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

Dit onderzoek werd ondersteund door convergent technology R&D Program for Human Augmentation via de National Research Foundation of Korea (NRF), gefinancierd door het ministerie van Wetenschap en ICT (NRF-2019M3C1B8090805), en ondersteund door een subsidie van de National Research Foundation of Korea (NRF) gefinancierd door de Koreaanse overheid (MSIT) (nr. 2019R1A2C1088909). We bedanken het laboratorium van Seung-Hee Lee bij het Department of Biological Sciences, KAIST, Daejeon, Korea, voor het vriendelijk leveren van de transgene muizen.

De dierverzorging en chirurgische procedures werden goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) van de Ewha Womans University (nr. 20-029).
1. Voorbereiding van een optrode array (figuur 1 en figuur 2)
<ol><li>Bevestig optische vezels met de microlensarray.<ol>
<li>Verwijder de passiveringscoating van de optische vezel en snijd deze in stukken van 5 mm la...

De haalbaarheid van het systeem voor gelijktijdige optogenetische stimulatie en elektrofysiologische registratie werd geverifieerd (figuur 6). De grote pieken tijdens lichtstimulatie zijn foto-elektrische artefacten die tegelijkertijd met de lichtstimulatie plaatsvinden (figuur 6A). Dit is duidelijk te zien in de ingezoomde weergave van de golfvorm in de rode rechthoek met stippelen (figuur 6A). Zoals te zien is in <strong class="xf...

Het registreren en controleren van neurale activiteit is essentieel om te begrijpen hoe de hersenen functioneren in een neuraal netwerk en op cellulair niveau. Conventionele elektrofysiologische opnamemethoden omvatten de patchklem 1,2,3,4 met behulp van een micropipette en extracellulaire opname met behulp van microneurale elektroden 5,6,7,8. Als neuromodulatiemethode is elektrische stimulatie vaak gebruikt om een focale hersenregio direct te stimuleren door directe of indirecte depolarisatie van neuronale cellen. De elektrische methode kan echter geen neuronale celtypen onderscheiden voor opname of stimulatie omdat de elektrische stromen zich in alle richtingen verspreiden.
Als een opkomende technologie heeft optogenetica een nieuw tijdperk ingeluid in het begrijpen hoe het zenuwstelsel werkt 9,10,11,12,13,14,15,16. De essentie van optogenetische technieken is om licht te gebruiken om de activiteit van lichtgevoelige opsine-eiwitten te regelen die tot expressie worden gebracht door genetisch gemodificeerde cellen. Optogenetica maakt dus de geavanceerde modulatie of monitoring van genetisch geselecteerde cellen in gecompliceerde neurale circuitsmogelijk 14,17. Het bredere gebruik van de optogenetische benadering heeft gelijktijdige neurale opname noodzakelijk gemaakt om optische neuromodulatie direct te bevestigen. Daarom zou een geïntegreerd apparaat met lichtregelings- en opnamefuncties uiterst waardevol zijn 16,18,19,20,21,22,23,24,25.
Er zijn beperkingen aan conventionele, lasergebaseerde optogenetische stimulatie, waarvoor een omvangrijk en duur lichtafgiftesysteem 26,27,28,29,30 vereist is. Daarom gebruikten sommige onderzoeksgroepen op μLED gebaseerde siliciumsondes om de grootte van het lichtafgiftesysteem 31,32,33,34 te minimaliseren. Er is echter een risico op thermische hersenschade veroorzaakt door direct contact met μLEDs als gevolg van de lage energieconversie-efficiëntie van LED's. Lichtgolfgeleiders, zoals optische vezels, SU-8 en siliciumoxynitride (SiON), zijn toegepast om thermische schade te voorkomen 30,35,36,37,38,39. Deze strategie heeft echter ook een nadeel vanwege de lage koppelingsefficiëntie tussen lichtbronnen en de golfgeleiders.
De microlensarray werd eerder geïntroduceerd om de lichtkoppelingsefficiëntie tussen LED's en optische vezels te verbeteren40. Een optrode-systeem werd ontwikkeld op basis van micro-elektromechanische systemen (MEMS) technologieën voor optische stimulatie en elektrische opname op microschaal40. De microlensarray tussen een LED en optische vezels verhoogde de lichtefficiëntie met 3,13 dB. Zoals te zien is in figuur 1, is een 2x2 optische vezelarray uitgelijnd op de 4x4 microlensarray en bevindt de LED zich onder de microlensarray. De 2x2 optische vezels worden gemonteerd in plaats van 4x4 om hersenschade te verminderen. Een wolfraamelektrode-array wordt naast de optrode-array geplaatst met behulp van silicium via gaten voor elektrofysiologische registratie (figuur 1B).
Het systeem bestaat uit een bovenste wegwerponderdeel en afneembare onderste onderdelen. Het bovenste wegwerpgedeelte, dat de optische vezelarray, microlensarray en de wolfraamelektrode-array omvat, is ontworpen om permanent in de hersenen te worden geïmplanteerd voor in vivo experimenten. Het onderste deel bevat een LED-lichtbron en een externe voedingslijn, die gemakkelijk verwijderbaar en herbruikbaar is voor een ander dierexperiment. Een bevestigbare plastic hoes beschermt het wegwerponderdeel wanneer het afneembare deel wordt verwijderd.
De haalbaarheid van het systeem wordt geverifieerd door implantatie in de hersenen van transgene muizen die channelrhodopsine-2 (ChR2) tot expressie brengen in Ca2+/calmodulin-afhankelijke eiwitkinase II-positieve neuronen (CaMKIIα::ChR2 muis). Opname-elektroden werden gebruikt om de neurale activiteiten van individuele neuronen vast te leggen tijdens optische stimulatie van de neuronen.

<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

In het afgelopen decennium is optogenetica een essentieel hulpmiddel geworden voor het onderzoek naar neurale signalering vanwege het unieke vermogen van selectieve neurale modulatie of monitoring. Omdat specifieke soorten neuronale cellen genetisch kunnen worden gemodificeerd om opsine-eiwitten tot expressie te brengen, maakt optogenetica optische stimulatie of remming van de geselecteerde neuronen mogelijk. Er zijn verschillende technologische ontwikkelingen geweest in het optische systeem voor optogenetica. Onlangs werd voorgesteld om de optische golfgeleider voor lichtafgifte te combineren met elektrofysiologische opname om tegelijkertijd de neurale reacties op optogenetische stimulatie of remming te volgen. In deze studie werd een implanteerbare optrode array (2x2 optische vezels) ontwikkeld met ingebedde meerkanaals elektroden. 
Een light-emitting diode (LED) werd gebruikt als lichtbron en een microgefabriceerde microlensarray werd geïntegreerd om voldoende lichtkracht te leveren aan de punt van de optische vezels. Het optrode array systeem bestaat uit het wegwerpdeel en het herbruikbare deel. Het wegwerponderdeel heeft optische vezels en elektroden, terwijl het herbruikbare deel de LED en elektronische circuits heeft voor lichtregeling en neurale signaalverwerking. Het nieuwe ontwerp van het implanteerbare optrode array-systeem wordt geïntroduceerd in de bijbehorende video naast de procedure van de optrode-implantatiechirurgie, optogenetische lichtstimulatie en de elektrofysiologische neurale opname. De resultaten van in vivo experimenten toonden met succes time-locked neurale spikes opgeroepen door de lichtprikkels van hippocampale exciterende neuronen van muizen.

Het optrode-systeem is met succes gefabriceerd om voldoende lichtkracht te leveren om de doelneuronen te activeren. De fijne uitlijning van de wolfraamelektroden wordt bereikt door het gemicrofabriceerde silicium via de gaten. De gemeten lichtintensiteit is 3,6 mW/mm2 aan de optische vezelpunt wanneer 50 mA stroom wordt toegepast. De microlens verhoogde de lichtefficiëntie met 3,13 dB. Vanwege de microlensarray, die de lichtkoppeling verbetert, is de toegepaste stroom ongeveer de helft van de stroom die nodig...

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

Hier presenteren we de fabricagemethode van een optrode-systeem met optische vezels voor lichtafgifte en een elektrode-array voor neurale opname. In vivo experimenten met transgene muizen die channelrhodopsine-2 tot expressie brengen, tonen de haalbaarheid van het systeem voor gelijktijdige optogenetische stimulatie en elektrofysiologische registratie.

Optrode Array voor gelijktijdige optogenetische modulatie en elektrische neurale opname

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

Dit protocol omvat het fabriceren op optrode-systeem voor gelijktijdige optogenetische stimulatie en elektrofysiologische registratie. Het voorgestelde LED-gebaseerde systeem verbetert de efficiëntie van de lichtkoppeling via een microlensarray. Een LED-lichtbron heeft een eenvoudige verlichtingsinstallatie dan een laserlichtbron, zodat het systeem gemakkelijk toepasbaar is op het draadloze systeem.Optogenetica is een padtechniek voor het begrijpen van de pathologie van neurologische ziekten en behandelingsmechanismen. Optogenetica kan worden toegepast om dwarslaesie, epilepsie, de ziekte van Parkinson en de ziekte van Alzheimer te behandelen. Ons LED-gebaseerde apparaat kan verder worden geïmplementeerd als een draadloos systeem met verschillende voordelen, zoals lage systeemcomplexiteit, kosteneffectiviteit en een laag stroomverbruik.Sluit eerst de vrouwelijke connector van 1,27 millimeter aan op de voorversterker van het hoofdpodium. Plaats de LED in de 3D-geprinte behuizing. Meet de lichtintensiteit aan het einde van de optische vezelpunt met behulp van een fotodiode.Dompel de wolfraamelektroden en optische vezels gedurende 15 minuten onder in alcohol en droog ze aan de lucht. Scheer de hoofdhuid en plaats de verdoofde muis in het stereotactische frame. Plaats de kop in het stereotactische frame en steek oorstaven in de meatus.Schakel het thermische verwarmingskussen in dat is ingebed in het stereotactische frame in en houd de lichaamstemperatuur op 37 graden Celsius tijdens de chirurgische ingrepen. Pas de incisiebalk aan voor het instellen van de hoogte van de incisiebalk en span de neusklem tegen de snuit aan. Bedek de ogen met vaseline om uitdroging te voorkomen.Til de huid in het hoofd op met een tang, beveilig een injectieruimte en injecteer 1% lidocaïne onder de hoofdhuid. Voer een sagittale incisie uit met behulp van een scalpel en een fijne schaar. Houd de ingesneden huid vast met een microlamp om de zichtbaarheid van het operatiegebied te vergroten.Verwijder het botvlies met wattenstaafjes. Als er bloedingen zijn, dichtschroeien van de schedel met behulp van een bovie om de bloedvaten te verzegelen. Reinig de schedel met zoutoplossing en markeer de craniotomieplaatsen met behulp van een manipulatorarm.Boor een gat boven het cerebellum en plaats een schroef voor de grond. Gebruik een precisieschroef om de grondschroef 0,5 millimeter diep te maken totdat deze de bovenkant van het cerebellum bereikt. Boor het gemarkeerde gebied en verwijder een stuk van de schedel met een tang.Buig een 26-gauge naaldpunt met de klok mee in een hoek van 120 graden en stel het hersengebied bloot door de schuine kant van de naald naar boven gericht in te brengen. Bevestig de optrode-array in de manipulatorarm en ga dicht bij het blootgestelde gebied staan. Plaats langzaam de optrode array en sluit de grondschroef aan op de zilverdraad die aan het systeem is bevestigd.Plaats gelschuim tussen de blootgestelde hersenen en het apparaat om chemicaliën te beschermen tegen direct contact met de hersenen. Breng voorzichtig tandcement aan op de schedel om het apparaat te bevestigen en het gelschuim te bedekken. Voordat het tandcement volledig is uitgehard, scheidt u de hoofdhuid als deze aan het tandcement is bevestigd.Trek aan de ingesneden huid met een tang om het verharde tandcement te bedekken en hecht de hoofdhuid. Plaats de verdoofde muis in het stereotactische frame. Stel het recept voor de lichtpuls in op een inschakelduur van 4% in een frequentie van 10 Hertz.Stel de lichtstimulatie gedurende twee seconden in tijdens de neurale opname. Verwijder de plastic afdekking en bevestig het bovenste deel van de lichttoevoersystemen met de herbruikbare LED in circuits. Sluit de voorversterker van de koptrap aan op de geïmplanteerde vijfpolige connector.Open de software en stel de softwarefilters in. Klik vervolgens op de bemonsteringsfrequentie van de versterker en stel deze in. Klik vervolgens op Bandbreedte wijzigen.Stel de lagere bandbreedte van de versterker en de hogere bandbreedte van de versterker in. Controleer software DAC High-Pass Filter. Open Spike Scope en controleer neurale signalen met behulp van de spanningsdrempel.Klik op Stoppen en opnemen. Laad de verkregen gegevens met MATLAB en controleer onbewerkte gegevens. Voer vervolgens spike-sorteercode uit die het wave clust-algoritme bevat.Controleer gesorteerde pieken in rasterplot. Plot nu het tellen van spikes en controleer opgeroepen spikes tijdens lichtstimulatie. De figuur toont hele geregistreerde golfvormen met exacte omstandigheden, inclusief twee seconden licht op periode in het midden.Het aantal opgeroepen individuele neurale pieken na elke lichtstimulatiepuls nam aanzienlijk toe in vergelijking met de basislijn met verschillende tijdbakken van twee seconden en 0,2 seconden. De figuur toont een spike histogram voor elk kanaal voor, tijdens en na lichtstimulatie. De inzetfiguur geeft de locatie van de geïmplanteerde optrode-array aan.Verder toont de ingezoomde versie een spike histogram met een tijdbak van 100 milliseconden. De blauwe balk geeft de periode weer waarin het LED-lampje brandde om de respons op te nemen. Om de artefactruis van het LED-aandrijfstroomproces te minimaliseren, moet het systeem worden ontworpen om voldoende afstand tussen het elektrosignaalpad en het LED-circuit te garanderen.Het voorgestelde LED-gebaseerde optrode-systeem kan de verschillende neurosignalering onderzoeken die verband houden met het gedrag van dieren, omdat het optogenetische stimulatie kan leveren en de opgeroepen neuroresponsen kan registreren. Een LED optrode array is compatibel met de draadloze optogenetica-interface, die kan worden gebruikt in vrij bewegend dieronderzoek.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Ontwerp en Bouw van een kosteneffectieve Headstage voor Simultaneous neurale stimulatie en opnemen in het 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

Voltage Biasing, cyclische voltammetrie, en elektrische Impedantie Spectroscopie voor neurale interfaces

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

Bepaling van neuromusculaire functie gebruiken percutane elektrische zenuwstimulatie

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

Optogenetic Functional MRI

Optogenetische Functionele 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

Tijdafhankelijke toename in het netwerkrespons bij de stimulatie van neuronale celculturen op micro-elektrode arrays

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

Chronische Transcraniële elektrische stimulatie en Intracortical opname in ratten

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

Gelijktijdige opnamen van corticale lokale veld Potentials, elektrocardiogram Electromyogram en ademhaling ritme van een vrij bewegende Rat

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

Optogenetische manipulatie van neurale circuits tijdens het monitoren van slaap/wakkerheid toestanden in muizen

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

Chronische implantatie van geheel-corticale Electrocorticographic Array in de gemeenschappelijke Hapalomys

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