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

Questa ricerca è stata supportata dal Convergent Technology R&D Program for Human Augmentation attraverso la National Research Foundation of Korea (NRF), finanziato dal Ministero della Scienza e delle TIC (NRF-2019M3C1B8090805) e supportato da una sovvenzione della National Research Foundation of Korea (NRF) finanziata dal governo coreano (MSIT) (n. 2019R1A2C1088909). Ringraziamo il laboratorio di Seung-Hee Lee presso il Dipartimento di Scienze Biologiche, KAIST, Daejeon, Corea, per aver gentilmente fornito i topi transgenici.

Le procedure chirurgiche e di cura degli animali sono state approvate dall'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) presso la Ewha Womans University (n. 20-029).
1. Preparazione di un array optrode (Figura 1 e Figura 2)
<ol><li>Collegare le fibre ottiche con l'array di microlenti.<ol>
<li>Rimuovere il rivestimento di passivazione della fibra ottica e tagliarlo in pezzi lu...

È stata verificata la fattibilità del sistema per la stimolazione optogenetica simultanea e la registrazione elettrofisiologica (Figura 6). I grandi picchi durante la stimolazione della luce sono artefatti fotoelettrici che si verificano contemporaneamente alla stimolazione della luce (Figura 6A). Questo è chiaro nella vista ingrandita della forma d'onda nel rettangolo tratteggiato rosso (Figura 6A). Come mostrato nella <strong c...

La registrazione e il controllo dell'attività neurale è essenziale per capire come funziona il cervello in una rete neurale e a livello cellulare. I metodi di registrazione elettrofisiologica convenzionali includono il patch clamp 1,2,3,4 utilizzando una micropipetta e la registrazione extracellulare utilizzando elettrodi microneurali 5,6,7,8. Come metodo di neuromodulazione, la stimolazione elettrica è stata spesso utilizzata per stimolare direttamente una regione focale del cervello attraverso la depolarizzazione diretta o indiretta delle cellule neuronali. Tuttavia, il metodo elettrico non può distinguere i tipi di cellule neuronali per la registrazione o la stimolazione perché le correnti elettriche si diffondono in tutte le direzioni.
Come tecnologia emergente, l'optogenetica ha inaugurato una nuova era nella comprensione di come funziona il sistema nervoso 9,10,11,12,13,14,15,16. L'essenza delle tecniche optogenetiche è quella di utilizzare la luce per controllare l'attività delle proteine opsina sensibili alla luce espresse da cellule geneticamente modificate. Pertanto, l'optogenetica consente la sofisticata modulazione o monitoraggio di cellule geneticamente selezionate in circuiti neurali complicati14,17. L'uso più ampio dell'approccio optogenetico ha richiesto la registrazione neurale simultanea per confermare direttamente la neuromodulazione ottica. Pertanto, un dispositivo integrato con funzioni di controllo e registrazione della luce sarebbe estremamente prezioso 16,18,19,20,21,22,23,24,25.
Ci sono limiti della stimolazione optogenetica convenzionale basata su laser, che richiede un sistema di erogazione della luce ingombrante e costoso 26,27,28,29,30. Pertanto, alcuni gruppi di ricerca hanno impiegato sonde al silicio basate su μLED per ridurre al minimo le dimensioni del sistema di erogazione della luce 31,32,33,34. Tuttavia, esiste il rischio di danni cerebrali termici causati dal contatto diretto con i μLED a causa della bassa efficienza di conversione energetica dei LED. Le guide d'onda luminose, come fibre ottiche, SU-8 e ossitruro di silicio (SiON), sono state applicate per evitare danni termici 30,35,36,37,38,39. Tuttavia, questa strategia presenta anche uno svantaggio a causa della sua bassa efficienza di accoppiamento tra le sorgenti luminose e le guide d'onda.
L'array di microlenti è stato precedentemente introdotto per migliorare l'efficienza di accoppiamento della luce tra LED e fibre ottiche40. È stato sviluppato un sistema optrode basato su tecnologie di sistemi microelettromeccanici (MEMS) per la stimolazione ottica e la registrazione elettrica su microscala40. L'array di microlenti tra un LED e fibre ottiche ha aumentato l'efficienza luminosa di 3,13 dB. Come mostrato nella Figura 1, un array di fibre ottiche 2x2 è allineato sull'array di microlenti 4x4 e il LED è posizionato sotto l'array di microlenti. Le fibre ottiche 2x2 sono montate invece di 4x4 per ridurre i danni cerebrali. Un array di elettrodi di tungsteno è posizionato adiacente all'array di optrodi utilizzando il silicio tramite fori per la registrazione elettrofisiologica (Figura 1B).
Il sistema è costituito da una parte superiore monouso e da parti inferiori staccabili. La parte superiore monouso, che comprende l'array di fibre ottiche, l'array di microlenti e l'array di elettrodi di tungsteno, è progettata per essere impiantata in modo permanente nel cervello per esperimenti in vivo . La parte inferiore comprende una sorgente luminosa a LED e una linea di alimentazione esterna, facilmente rimovibile e riutilizzabile per un altro esperimento animale. Una copertura in plastica collegabile protegge la parte monouso quando la parte rimovibile viene rimossa.
La fattibilità del sistema è verificata mediante l'impianto nel cervello di topi transgenici che esprimono channelrhodopsin-2 (ChR2) in neuroni Ca2+/calmodulina-dipendenti proteina chinasi II-positivi (caMKIIα::ChR2 mouse). Gli elettrodi di registrazione sono stati utilizzati per registrare le attività neurali dei singoli neuroni durante la stimolazione ottica dei neuroni.

<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

Durante l'ultimo decennio, l'optogenetica è diventata uno strumento essenziale per lo studio della segnalazione neurale grazie alla sua capacità unica di modulazione o monitoraggio neurale selettivo. Poiché tipi specifici di cellule neuronali possono essere geneticamente modificati per esprimere proteine opsina, l'optogenetica consente la stimolazione ottica o l'inibizione dei neuroni selezionati. Ci sono stati diversi progressi tecnologici nel sistema ottico per l'optogenetica. Recentemente, è stato proposto di combinare la guida d'onda ottica per l'erogazione della luce con la registrazione elettrofisiologica per monitorare contemporaneamente le risposte neurali alla stimolazione o all'inibizione optogenetica. In questo studio, è stato sviluppato un array optrode impiantabile (fibre ottiche 2x2) con elettrodi multicanale incorporati. 
Un diodo a emissione luminosa (LED) è stato impiegato come sorgente luminosa e un array di microlenti microfabbricati è stato integrato per fornire una potenza luminosa sufficiente sulla punta delle fibre ottiche. Il sistema optrode array comprende la parte monouso e la parte riutilizzabile. La parte monouso ha fibre ottiche ed elettrodi, mentre la parte riutilizzabile ha il LED e i circuiti elettronici per il controllo della luce e l'elaborazione del segnale neurale. Il nuovo design del sistema di array optrode impiantabile viene introdotto nel video di accompagnamento oltre alla procedura della chirurgia di impianto optrodo, alla stimolazione della luce optogenetica e alla registrazione neurale elettrofisiologica. I risultati degli esperimenti in vivo hanno mostrato con successo picchi neurali bloccati nel tempo evocati dagli stimoli luminosi dei neuroni eccitatori dell'ippocampo dei topi.

Il sistema optrode è fabbricato con successo per fornire una potenza luminosa sufficiente per attivare i neuroni bersaglio. L'allineamento fine degli elettrodi di tungsteno si ottiene attraverso il silicio microfabbricato attraverso i fori. L'intensità luminosa misurata è di 3,6 mW/mm2 sulla punta della fibra ottica quando viene applicata una corrente di 50 mA. I microlenti hanno aumentato l'efficienza luminosa di 3,13 dB. A causa dell'array di microlenti, che migliora l'accoppiamento della luce, la corrent...

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Optrode Array for Simultaneous Optogenetic Modulation and Electrical Neural Recording

Qui, presentiamo il metodo di fabbricazione di un sistema optrode con fibre ottiche per l'erogazione della luce e un array di elettrodi per la registrazione neurale. Esperimenti in vivo con topi transgenici che esprimono channelrhodopsin-2 mostrano la fattibilità del sistema per la stimolazione optogenetica simultanea e la registrazione elettrofisiologica.

Optrode Array per la modulazione optogenetica simultanea e la registrazione neurale elettrica

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

Questo protocollo include la fabbricazione su sistema optrode per la stimolazione optogenetica simultanea e la registrazione elettrofisiologica. Il sistema basato su LED proposto migliora l'efficienza di accoppiamento della luce attraverso un array di microlenti. Una sorgente luminosa a LED ha una semplice configurazione dell'illuminazione rispetto a una sorgente di luce laser in modo che il sistema sia facilmente applicabile al sistema wireless.L'optogenetica è una tecnica di percorso per comprendere la patologia delle malattie neurologiche e i meccanismi di trattamento. L'optogenetica può essere applicata per trattare lesioni del midollo spinale, epilessia, morbo di Parkinson e morbo di Alzheimer. Il nostro dispositivo basato su LED può essere ulteriormente implementato come sistema wireless con diversi vantaggi, come bassa complessità del sistema, economicità e basso consumo energetico.Innanzitutto, collegare il connettore femmina con passo di 1,27 millimetri al preamplificatore dello stadio principale. Posizionare il LED nell'alloggiamento stampato in 3D. Misurare l'intensità della luce all'estremità della punta della fibra ottica utilizzando un fotodiodo.Immergere gli elettrodi di tungsteno e le fibre ottiche in alcool per 15 minuti e asciugarli all'aria. Rasare la pelle della testa e posizionare il mouse anestetizzato nella cornice stereotassica. Posizionare la testa all'interno della cornice stereotassica e inserire le barre auricolari nel meato.Accendere la piastra riscaldante termica incorporata nel telaio stereotassico e mantenere la temperatura corporea a 37 gradi Celsius durante le procedure chirurgiche. Regolare la barra di incisione per impostare l'altezza della barra di incisione e stringere il morsetto del naso contro il muso. Coprire gli occhi con vaselina per prevenire la secchezza.Sollevare la pelle della testa con una pinza, fissare uno spazio di iniezione e iniettare l'1% di lidocaina sotto il cuoio capelluto. Eseguire un'incisione sagittale utilizzando un bisturi e forbici fini. Tenere la pelle incisa con un microclamp per ampliare la visibilità dell'area chirurgica.Rimuovere il periostio con tamponi di cotone. Se c'è sanguinamento, cauterizzato il cranio usando un bovie per sigillare i vasi sanguigni. Pulire il cranio con soluzione salina e contrassegnare i siti di craniotomia utilizzando un braccio manipolatore.Praticare un foro sopra il cervelletto e inserire una vite per il terreno. Usando una vite di precisione, metti la vite di terra profonda 0,5 millimetri fino a raggiungere la parte superiore del cervelletto. Forare l'area contrassegnata e rimuovere un pezzo del cranio con una pinza.Piegare la punta di un ago calibro 26 in senso orario con un angolo di 120 gradi ed esporre l'area del cervello inserendo il lato smussato dell'ago rivolto verso l'alto. Fissare l'array optrode nel braccio del manipolatore e avvicinarsi all'area esposta. Inserire lentamente l'array optrode e collegare la vite di terra al filo d'argento collegato al sistema.Inserire schiuma di gel tra il cervello esposto e il dispositivo per proteggere le sostanze chimiche dal contatto diretto con il cervello. Applicare con attenzione il cemento dentale sul cranio per fissare il dispositivo e coprire la schiuma gel. Prima che il cemento dentale sia completamente indurito, separare il cuoio capelluto se attaccato al cemento dentale.Tirare la pelle incisa con una pinza per coprire il cemento dentale indurito e suturare il cuoio capelluto. Posizionare il mouse anestetizzato nella cornice stereotassica. Impostare la ricetta dell'impulso luminoso su 4% duty cycle in frequenza 10 Hertz.Impostare la stimolazione luminosa per due secondi durante la registrazione neurale. Togliere il coperchio in plastica e fissare la parte superiore dei sistemi di erogazione della luce con il LED riutilizzabile nei circuiti. Collegare il preamplificatore dello stadio di testa al connettore a cinque pin impiantato.Aprire il software e impostare i filtri software. Quindi, fare clic e impostare la frequenza di campionamento dell'amplificatore. Quindi fare clic su Cambia larghezza di banda.Impostare la larghezza di banda inferiore dell'amplificatore e la larghezza di banda superiore dell'amplificatore. Controllare il software DAC High-Pass Filter. Apri Spike Scope e controlla i segnali neurali utilizzando la soglia di tensione.Fare clic su Interrompi e registra. Carica i dati acquisiti utilizzando MATLAB e controlla i dati grezzi. Quindi eseguire il codice di ordinamento spike che contiene l'algoritmo wave clust.Controlla i picchi ordinati nella trama raster. Ora traccia i picchi di conteggio e controlla i picchi evocati durante la stimolazione della luce. La figura mostra intere forme d'onda registrate con condizioni esatte, tra cui due secondi di luce sul periodo nel mezzo.Il numero di singoli picchi neurali evocati dopo ogni impulso di stimolazione luminosa è aumentato significativamente rispetto alla linea di base con diversi contenitori temporali di due secondi e 0,2 secondi. La figura mostra un istogramma spike per ogni canale prima, durante e dopo la stimolazione luminosa. La figura dell'inserto indica la posizione dell'array di optrode impiantato.Inoltre, la versione ingrandita mostra un istogramma spike con un cestino temporale di 100 millisecondi. La barra blu rappresenta il periodo di tempo in cui la spia LED era accesa per registrare la risposta. Per ridurre al minimo il rumore dell'artefatto dal processo di corrente di guida del LED, il sistema deve essere progettato per garantire una distanza sufficiente tra il percorso del segnale elettrico e il circuito LED.Il sistema optrode basato su LED proposto può studiare i vari segnali neuro relativi ai comportamenti degli animali perché può fornire stimolazione optogenetica e registrare le risposte neuro evocate. Un array di optrode LED è compatibile con l'interfaccia optogenetica wireless, che può essere utilizzata nella ricerca sugli animali in libera circolazione.

Research

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Neuroscience

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