarlı, yüksek çözünürlüklü, uzun süreli kayıtlara izin veren son yeniliklerle sonuçlandı. Tipik elektrotlar tungsten veya platin-iridyum gibi metalik bir iletkenden oluşur veya silikon veya polimer bazlıdır. Metal bazlı mikrotel dizileri uzun süreli, istikrarlı kayıtları koruyabilirken, tek bir tel çapı 10-200 μm14arasında değişen çok daha büyük bir ayak izine sahiptir. Buna karşılık, silikon bazlı elektrot dizileri yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip kayıtlar verir, ancak nispeten sert tasarımları nedeniyle, genellikle aynı nöronlardan gelen sinyali ve kaydı aylar boyunca koruyamazlar15. Silikon tabanlı dizilerdeki son gelişmeler, kronik kayıtları güvenilir bir şekilde gerçekleştirebilen elektrotlarla sonuçlandı, ancak bu diziler daha büyük hayvanlarda derin beyin bölgelerinden kayıt yapmak için kullanılamaz ve doğrusal kayıtlar için tasarlanmıştır9. Polimer dizilerindeki gelişmeler, esnekliğin artmasına ve tek ünitelerin kayıt stabilitesinin artmasına neden oldu ve yakın gelecekte yüksek yoğunluklu kayıtlar için potansiyelsunuyor,ancak şu anda sınırlı kullanılabilirlikile 8,16,17. Karbon fiberler, burada açıklanan raf dışı malzemelerle yüksek yoğunluklu kayıtlara izin verir.
Karbon fiber kayıt mikroelekrodları on yıllardır kullanılmaktadır ve ilk karbon fiber elektrotlar bir cam mikropipette içine yerleştirilmiş tek bir karbon fiberden oluşandır. Bu mikroelekrodlar tek üniteli hücre dışı kayıtlar için kullanıldı ve sinyal-gürültü oranı en iyi camdaki tungsten mikroelekrodlarla karşılaştırılabilir olmasına rağmen, esneklikleri, daha düşük empedans değerleri ve18,19üretme basitliği nedeniyle avantajlıydılar. Karbon fiber elektrot dizileri geliştirme çabaları, karbon fiberlerin biyosensör yetenekleri nedeniyle son zamanlarda hızlandırılmıştır. Artan biyouyumluluklarına ve olağanüstü elektrik iletkenliklerine ek olarak, yüksek sıcaklık direnci, düşük bağıl yoğunluk, yüksek çekme mukavemeti, düşük bükülme sertliği, yüksek algılama hassasiyeti ve küçük bir kesit alanı10,12dahil olmak üzere benzersiz bir özellik kümesine sahiptirler. Tüm bu özellikler, tek nöronların kronik, kararlı, yüksek verimli kayıtlarını kolaylaştıran karbon fiber mikroelekrod dizilerinin (CFEA' lar) geliştirilmesini motive etmiştir. Bu tür CFEA'lar artık elle üretilebilir20,21 ( Şekil1), aylarca tek nöronları tutabilen mikroelektod dizileri verir. Burada açıklanan, iki türdeki bireysel nöronların akut ve kronik kayıtları için iki şekilde uyarlanmış CFEA'lar için erişilebilir bir inşaat sürecidir.

<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

Çok kanallı elektrot dizileri çalışan beyin hakkında fikir verir ve tek hücreli ve devre seviyelerinde sinirsel süreçleri aydınlatmaya yarar. Bu araçların geliştirilmesi karmaşık davranışları ve bilişi anlamak ve klinik uygulamaları ilerletme için çok önemlidir. Bununla birlikte, uzun zaman dönemlerinde hücre popülasyonlarından sürekli olarak ve sürekli olarak yoğun bir şekilde kayıt yapmak zor olmaya devam etmektedir. Tetrotlar ve silikon diziler gibi birçok popüler elektrot, ekleme sırasında hasar üreten ve nöronal ölümle ilişkili kronik reaktif doku yanıtlarını ortaya çıkararak kararlı, sürekli sinirsel aktivitenin kaydedilini engelleyen büyük çapraz çaplara sahiptir. Buna ek olarak, çoğu tel demeti kanallar arasında geniş aralıklar sergiler ve küçük bir alanda kümelenmiş çok sayıda hücreden eşzamanlı kaydı önler. Bu protokolde açıklanan karbon fiber mikroelekrod dizileri bu endişelere erişilebilir bir çözüm sunar. Çalışma, in vivo hem akut hem de kronik kayıtlar için kullanılabilecek karbon fiber mikroelekrod dizileri oluşturmak için ayrıntılı bir yöntem sunmaktadır. Bu elektrotların fiziksel özellikleri, onları yüksek hücre yoğunluklarında istikrarlı ve sürekli uzun süreli kayıtlar için ideal hale getirir ve araştırmacının aylar boyunca tek ünitelerden sağlam, net kayıtlar yapmasını sağlar.

Bu protokolün tamamlanmasıyla, tek birimli spiking aktivitesinin istikrarlı kayıtları mümkün olacaktır. Bu mikroelekrod dizileri, araştırmacının ihtiyaçlarına göre malzeme, kanal sayısı ve baş sahne adaptöründe özelleştirilebilir. Altın kaplama lifleri kayıt için uygun empedansların azalmasına neden olur (Şekil 4 ve Şekil 5). Kullanıcı kronik olarak kayıt yapmak istiyorsa, hayvan cerrahi işlemden çıktıktan sonra ölçümler yapılabilir. Kronik prosedürler en az 120 gün boyunca istikrarlı, tek üniteli kayıtlarla sonuçlandı. Şekil 6'da,özgürce davranan yetişkin bir erkek farenin retrosplenial korteksinde kararlı 64 kanallı elektrofizyolojik aktiviteyi gösteren temsili bir kayıt gösterilmiştir. Akut bir hazırlık amaçlanıyorsa, kayıtlar implantasyondan kısa bir süre sonra başlayabilir (~30 dk). Bu, elektrodun beyne yerleşmesine zaman sağlayacaktır. Şekil 7, yetişkin bir dişi gelinciğin birincil görsel korteksinden elde edilen akut 16 kanallı CFEA kaydının temsili bir örneğini sunmaktadır. Fare ve gelincikte sivri sıralama, sivri sıralama yazılımı ile gerçekleştirildi (bkz. Malzeme Tablosu).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig01.jpg"> Şekil 1: 16 ve 32 kanallı karbon fiber mikroelekrod dizilerinin (CFEAs) anatomisi( A) Üç farklı görünümden 32 kanallı (üst) ve 16 kanallı (altta) CFEA şemaları. 16 kanallı CFEA, kullanım amaçları için genişletilmiş bir tasarıma sahiptir. 32 kanallı tasarım, 64 kanallı cfea için iki jig'in birleştirilmesine izin veren düz bir yüze sahiptir. Her iki diyagramda da boyutlar ile etiketlenmiş tanımlayıcı yapılar vardır. Bağlayıcı ucu bağlayıcı eklemenin konumunu, GND/REF kanalları ise topraklama telinin nereye yerleştirildiğini gösterir. Huni havzası, liflerin UV ışıkla kürlenmiş diş çimentosu ile kaplanmak için geçtiği yeri ifade eder ve huni ucu, liflerin jig'den çıktığı yeri ifade eder. Huni ucu, birbirine yapışan ve hasar yaratan lifleri en aza indirmek için kadranlara ayrılır. Lifler daha sonra diş çimentosu kullanılarak tek bir demet halinde çekilir. Jig'ler SLA reçine yazıcıları kullanılarak 3D yazdırılır. Diyagramlar ayrıntıları göstermek için büyütülür. (B) CFEA inşa edilmiştir. Diyagramda etiketlenmiş tanımlayıcı yapılar vardır. Mavi demet ucu, kayıt ölçümleri elde eden karbon fiberlerin segmentini temsil eder. Huni havzası içindeki ve konektörü çevreleyen gri, huni havzasında karbon liflerini yerinde tutan ve konektörü jig'e sabitleyen UV ışıkla kürlenmiş diş çimentosunun göstergesidir. Mor tel topraklama telini temsil eder. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig01large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig02.jpg"> Şekil 2: Ham karbon fiberlerin parilen C kaplama için kasetlere yüklenmesi. (A) Karbon fiberler, iki çift taraflı bant (mavi) şeridi ile kaplanmış kartuşlara yüklenir. Her kaset ~25 lif ile doludur. (B) Kasetler, parilen C kaplamaya hazırlık olarak lazer kesim tutucuya (gri) yüklenir. Her birinde on kaset var. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig02large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig03.jpg"> Şekil 3: Karbon fiber mikroelekrod dizisi (CFEA) demet yapı şeması. (A) 16 ayrı, kaplanmış karbon fiberler (siyah) 32 kanallı 3D baskılı jig (gri) üzerinden geçirilür. (B) Karbon fiber uçları mikro makasla kesilir, fazla lif jig tabanının yüksekliğine eşit bırakarak jig tabanının dışına uzanır. (C) Parilen C yalıtımını kaldırmak için standart bir plastik kıvılcım tekerleği çakmağı, fazla lifin üzerinden hızla geçirilir. Sağ üst şema, parilenin 12 lifin 9'undan çıkarıldığını gösterir. (D) Lif ucu tabanla yıkanana kadar lifler jig içine yeniden takılır. Sağ üst şema, jig tabanının içinde bulunan yalıtımsız (gri) lif uçları ile 9 lifin yeniden yüklenmesini gösterir. Jig daha sonra ters çevrilir ve A-D adımları karşı 16 kanalı akıtmak için tekrarlanır. (E) Jig, lifleri sabitlemek için diş çimentosu ile doldurulur. Jig tabanının her kuyusuna gümüş baskı enjekte edilir. (F) Erkek konnektör jig tabanına yerleştirilir. (G) CFEA ve neşter -20 °C dondurucuda dondurulur. Dizi ucu istenen uzunluğa kesilir ve 32 eşit lif bırakır. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig03large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig04.jpg"> Şekil 4: Uç tedavisi ve elektrolizleme. (A) Elektrot uçları ilk olarak her elektrottan akımın geçirildiği 0,1 M PBS'ye yerleştirilir. Uçlar daha sonra durulanır ve akımla elektroliz haline geldikleri altın kaplama çözeltisine aktarılır. (B) Hazırlanan karbon fiberin SEM görüntüleri ucunda yoğunlaşmış altın kaplama soluyu göstermektedir. Ölçek çubuğu, ilk kesimden sonra 168 kanaldan 4 μm. (C) Empedans değerlerini temsil eder (mor; 3,11 MΩ ± 0,42 MΩ, ortanca ± SE, n = 168 lif), pozitif akım enjeksiyonu (pembe; 1.23 MΩ ± 0.36 MΩ, ortanca ± SE, n = 168 fiber) ve elektrolizleme (turuncu; 0.19 MΩ ± 0.15 MΩ, ortanca ± SE, n = 168 fiber) her işlem adımından sonra empedans değerlerinin azaldığını gösterir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig04large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig05.jpg"> Şekil 5: Orta derecede altın elektrolizleme süreleri karbon fiber demet uçlarında küçük, yuvarlatılmış tortular üretir. Resimdeki karbon fiber uçlarının tümü, empedans azaltma veya altın kaplama için enjekte edilen akımın farklı sürelerini yansıtan farklı mikroelekrod dizilerindendir. Görüntüler ayrıca karbon fiberleri yalıtan ve liflerin uçları dışında bir yerden sinyal alınmasını önleyen parilen C kaplamasını tasvir eder. (A) Karbon fiber uçların elektron mikroskopi görüntüsünü dondurduktan ve jiletle tek bir kesim yaptıktan sonra tarama. Ölçek çubukları 10 μm'dir. (B) A ile aynı ama daha sonra 10 s için pozitif akım enjeksiyonu ile takip. (C) B ile aynı ama daha sonra 5 s için altın ile elektroliz. (D) B ile aynı ama daha sonra 15 s. (E) Altın ile elektroliz, ancak daha sonra 30 s. (F) B ile aynı altın ile elektroliz ama daha sonra 120 s için altın ile elektroliz. -0.05 μA akımda 30 sn elektrolizlemenin elektrofizyolojik kayıtlar için en uygun olduğunu gördük. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig05large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig06.jpg"> Şekil 6: Karbon fiber mikroelektod dizilimi ile serbestçe davranan fare retrosplenial korteksteki kronik hücre dışı kayıtlar kalıcı, kararlı sinirsel aktivite göstermektedir. (A) Aynı anda on bir bantlı voltaj izi kaydedilmiştir. İlk kanaldan (üst satır) kaydedilen sonraki izlemeler, zaman içinde dayanıklılığı göstermek için B'de çizilir. Kalan on satır kayıt kalitesinin tutarlılığını gösterir ve dizi genelinde sağlam etkinlik gösterir. Her izlemenin solundaki ölçek çubuğu 200 μV'lik bir potansiyeli temsil eder. (B) A'daki üst iz ile aynı fiberden bantlanmış veriler, 120 günlük sürekli kayıt boyunca sağlam bir aktivite gösterecek şekilde genişletildi. (C) Kümeleme, aylar boyunca sağlam tek birim algılamasını ortaya koymaktadır. İzler, her zaman noktasında B'de çizilen fiberden çıkarılan 120 gün boyunca sürekli gözlemlenebilir temsili tek bir ünitenin ortalama dalga biçimini temsil eder. (D) Zaman içinde tutarlılık göstermek için C'den istiflenmiş ortalama, normalleştirilmemiş ani dalga formları. (E) Karbon fiber kayıtları aylar boyunca sabit bir gürültü zemini göstermektedir. B'deki gürültü tabanının standart sapması (iz eksi sıçrama aktivitesi) gürültüde aşamalı bir değişiklik göstermiyor. Çubuklar ortalama kontaminasyonu temsil eder. Hata çubukları standart sapmayı temsil eder. (F) Kronik olarak yerleştirilmiş bir CFEA ve baş kulis ile bir farenin çizimini ölçeklendirin. (G) İmplantasyondan 11 ay sonra ham voltaj izi (üstte) sağlam LFP gösterir. Bantlı voltaj izi (altta) sabit sinirsel aktivite gösterir. (H) C'den lif üzerinde kaydedilen nöronun ortalama ani dalga formu, ilk 1.000 spiking aktivitesi insidansı ile alttan alınır. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig06large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62760/62760fig07.jpg"> Şekil 7: Gelincik birincil görsel korteksinden karbon fiber mikroelekrod dizisi (CFEA) kayıtları. (A) 16 kanallı CFEA'dan kaydedilen sivri sıralanmış tek ünitelerin dalga formları. Tek nöronlardan kaynaklanan eylem potansiyelleri genellikle birden fazla kanalda biraz farklı genliklerde belirgindi. (B) Seçilen nöronlardan yön ayarlama eğrileri. Renkler A'da kaydedilen birimlere karşılık gelir. Oklar uyaran hareketinin yönünü gösterir. Ölçek çubukları yanıt oranını gösterir. Hata çubukları, standart hatayla ortalama yanıtı gösterir. Yatay kesikli çizgi, boş bir ekrana maruz kalma sırasında aynı hücrenin kendiliğinden ateş etme hızını temsil eder. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62760/62760fig07large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</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

Bu protokol, birden fazla beyin bölgesinden fare(Mus musculus)ve gelincikte(Mustela putorius furo) kronik ve akut in vivo elektrofizyolojik kayıtlar için karbon fiber mikroelektrod dizileri oluşturmak için bir prosedür açıklanmaktadır. Mikroelekrod dizisi implantasyonuna ham karbon fiberlerin satın alınmasını takiben atılan her adım, mikroelekrod dizisi yapımına vurgu yaparak ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

Kronik ve Akut In Vivo Kayıtlar için Karbon Fiber Mikroelekrod Dizilerinin yapımı ve uygulanması

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

Burada açıklanan tezgah üstü yapı, yoğun nöron kümelerinden kayıtlara izin veren ve zaman içinde bu nöronların çoğunu takip eden şu anda mevcut birkaç elektrot teknolojisinden biridir. Karbon fiber mikroelekrod dizileri oluşturmak için ucuzdur. Küçükler, biyouyumlular ve beyinle hareket ediyorlar, bu da sağlıklı ve istikrarlı kayıtlara izin veriyor.Karbon fiberler son derece incedir ve başlangıçta görülmesi çok zordur. Ancak, onlarla birkaç gün çalıştıktan sonra, manipüle etmek daha kolay hale gelir. Başlangıç olarak, kasetin iki uzun tarafına bir parça çift taraflı bant sererek bandın kenarını kasetin iç kenarıyla hizalayın.Karbon fiber manipülasyon aracı hazırlamak için, küçük bir yapışkan film parçasını 30 kalibrelik bir iğnenin etrafına sarın ve filmle keskin ama esnek bir nokta oluşturun. Daha sonra, tek tek lifleri pişmiş demetten ayırın ve iki ila üç milimetre mesafeyi koruyarak kasetin kısa tarafına paralel olarak yerleştirin. Her kasete 20 ila 30 lif takılmasını sağladıktan sonra, çift çubuk bandın üzerine şeffaf bant döşeyerek lifleri yerine kapatın ve doldurulmuş kasetleri kaset tutucuya yerleştirin.Karbon fiber mikroelekrod dizisini monte etmek için, her topraklama telini jig'in konektör ucundaki uygun kanaldan beslemeye başlayın ve iki ucu eşit uzunluğa gelene kadar devam edin. Sonra onları bir araya getirerek onları birleştirin. Telin beslendiği yerden açık kanal içinde herhangi bir diş çimentosu almamasını sağlarken teli sabitlemek için UV ile kürlenmiş diş çimentosu uygulayın.Diş çimentosunu 20 saniye boyunca iyileştirmek için UV kür asasını kullanın ve jig ve mengeneyi konektör ucu, havza ve huni ucu görünür olacak şekilde hizalayın. Ardından, huninin kullanıcıdan uzağa işaret edip bağlayıcının kullanıcıya dönük olarak sona ermesi için jig'i yönlendirin. Ardından 25 kalibrelik iğne ucunu potansiyel fiber çıkarma yerindeki kasete doğru kaydırın ve kasetten tek bir karbon fiber kesin.Bir karbon fiber aracı kullanarak ve iğneyi kullanarak lifin taze kesilmiş serbest ucunun tutun, lifin diğer ucunun kasetten uzağa kesilmesini bekleyin. Daha sonra karbon fiberi almak için karbon fiber aracını tekrar kullanın, böyle şekilde bir ucu aletten yaklaşık bir santimetre uzunluğundadır. Fiberin daha kısa ucunun, jig'in orta havzasından huni parçasından beslenmesi için fibere bağlı karbon fiber aracını kullanın.Lif uzunluğunun çoğu geçene kadar lifi jig hunisi ile beslemeye devam edin. Karbon fiber aracını kullanarak lifin arka kısmını mevcut bir kanaldan besleyin. Yaklaşık beş milimetre lif dışarı çıkana veya gerekirse boyuta göre kesilene kadar arkadan beslenmeye devam edin.Konektör ucundaki yalıtımı kaldırmak için, alevi maruz kalan liflerin üzerinden geçirmek için standart bir kıvılcım tekerleği çakmak kullanın, ardından alevli lif kısmının artık kanal içinde olmasını sağlarken, hiçbir lifin jig'in arkasından yapışmamasını sağlamak için alevli elyafı jig'den besleyin. Tüm havzayı doldurmak için jig'in havza liflerine UV ile kürlenmiş diş çimentosu uygulayın, hem kanalların hem de hunilerin açıklıklarını kaplar. Jig'i mengeneden çıkardıktan ve huninin aşağıyı işaret etmesi için dolaboyu yönlendirdikten sonra, jig'i konektör ucu yukarı bakacak şekilde sabitleyin.İğneyi gümüş baskı ile doldurun ve diş çimentosu tarafından durdurulana kadar iğneyi dikkatlice tek bir kanala yerleştirin. Kanalı boya ile doldurmak için, iğneyi kanaldan çıkarırken şırıngayı yavaşça bastırın, ardından bir pamuk ucu aplikatörünü tiner içine daldırın ve herhangi bir boyanın jig yüzeyinin tabanını temizleyin. Şimdi pimleri kanallarla hizalayarak baş sahne konektörünü uygun yönde yerleştirin.Baş sahne konektörü düz, dik oturduktan ve jig'e mümkün olduğunca yıkandıktan sonra, baş sahne konektörünün jig ile buluştuğu kenar boyunca diş çimentosu uygulayarak baş sahne konektörünü jig'e sabitleyin, ardından UV kürünü 20 saniye boyunca. Elektrot ucunu istenen uzunluğa kesmek için, huni ucu tamamen suya batırılıp yüzeye normal tutulana kadar elektrodu deiyonize veya damıtılmış bir su kabına haline haline getirin. Şimdi elektrodu sudan çıkararak bireysel karbon fiberleri bir araya getirin.Elektrodu, liflerin kılavuz yüzeye floş olarak döşenmesi için döşeyin ve lifleri yuvarlanan bir hareketle neşterle istediğiniz uzunluğa kesin, ardından elektrodu uygun adaptörü kullanarak multielekrod empedans test cihazına takın ve empedansı test edin. Şimdi elektrot ucunu yaklaşık iki milimetre 0,1 molar PBS'lik bir mikrosantrifüj tüpüne küçümse ve topraklama telini mikrosantrifüj tüpüne yerleştirin. Elektrot ucunun empedansını azaltmak için, seçilen genlik ve süre ile pozitif bir akım enjekte edin ve ardından temizlemek için lifleri deiyonize veya damıtılmış suda durulayın.Daha sonra, altın kaplama çözeltisinde elektroliz işlemi yapmak için, elektrot demeti ucunu kaplama karışımındaki mikrosantrifüj tüpüne yaklaşık iki milimetre küçümseyin ve topraklama telini mikrosantrifüj tüpüne yerleştirin. Ardından elektrolizleme için uygun parametreleri ayarlayın. Elektrolizlemeden sonra lifleri deiyonize veya damıtılmış su ile iyice durulayın.Hazırlanan karbon fiberin temsili SEM görüntüsü, uçta yoğunlaşmış bir altın kaplama çözeltisi gösterdi. Altınla fiber elektrolizleme, kayda uygun empedansların azalmasına neden oldu. İlk kesim, pozitif akım enjeksiyonu ve elektrolizlemeden sonra 300 kanaldan empedans değerleri, her işlem adımından sonra empedans değerlerinin azaldığını gösterdi.Orta derecede altın elektrolizleme süreleri, karbon fiber demet uçlarındaki küçük ve yuvarlatılmış tortuları üretti. Ek olarak, serbestçe davranan yetişkin bir erkek farenin retrosplenial korteksinde kararlı 64 kanallı elektrofizyolojik aktivite analiz edildi. Sonuçlar kayıt kalitesinin tutarlılığını, sağlam tek birim algılamayı, normalleştirilmemiş ani dalga formlarının gösterdiği gibi zaman içinde tutarlılığı ve kararlı gürültü zeminini gösterdi.Ayrıca, implantasyondan 11 ay sonra izlenen ham voltaj sağlam yerel alan potansiyeli göstermiştir. Yetişkin bir dişi gelinciğin birincil görsel korteksinden elde edilen akut 16 kanallı karbon fiber mikroelektod dizi kaydının temsili bir örneği de burada gösterilmiştir. Karbon fiber mikroelekrod dizileri, sinir devrelerini anlamak için gerekli olan uzun süreler boyunca beyindeki yakındaki nöronların kısa süreli veya kronik olarak kaydedilmasına izin verir.

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

Poliimid-temelli Mikroelektrod kullanarak Serbestçe Hareketli Fare Yüksek yoğunluklu EEG Kayıtlar

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

Ultrasonik Kan-beyin bariyeri bozulması ve Manganez kontrastlı MRG kullanma İşlevsel beyin görüntüleme

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

Küçük Hayvanlar Kronik Sinir Kayıtlar için Ultra-hafif Motorlu Microdrive Tasarımı ve Montajı

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

Akut Hipokampal Dilimler içinde Synaptically-uyarılmış astroglial ve Nöronal Cevaplarının İkili Elektrofizyolojik Kayıtlar

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

Beyin Dokusu Kronik Optogenetic uyarılması için Fiber-optik İmplantasyon

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

Akut<emIn vivo</em&gt; Anestezi Uygulanan Sıçanlarda Hiperdirect Pathway&#39;den Lokal Alan Potansiyellerinin Elektrofizyolojik Kayıtları ve Çoklu Ünite Aktivitesi

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

Kayıt ve modülasyon Epileptiform aktivite elektrot dizilerin birleştiğinde kemirgen beyin dilimleri içinde

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

Çoklu Esnek Polimer Elektrot Dizilerinin Kronik İmplantasyonu

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

Ortak Marmoset Mikroelektrot Dizileri İmplantasyonu için Stereotaksik Cerrahi (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

Elektrofizyolojik Kayıtlar için Akut İnsan Hipokampal Dilimlerinin Hazırlanması

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 ...