Name: optrode array for simultaneous optogenetic modulation and electrical neural recording
Uploaded: 2022-09-01T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Optrode Array for Simultaneous Optogenetic Modulation and Electrical Neural Recording at JoVE.com

Denne forskning blev støttet af Convergent Technology R&D Program for Human Augmentation gennem National Research Foundation of Korea (NRF), finansieret af Ministeriet for Videnskab og IKT (NRF-2019M3C1B8090805) og støttet af et National Research Foundation of Korea (NRF) tilskud finansieret af Koreas regering (MSIT) (nr. 2019R1A2C1088909). Vi takker Seung-Hee Lees laboratorium ved Institut for Biologiske Videnskaber, KAIST, Daejeon, Korea, for venligt at levere de transgene mus.

Dyreplejen og kirurgiske procedurer blev godkendt af Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) ved Ewha Womans University (nr. 20-029).
1. Forberedelse af et optrode array (figur 1 og figur 2)
<ol><li>Fastgør optiske fibre med mikrolinsearrayet.<ol>
<li>Fjern passiveringsbelægningen af den optiske fiber, og skær den i 5 mm lange stykker ved hjælp af en præcisionsoptis...

Gennemførligheden af systemet til samtidig optogenetisk stimulering og elektrofysiologisk optagelse blev verificeret (figur 6). De store pigge under lysstimulering er fotoelektriske artefakter, der forekommer samtidig med lysstimuleringen (figur 6A). Dette er tydeligt i den zoomede visning af bølgeformen i det røde stiplede rektangel (figur 6A). Som vist i figur 6A kunne de fotoelektriske artefakter ...

Registrering og kontrol af neural aktivitet er afgørende for at forstå, hvordan hjernen fungerer i et neuralt netværk og på cellulære niveauer. Konventionelle elektrofysiologiske optagelsesmetoder omfatter patch clamp 1,2,3,4 ved hjælp af en mikropipette og ekstracellulær optagelse ved hjælp af mikroneuralelektroder 5,6,7,8. Som en neuromodulationsmetode er elektrisk stimulering ofte blevet brugt til direkte at stimulere en fokal hjerneregion gennem direkte eller indirekte depolarisering af neuronale celler. Den elektriske metode kan imidlertid ikke skelne mellem neuronale celletyper til optagelse eller stimulering, fordi de elektriske strømme spredes i alle retninger.
Som en ny teknologi har optogenetik indvarslet en ny æra i forståelsen af, hvordan nervesystemet fungerer 9,10,11,12,13,14,15,16. Essensen af optogenetiske teknikker er at bruge lys til at kontrollere aktiviteten af lysfølsomme opsinproteiner udtrykt af genetisk modificerede celler. Optogenetik muliggør således sofistikeret modulering eller overvågning af genetisk udvalgte celler i komplicerede neurale kredsløb14,17. Den bredere anvendelse af den optogenetiske tilgang har nødvendiggjort samtidig neural optagelse for direkte at bekræfte optisk neuromodulation. Derfor ville en integreret enhed med lysstyrings- og optagefunktioner være ekstremt værdifuld 16,18,19,20,21,22,23,24,25.
Der er begrænsninger for konventionel, laserbaseret optogenetisk stimulering, som kræver et omfangsrigt og dyrt lysleveringssystem 26,27,28,29,30. Derfor anvendte nogle forskergrupper μLED-baserede siliciumprober for at minimere størrelsen af lystilførselssystemet 31,32,33,34. Der er dog risiko for termisk hjerneskade forårsaget af direkte kontakt med μLED'er på grund af LED'ernes lave energieffektivitet. Lysbølgeledere, såsom optiske fibre, SU-8 og siliciumoxynitrid (SiON), er blevet anvendt for at undgå termisk skade 30,35,36,37,38,39. Denne strategi har imidlertid også en ulempe på grund af dens lave koblingseffektivitet mellem lyskilder og bølgeledere.
Mikrolinsearrayet blev tidligere introduceret for at forbedre lyskoblingseffektiviteten mellem lysdioder og optiske fibre40. Et optrodesystem blev udviklet baseret på mikroelektromekaniske systemer (MEMS) teknologier til optisk stimulering og elektrisk optagelse på en mikroskala40. Mikrolinsearrayet mellem en LED og optiske fibre øgede lyseffektiviteten med 3,13 dB. Som vist i figur 1 er et 2x2 optisk fiberarray justeret på 4x4 mikrolensarrayet, og LED'en er placeret under mikrolinsarrayet. De 2x2 optiske fibre er monteret i stedet for 4x4 for at reducere hjerneskade. Et wolframelektrodearray er placeret ved siden af optrodearrayet ved hjælp af silicium via huller til elektrofysiologisk optagelse (figur 1B).
Systemet består af en øverste engangsdel og aftagelige bunddele. Den øverste engangsdel, som omfatter det optiske fiberarray, mikrolenarray og wolframelektrodearrayet, er designet til at blive permanent implanteret i hjernen til in vivo-eksperimenter . Den nederste del indeholder en LED-lyskilde og en ekstern strømforsyningsledning, som let kan fjernes og genbruges til et andet dyreforsøg. Et vedhæftet plastdæksel beskytter engangsdelen, når den aftagelige del fjernes.
Systemets gennemførlighed verificeres ved implantation i hjernen hos transgene mus, der udtrykker channelrhodopsin-2 (ChR2) i Ca2+/calmodulinafhængig proteinkinase II-positive neuroner (CaMKIIα::ChR2 mus). Optagelseselektroder blev brugt til at registrere de neurale aktiviteter fra individuelle neuroner under optisk stimulering af neuronerne.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>5-pin Connector</td>
			<td>NW3</td>
			<td>HD127K</td>
			<td>1.27 mm (.050&#34;) pitch</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bovie</td>
			<td>Fine Science Tools(F.S.T)</td>
			<td>18010-00</td>
			<td>High Temperature Cautery Kit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Acquisition Software</td>
			<td>Intan Technologies, LLC</td>
			<td>USB Interface Board software</td>
			<td>Work with the RHD USB Interface Board</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dental Cement</td>
			<td>Lang Dental Manufacturing Company, Inc.</td>
			<td>1223CLR</td>
			<td>Use Jet Liquid and powder in jet denture repair package</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital Manipulator Arm</td>
			<td>Stoelting Co.</td>
			<td>51904/51906</td>
			<td>Left, Right each Digital Manipulator Arm, 3-Axes, Add-On</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gel Foam</td>
			<td>Cutanplast</td>
			<td>Standard (70*50*10 mm)</td>
			<td>Sterile re-absorbable gelatin sponge with a haemostatic effect</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Headstage Preamplifier</td>
			<td>Intan Technologies, LLC</td>
			<td>#C3314</td>
			<td>RHD 16-Channel Recording Headstages</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heating Pad</td>
			<td>Stoelting Co.</td>
			<td>53800R</td>
			<td>Stoelting Rodent Warmer X1 with Rat Heating Pad</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED</td>
			<td>OSLON</td>
			<td>GB CS8PM1.13</td>
			<td>&#955; typ. 470 nm, Viewing angle 80 &#176;, Forward voltage 2.85 V</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks, Inc.</td>
			<td>R2019a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro Clamp</td>
			<td>SURGIWAY</td>
			<td>12-1002-04</td>
			<td>Straight type, Serre-fine DIEFFENBACH droite 3.5 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical Fiber</td>
			<td>Thorlabs, Inc.</td>
			<td>FT200UMT</td>
			<td>0.39 NA, &#216; 200 &#181;m Core Multimode Optical Fiber, High OH for 300 - 1200 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PFA-Coated Tungsten Wire</td>
			<td>A-M System</td>
			<td>Custom ordered</td>
			<td>Rod type, &#216; 101.6 &#956;m (.004&#34;)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photodiode</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>S121C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>power meter</td>
			<td>Thorlabs Inc.</td>
			<td>PM100D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Precision cleaver</td>
			<td>FITEL</td>
			<td>S326</td>
			<td>Fiber slicer tool</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prism</td>
			<td>GraphPad</td>
			<td>5.01 version</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scalpel</td>
			<td>Feather&#8482;</td>
			<td>#20</td>
			<td>Scalpel blade with 100mm long Scalpel Handle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>screw</td>
			<td>Nasa Korea</td>
			<td>stainless steel</td>
			<td>diameter: 1.2 mm, length: 3 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver Wire</td>
			<td>The Nilaco Corporation</td>
			<td>AG-401265</td>
			<td>&#216; 200 &#181;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereotaxic Fxrame</td>
			<td>Stoelting Co.</td>
			<td>51500D</td>
			<td>Digital new standard stereotaxic, rat and mouse</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>suture</td>
			<td>ETHICON</td>
			<td>W9106</td>
			<td>suture size: 4-0, length:75 cm, wire diameter: 4-0</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vaseline</td>
			<td>Unilever PLC</td>
			<td>Original</td>
			<td>100% pure petroleum jelly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wave_Clus</td>
			<td>N/A</td>
			<td>N/A</td>
			<td>https://github.com/csn-le/wave_clus</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optrode array for simultaneous optogenetic modulation and electrical neural recording

I løbet af det sidste årti er optogenetik blevet et vigtigt redskab til undersøgelse af neural signalering på grund af dets unikke evne til selektiv neural modulering eller overvågning. Da specifikke typer neuronale celler kan genetisk modificeres til at udtrykke opsinproteiner, muliggør optogenetik optisk stimulering eller hæmning af de udvalgte neuroner. Der har været flere teknologiske fremskridt i det optiske system til optogenetik. For nylig blev det foreslået at kombinere den optiske bølgeleder til lyslevering med elektrofysiologisk optagelse for samtidig at overvåge de neurale reaktioner på optogenetisk stimulering eller hæmning. I denne undersøgelse blev der udviklet et implanterbart optrode array (2x2 optiske fibre) med indlejrede multikanalelektroder. 
En lysemitterende diode (LED) blev anvendt som en lyskilde, og et mikrofabrikeret mikrolinsearray blev integreret for at give tilstrækkelig lyseffekt ved spidsen af de optiske fibre. Optrode array-systemet omfatter engangsdelen og den genanvendelige del. Engangsdelen har optiske fibre og elektroder, mens den genanvendelige del har LED og elektronisk kredsløb til lysstyring og neural signalbehandling. Det nye design af det implanterbare optrode array-system introduceres i den ledsagende video ud over proceduren for optrodeimplantationskirurgi, optogenetisk lysstimulering og den elektrofysiologiske neurale optagelse. Resultaterne af in vivo-eksperimenter viste med succes tidslåste neurale pigge fremkaldt af lysstimuli fra hippocampale excitatoriske neuroner hos mus.

Optrodesystemet er med succes fremstillet for at give tilstrækkelig lyskraft til at aktivere målneuronerne. Den fine justering af wolframelektroderne opnås gennem det mikrofabrikerede silicium via hullerne. Den målte lysintensitet er 3,6 mW/mm2 ved den optiske fiberspids, når der tilføres 50 mA strøm. Mikrolinserne øgede lyseffektiviteten med 3,13 dB. På grund af mikrolinsearrayet, som forbedrer lyskoblingen, er den påførte strøm ca. halvdelen af den strøm, der kræves for at opnå den samme lysin...

Watch this Scientific Journal Video about Optrode Array for Simultaneous Optogenetic Modulation and Electrical Neural Recording at JoVE.com

Optrode Array for Simultaneous Optogenetic Modulation and Electrical Neural Recording

Her præsenterer vi fremstillingsmetoden for et optrodesystem med optiske fibre til lystilførsel og et elektrodearray til neural optagelse. In vivo-eksperimenter med transgene mus, der udtrykker channelrhodopsin-2, viser systemets gennemførlighed til samtidig optogenetisk stimulering og elektrofysiologisk optagelse.

Optrode Array til samtidig optogenetisk modulering og elektrisk neural optagelse

During the last decade, optogenetics has become an essential tool for the investigation of neural signaling due to its unique capability of selective ...

Denne protokol omfatter fremstilling på optrodesystem til samtidig optogenetisk stimulering og elektrofysiologisk optagelse. Det foreslåede LED-baserede system forbedrer lyskoblingseffektiviteten gennem et mikrolinsearray. En LED-lyskilde har en simpel belysningsopsætning end en laserlyskilde, så systemet let kan anvendes på det trådløse system.Optogenetik er en vejteknik til forståelse af patologien for neurologisk sygdom og behandlingsmekanismer. Optogenetik kan anvendes til behandling af rygmarvsskade, epilepsi, Parkinsons sygdom og Alzheimers sygdom. Vores LED-baserede enhed kan implementeres yderligere som et trådløst system med flere fordele, såsom lav systemkompleksitet, omkostningseffektivitet og lavt strømforbrug.Tilslut først 1.27 millimeter pitch hun-stikket til hovedtrinforforstærkeren. Placer LED'en i det 3D-printede hus. Mål lysintensiteten i slutningen af den optiske fiberspids ved hjælp af en fotodiode.Dyp wolframelektroderne og optiske fibre i alkohol i 15 minutter og lufttørre dem. Barber hovedhuden og placer den bedøvede mus i den stereotaktiske ramme. Placer hovedet inden for den stereotaktiske ramme, og indsæt ørestænger i meatus.Tænd for den termiske varmepude, der er indlejret i den stereotaktiske ramme, og hold kropstemperaturen på 37 grader Celsius under de kirurgiske procedurer. Juster snitstangen for at indstille snitstangens højde, og stram næseklemmen mod snuden. Dæk øjnene med vaselin for at forhindre tørhed.Løft huden i hovedet med pincet, fastgør en injektionsplads og injicer 1% lidokain under hovedbunden. Udfør et sagittal snit ved hjælp af en skalpel og en fin saks. Hold den indskårne hud med en mikroklamp for at udvide synligheden af det kirurgiske område.Fjern periosteum ved hjælp af vatpinde. Hvis der er blødning, cauterized kraniet ved hjælp af en bovie til at forsegle blodkarrene. Rengør kraniet med saltvand og marker kraniotomistederne ved hjælp af en manipulatorarm.Bor et hul over cerebellum og indsæt en skrue til jorden. Brug en præcisionsskrue til at sætte jordskruen 0,5 millimeter dyb, indtil den når toppen af lillehjernen. Bor det markerede område og fjern et stykke af kraniet med tang.Bøj en 26-gauge nålespids med uret i en vinkel på 120 grader, og udsæt hjerneområdet ved at indsætte nålens skråside opad. Fastgør optrodearrayet i manipulatorarmen, og bevæg dig tæt på det udsatte område. Indsæt langsomt optrodearrayet, og tilslut jordskruen til sølvtråden, der er fastgjort til systemet.Indsæt gelskum mellem den udsatte hjerne og enheden for at beskytte kemikalier mod direkte kontakt med hjernen. Påfør forsigtigt tandcement på kraniet for at fastgøre enheden og dække gelskummet. Før tandcementen er helt hærdet, skal du adskille hovedbunden, hvis den er fastgjort til tandcementen.Træk den indskårne hud med pincet for at dække den hærdede tandcement og sutur hovedbunden. Placer den bedøvede mus i den stereotaktiske ramme. Indstil lyspulsopskriften til 4% driftscyklus i 10 Hertz frekvens.Indstil lysstimuleringen i to sekunder under neural optagelse. Tag plastikdækslet af, og fastgør lystilførselssystemernes øverste del med den genanvendelige LED i kredsløb. Tilslut hovedtrinforforstærkeren til det implanterede fem-polede stik.Åbn softwaren, og konfigurer softwarefiltrene. Klik derefter på og indstil forstærkerens samplingshastighed. Klik derefter på skift båndbredde.Indstil forstærker lavere båndbredde og forstærker øvre båndbredde. Tjek software DAC High-Pass Filter. Åbn Spike Scope, og kontroller neurale signaler ved hjælp af spændingstærskel.Klik på Stop og optag. Indlæs de erhvervede data ved hjælp af MATLAB og kontroller rådata. Kør derefter spike sorteringskode, som indeholder bølge clust algoritme.Kontroller sorterede pigge i rasterplot. Plot nu tælle pigge og kontrollere fremkaldte pigge under lysstimulering. Figuren viser hele optagede bølgeformer med nøjagtige betingelser, herunder to sekunder lys på periode i midten.Antallet af fremkaldte individuelle neurale pigge efter hver lysstimuleringsimpuls steg signifikant sammenlignet med baseline med forskellige tidsbeholdere på to sekunder og 0,2 sekunder. Figuren viser et spike histogram for hver kanal før, under og efter lysstimulering. Indsatsfiguren angiver placeringen af det implanterede optrode array.Endvidere viser den zoomede version et spike histogram med en 100 millisekunders tidsbeholder. Den blå bjælke repræsenterer den tidsperiode, hvor LED-lyset var tændt for at registrere svaret. For at minimere artefaktstøj fra LED-kørestrømsprocessen skal systemet være designet til at sikre tilstrækkelig afstand mellem elektrosignalvejen og LED-kredsløbet.Det foreslåede LED-baserede optrodesystem kan undersøge de forskellige neurosignalering relateret til dyrs adfærd, fordi det kan levere optogenetisk stimulering og registrere de fremkaldte neuroresponser. Et LED-optrode array er kompatibelt med den trådløse optogenetiske grænseflade, som kan bruges i frit bevægelig dyreforskning.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Design and Construction of a Cost Effective Headstage for Simultaneous Neural Stimulation and Recording in the Water Maze

Headstage preamplifiers and source followers are commonly used to study neural activity in behavioral neurophysiology experiments. Available commercial ...

Voltage Biasing, Cyclic Voltammetry, &amp; Electrical Impedance Spectroscopy for Neural Interfaces

Voltage Biasing, Cyclic Voltammetry, & Electrical Impedance Spectroscopy for Neural Interfaces

Spænding fordomsfulde, cyklisk voltammetri, og Elektrisk Impedans Spektroskopi for Neural Interface

Electrical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) measure properties of the electrode-tissue interface without additional invasive ...

Simultaneous Electrophysiological Recording and Calcium Imaging of Suprachiasmatic Nucleus Neurons

Simultaneous electrophysiological and fluorescent imaging recording methods were used to study the role of changes of membrane potential or current in ...

Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation

Vurdering af neuromuskulære funktion Brug Perkutan elektrisk nervestimulation

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, ...

Optogenetic Functional MRI

Optogenetic Funktionel MRI

The investigation of the functional connectivity of precise neural circuits across the entire intact brain can be achieved through optogenetic functional ...

Time-dependent Increase in the Network Response to the Stimulation of Neuronal Cell Cultures on Micro-electrode Arrays

Tidsafhængig stigning i netværksresponset til stimulering af neuronale cellekulturer på mikroelektrodearrayer

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network ...

Chronic Transcranial Electrical Stimulation and Intracortical Recording in Rats

Kronisk transkranial elektrisk Stimulation og Intracortical optagelse i rotter

Transcranial electrical stimulation (TES) is a powerful and relatively simple approach to diffusely influence brain activity either randomly or in a ...

Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials, Electrocardiogram, Electromyogram, and Breathing Rhythm from a Freely Moving Rat

Samtidige optagelser af kortikale lokale felt potentialer, elektrokardiogram, Electromyogram og vejrtrækning rytmen fra en frit bevægende rotte

Monitoring the physiological dynamics of the brain and peripheral tissues is necessary for addressing a number of questions about how the brain controls ...

Optogenetic Manipulation of Neural Circuits During Monitoring Sleep/wakefulness States in Mice

Optogenetisk manipulation af neurale kredsløb under overvågning søvn/vågenhed stater i mus

In recent years, optogenetics has been widely used in many fields of neuroscientific research. In many cases, an opsin, such as channel rhodopsin 2 ...

Chronic Implantation of Whole-cortical Electrocorticographic Array in the Common Marmoset

Kronisk Implantation af hele-kortikale Electrocorticographic Array i den fælles silkeabe

Electrocorticography (ECoG) allows the monitoring of electrical field potentials from the cerebral cortex with high spatiotemporal resolution. Recent ...