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

この研究は、韓国国立研究財団(NRF)を通じたConvergent Technology R&D Program for Human Augmentationの支援を受け、科学情報化部(NRF-2019M3C1B8090805)が資金提供し、韓国政府(MSIT)が資金提供する韓国国立研究財団(NRF)助成金(No. 2019R1A2C1088909)の支援を受けました。韓国大田(テジョン)のKAIST生物科学科にあるイ・スンヒ氏の研究室には、トランスジェニックマウスを提供してくださったことに感謝します。

動物の世話と外科的処置は、梨花女子大学の施設動物ケアおよび使用委員会(IACUC)によって承認されました(番号20-029)。
1. オプトロードアレイの作製(図1、図2)
<ol><li>マイクロレンズアレイに光ファイバを取り付けます。<ol>
<li>光ファイバのパッシベーションコーティングを除去し、精密?...

光遺伝学的刺激と電気生理学的記録を同時に行うためのシステムの実現可能性を検証した(図6)。光刺激中の大きなスパイクは、光刺激と同時に発生する光電アーチファクトです(図6A)。これは、赤色の破線の長方形の波形のズーム表示で明らかです(図6A)。図6Aに示すように、記録された波形から光電気ア...

神経活動の記録と制御は、脳がニューラルネットワークや細胞レベルでどのように機能するかを理解するために不可欠です。従来の電気生理学的記録方法は、マイクロピペットを用いたパッチクランプ1,2,3,4およびマイクロニューラル電極5,6,7,8を用いた細胞外記録を含む。神経調節法として、電気刺激は、神経細胞の直接的または間接的な脱分極を介して焦点脳領域を直接刺激するために頻繁に使用されてきた。しかし、電気的方法は、電流があらゆる方向に広がるため、記録または刺激のための神経細胞型を区別することができない。
新興技術として、光遺伝学は、神経系がどのように機能するかを理解する上で新しい時代を先導しました 9,10,11,12,13,14,15,16.光遺伝学的技術の本質は、遺伝子組み換え細胞によって発現される光感受性オプシンタンパク質の活性を制御するために光を使用することである。したがって、光遺伝学は、複雑な神経回路14、17における遺伝的に選択された細胞の洗練された調節またはモニタリングを可能にする。光遺伝学的アプローチのより広範な使用は、光学的神経調節を直接確認するために同時神経記録を必要としてきた。したがって、光制御および記録機能を備えた統合デバイスは、16、18、19、20、21、22、23、24、25と非常に貴重であろう。
従来のレーザーベースの光遺伝学的刺激には限界があり、これはかさばる高価な光送達システム26、27、28、29、30を必要とする。したがって、いくつかの研究グループは、光送達システム31、32、33、34のサイズを最小限に抑えるためにμLEDベースのシリコンプローブを採用した。しかし、LEDのエネルギー変換効率が低いため、μLEDとの直接接触による熱脳損傷のリスクがあります。光ファイバ、SU-8、および酸窒化ケイ素(SiON)などの光導波路は、熱的損傷を避けるために適用されている30、35、36、37、38、39。しかし、この戦略には、光源と導波路間の結合効率が低いという欠点もあります。
マイクロレンズアレイは、LEDと光ファイバ40との間の光結合効率を高めるために予め導入した。オプトロードシステムは、マイクロスケール40での光刺激および電気記録のためのマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)技術に基づいて開発された。LEDと光ファイバ間のマイクロレンズアレイにより、光効率が3.13dB向上しました。 図1に示すように、2x2光ファイバアレイが4x4マイクロレンズアレイ上に整列され、LEDがマイクロレンズアレイの下方に配置される。脳の損傷を軽減するために、4x4の代わりに2x2光ファイバが取り付けられています。タングステン電極アレイは、電気生理学的記録用のシリコンビアホールを使用して、オプトロードアレイに隣接して配置される(図1B)。
システムは、上部の使い捨て部品と取り外し可能な下部部品で構成されています。光ファイバアレイ、マイクロレンズアレイ、タングステン電極アレイを含む上部の使い捨て部品は、 in vivo 実験のために脳に永久に移植されるように設計されています。下部にはLED光源と外部電源ラインが含まれており、簡単に取り外し可能で、別の動物実験に再利用できます。取り外し可能な部分を取り外すと、取り付け可能なプラスチックカバーが使い捨て部品を保護します。
このシステムの実現可能性は、Ca2+/カルモジュリン依存性プロテインキナーゼII陽性ニューロン(CaMKIIα::ChR2マウス)においてチャネルロドプシン-2(ChR2)を発現するトランスジェニックマウスの脳への移植によって検証される。記録電極は、ニューロンの光刺激中に個々のニューロンからの神経活動を記録するために使用された。

<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

過去10年間、光遺伝学は、選択的神経調節またはモニタリングの独自の能力のために、神経シグナル伝達の調査に不可欠なツールとなっています。特定のタイプのニューロン細胞をオプシンタンパク質を発現するように遺伝子改変することができるので、オプトジェネティクスは、選択されたニューロンの光刺激または阻害を可能にする。光遺伝学のための光学系にはいくつかの技術的進歩がありました。最近、光送達のための光導波路と電気生理学的記録を組み合わせて、光遺伝学的刺激または阻害に対する神経応答を同時にモニターすることが提案されている。本研究では、マルチチャネル電極を埋め込んだ埋め込み型オプトロードアレイ(2x2光ファイバ)を開発しました。 
光源として発光ダイオード(LED)を用い、微細加工したマイクロレンズアレイを集積し、光ファイバの先端に十分な光パワーを与えた。オプトロードアレイシステムは、使い捨て部品と再利用可能な部分で構成されています。使い捨て部品には光ファイバと電極があり、再利用可能な部分には光制御と神経信号処理用のLEDと電子回路があります。移植可能なオプトロードアレイシステムの新規設計は、オプトロド移植手術、光遺伝学的光刺激、および電気生理学的神経記録の手順に加えて、添付のビデオで紹介されている。 in vivo 実験の結果は、マウスの海馬興奮性ニューロンからの光刺激によって誘発される時間ロックされた神経スパイクを首尾よく示した。

オプトロード系は、標的ニューロンを活性化するのに十分な光力を提供するために首尾よく作製される。タングステン電極の微細位置合わせは、孔を介して微細加工されたシリコンを介して達成される。測定された光強度は、50mAの電流を印加したときの光ファイバ先端で3.6mW/mm2 です。マイクロレンズは光効率を3.13dB向上させた。光結合を強化するマイクロレンズアレイのために、印...

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

ここでは、光伝達用光ファイバと神経記録用電極アレイを用いたオプトロードシステムの製造方法について紹介する。チャネルロドプシン-2を発現するトランスジェニックマウスを用いた インビボ 実験は、同時光遺伝学的刺激および電気生理学的記録のためのシステムの実現可能性を示す。

同時光遺伝学的変調と電気的神経記録のためのオプトロードアレイ

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

このプロトコルには、同時に光遺伝学的刺激および電気生理学的記録のためのオプトロードシステム上での作製が含まれる。提案するLEDベースのシステムは、マイクロレンズアレイを介して光結合効率を高める。LED光源は、レーザー光源よりも簡単な照明設定を備えているため、システムはワイヤレスシステムに容易に適用できます。光遺伝学は、神経疾患の病態や治療機構を理解するための経路技術です。光遺伝学は、脊髄損傷、てんかん、パーキンソン病およびアルツハイマー病を治療するために適用することができる。当社のLEDベースのデバイスは、システムの複雑さ、費用対効果、低消費電力など、いくつかの利点を備えたワイヤレスシステムとしてさらに実装できます。まず、1.27mmピッチのメスコネクタをヘッドステージプリアンプに接続します。LEDを3Dプリントされたハウジングに配置します。フォトダイオードを用いて光ファイバ先端の端部の光強度を測定する。タングステン電極と光ファイバをアルコールに15分間浸漬し、風乾します。頭の皮膚を剃り、麻酔をかけられたマウスを定位フレームに入れます。定位フレーム内に頭を置き、イヤーバーをミータスに挿入します。定位フレームに埋め込まれた熱加熱パッドの電源を入れ、外科的処置を通して体温を摂氏37度に維持する。切開バーの高さを設定するための切開バーを調整し、鼻に対してノーズクランプを締め付けます。乾燥を防ぐためにワセリンで目を覆う。鉗子で頭の皮膚を持ち上げ、注射スペースを確保し、頭皮の下に1%リドカインを注入する。メスと細かいはさみを使って矢状切開を行います。切開した皮膚をマイクロクランプで保持し、手術領域の視認性を広げます。綿棒を使用して骨膜を除去します。出血がある場合は、血管を密封するためにウシを使って頭蓋骨を焼灼する。生理食塩水で頭蓋骨をきれいにし、マニピュレーターアームを使用して開頭部位に印を付けます。小脳の上に穴を開け、地面にネジを差し込みます。精密なネジを使用して、小脳の上部に達するまで0.5ミリメートルの深さのアースネジを置きます。マークされた領域をドリルし、鉗子で頭蓋骨の一部を取り除きます。26ゲージの針先を時計回りに120度の角度で曲げ、針の面取り側を上向きに挿入して脳領域を露出させます。マニピュレータアームにオプトロードアレイを固定し、露出した部分の近くに移動します。オプトロードアレイをゆっくりと挿入し、システムに取り付けられている銀線にアースネジを接続します。露出した脳とデバイスの間にゲルフォームを挿入して、化学物質を脳との直接接触から保護します。頭蓋骨に歯科用セメントを慎重に塗布して装置を固定し、ゲルフォームを覆う。歯科用セメントが完全に硬化する前に、歯科用セメントに取り付けられている場合は頭皮を分離します。硬化した歯科用セメントを覆うために鉗子で切開した皮膚を引っ張り、頭皮を縫合する。麻酔をかけられたマウスを定位フレームに置きます。光パルスレシピを10ヘルツ周波数で4%デューティサイクルに設定します。神経記録中に2秒間光刺激を設定します。プラスチックカバーを外し、再利用可能なLEDを回路に取り付けて、ライトデリバリーシステムの上部を取り付けます。ヘッドステージプリアンプを埋め込み型5ピンコネクタに接続します。ソフトウェアを開き、ソフトウェアフィルタを設定します。次に、アンプのサンプリングレートをクリックして設定します。次に、[帯域幅の変更] をクリックします。アンプの帯域幅を低く設定し、アンプの帯域幅を高く設定します。ソフトウェアDACハイパスフィルタを確認してください。スパイクスコープを開き、電圧スレッショルドを使用して神経信号をチェックします。「停止して記録」をクリックします。取得したデータをMATLABでロードし、生データを確認します。次に、wave clustアルゴリズムを含むスパイクソートコードを実行します。ラスタープロットでソートされたスパイクを確認します。次に、カウントスパイクをプロットし、光刺激中に誘発されたスパイクを確認します。この図は、中央に2秒間の光が当たる期間を含む、正確な条件で記録された波形全体を示しています。各光刺激パルスに続く誘発された個々の神経スパイクの数は、2秒および0.2秒の異なる時間ビンを有するベースラインと比較して有意に増加した。この図は、光刺激の前、最中、および後の各チャネルのスパイクヒストグラムを示しています。挿入図は、移植されたオプトロドアレイの位置を示す。さらに、ズームされたバージョンは、100ミリ秒のタイムビンを持つスパイクヒストグラムを示しています。青いバーは、応答を記録するために LED ライトが点灯していた期間を表します。LED駆動電流プロセスによるアーチファクトノイズを最小限に抑えるには、電気信号経路とLED回路の間に十分な距離を確保するようにシステムを設計する必要があります。提案されたLEDベースのオプトロードシステムは、光遺伝学的刺激を送達し、誘発された神経応答を記録することができるので、動物の行動に関連する様々な神経シグナル伝達を調査することができる。LEDオプトロードアレイは、自由に動く動物研究に使用できるワイヤレスオプトジェネティクスインターフェースと互換性があります。

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

水迷路における同時神経刺激および記録のためのコスト効率のヘッドステージの設計と構築

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

ニューラルインタフェースの電圧バイアス、サイクリックボルタンメトリー、＆電気インピーダンス分光法

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

同時電気生理学的記録および視交叉上核ニューロンのカルシウムイメージング

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

経皮的電気神経刺激を使用した神経筋機能の評価

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

Optogenetic Functional MRI

光遺伝学機能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

マイクロ電極アレイにおけるニューロン細胞培養の刺激に対するネットワーク応答の時間依存的増加

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

慢性的な経頭蓋電気刺激およびラットの皮質内の記録

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

皮質局所電界電位、心電図、筋電図、呼吸リズム自由行動ラットからの同時録音

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

マウスにおける睡眠/覚醒状態のモニタリング中の神経回路の光遺伝学的操作

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

一般的なセットの全皮質のシェットランドシープドッグ配列の慢性注入

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