Name: optrode array for simultaneous optogenetic modulation and electrical neural recording
Uploaded: 2022-09-01T13:00:00
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본 연구는 한국과학기술정보통신부(NRF-2019M3C1B8090805)가 후원하는 한국연구재단(NRF-2019M3C1B8090805)을 통한 인간증강을 위한 융합기술 R&D 프로그램의 지원을 받았으며, 한국연구재단(MSIT)이 후원하는 한국연구재단(NRF) 보조금(제2019R1A2C1088909호)의 지원을 받았다. 형질전환 생쥐를 친절하게 제공해주신 KAIST 한국생명과학부 이승희 연구실에 감사드립니다.

동물 관리 및 외과 수술은 이화여자대학교 기관동물보호이용위원회(IACUC)의 승인을 받았다(제20-029호).
1. 옵트로드 어레이의 제조(도 1 및 도 2)
<ol><li>마이크로렌즈 어레이로 광섬유를 부착합니다.<ol>
<li>광섬유의 패시베이션 코팅을 제거하고 정밀 광섬유 절단기를 사용하여 5mm 길이의 조각으...

광유전학적 자극 및 전기생리학적 기록의 동시 구축을 위한 시스템의 타당성이 검증되었다(도 6). 광 자극 동안 큰 스파이크는 광 자극과 동시에 발생하는 광전 아티팩트입니다 (그림 6A). 이것은 빨간색 점선 사각형의 파형을 확대 한 뷰에서 분명합니다 (그림 6A). 도 6A에 도시된 바와 같이, 광전기 아티팩트?...

신경 활동을 기록하고 제어하는 것은 뇌가 신경망과 세포 수준에서 어떻게 기능하는지 이해하는 데 필수적입니다. 통상적인 전기생리학적 기록 방법은 마이크로피펫을 사용하는 패치 클램프 1,2,3,4 및 미세신경 전극(5,6,7,8)을 이용한 세포외 기록을 포함한다. 신경 조절 방법으로서, 전기 자극은 신경 세포의 직접 또는 간접적 탈분극을 통해 초점 뇌 영역을 직접 자극하기 위해 자주 사용되어 왔다. 그러나, 전기적 방법은 전류가 모든 방향으로 확산되기 때문에 기록 또는 자극을 위한 뉴런 세포 유형을 구별할 수 없다.
신흥 기술로서, 광유전학은 신경계가어떻게 작동하는지 이해하는 새로운 시대를 열었습니다 9,10,11,12,13,14,15,16. 광유전학 기술의 본질은 빛을 사용하여 유전자 변형 세포에 의해 발현되는 빛에 민감한 옵신 단백질의 활성을 조절하는 것이다. 따라서, 광유전학은 복잡한 신경 회로(14,17)에서 유전적으로 선택된 세포의 정교한 변조 또는 모니터링을 가능하게 한다. 광유전학적 접근법의 광범위한 사용은 광학 신경 조절을 직접 확인하기 위해 동시 신경 기록이 필요했다. 따라서 조명 제어 및 기록 기능을 갖춘 통합 장치는16,18,19,20,21,22,23,24,25 매우 유용합니다.
기존의 레이저 기반 광유전학적 자극에는 한계가 있으며, 이는 부피가 크고 고가의 광 전달 시스템(26,27,28,29,30)을 필요로 한다. 따라서, 일부 연구 그룹은 광 전달 시스템(31,32,33,34)의 크기를 최소화하기 위해 μLED 기반 실리콘 프로브를 사용했다. 그러나 LED의 낮은 에너지 변환 효율로 인해 μLED와의 직접 접촉으로 인한 열적 뇌 손상의 위험이 있습니다. 광섬유, SU-8 및 실리콘 산화 질화물 (SiON)과 같은 광 도파관은 열 손상 30,35,36,37,38,39를 피하기 위해 적용되었습니다. 그러나 이 전략은 광원과 도파관 간의 결합 효율이 낮기 때문에 단점도 있습니다.
마이크로렌즈 어레이는 LED와 광섬유(40) 사이의 광 결합 효율을 향상시키기 위해 이전에 도입되었다. 옵트로드 시스템은 마이크로스케일(40)에서 광학 자극 및 전기 기록을 위한 미세전자기계 시스템(MEMS) 기술에 기초하여 개발되었다. LED와 광섬유 사이의 마이크로렌즈 어레이는 광 효율을 3.13dB까지 높였습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 2x2 광섬유 어레이는 4x4 마이크로렌즈 어레이에 정렬되고 LED는 마이크로렌즈 어레이 아래에 위치합니다. 뇌 손상을 줄이기 위해 4x4 대신 2x2 광섬유가 장착됩니다. 텅스텐 전극 어레이는 전기 생리학적 기록을 위해 실리콘 비아홀을 사용하는 옵트로드 어레이에 인접하게 위치한다(그림 1B).
이 시스템은 상단 일회용 부품과 탈착식 하단 부품으로 구성됩니다. 광섬유 어레이, 마이크로 렌즈 어레이 및 텅스텐 전극 어레이를 포함하는 상단 일회용 부분은 생체 내 실험을 위해 뇌에 영구적으로 이식되도록 설계되었습니다. 하단 부분에는 LED 광원과 외부 전원 공급 장치 라인이 포함되어있어 쉽게 분리 할 수 있으며 다른 동물 실험에 재사용할 수 있습니다. 부착 가능한 플라스틱 커버는 탈착식 부품을 제거할 때 일회용 부품을 보호합니다.
시스템의 타당성은 Ca2+/calmodulin-의존성 단백질 키나제 II 양성 뉴런(CaMKIIα::ChR2 마우스)에서 채널로돕신-2(ChR2)를 발현하는 트랜스제닉 마우스의 뇌에 이식함으로써 검증된다. 기록 전극은 뉴런의 광학 자극 동안 개별 뉴런으로부터의 신경 활동을 기록하기 위해 사용되었다.

<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

지난 십 년 동안, 광유전학은 선택적 신경 조절 또는 모니터링의 독특한 능력으로 인해 신경 신호 전달의 조사에 필수적인 도구가되었습니다. 특정 유형의 뉴런 세포가 옵신 단백질을 발현하도록 유전적으로 변형될 수 있기 때문에, 광유전학은 선택된 뉴런의 광학 자극 또는 억제를 가능하게 한다. 광유전학을 위한 광학 시스템에는 몇 가지 기술적 진보가 있었다. 최근에, 광전달을 위한 광학 도파관과 전기생리학적 기록을 결합하여 광유전학적 자극 또는 억제에 대한 신경 반응을 동시에 모니터링하는 것이 제안되었다. 이 연구에서, 이식형 옵트로드 어레이(2x2 광섬유)가 내장된 다채널 전극으로 개발되었다. 
발광 다이오드(LED)를 광원으로 사용하였고, 광섬유의 팁에 충분한 광 전력을 제공하기 위해 미세제작된 마이크로렌즈 어레이가 집적되었다. 옵트로드 어레이 시스템은 일회용 부분과 재사용 가능한 부분을 포함한다. 일회용 부품에는 광섬유와 전극이 있으며 재사용 가능한 부분에는 광 제어 및 신경 신호 처리를위한 LED 및 전자 회로가 있습니다. 이식형 옵트로드 어레이 시스템의 신규한 설계는 옵트로피드 이식 수술, 광유전학적 광 자극, 및 전기생리학적 신경 기록의 절차 이외에 수반되는 비디오에 도입된다. 생체 내 실험의 결과는 마우스의 해마 흥분성 뉴런으로부터의 빛 자극에 의해 유발되는 시간 고정 신경 스파이크를 성공적으로 보여주었습니다.

옵트로드 시스템은 표적 뉴런을 활성화시키기에 충분한 광력을 제공하기 위해 성공적으로 제조된다. 텅스텐 전극의 미세 정렬은 구멍을 통해 미세 제작 된 실리콘을 통해 달성됩니다. 측정된 광도는 50mA 전류가 인가될 때 광섬유 팁에서 3.6mW/mm2 입니다. 마이크로 렌즈는 광 효율을 3.13dB까지 높였습니다. 광 커플링을 향상시키는 마이크로렌즈 어레이로 인해, 인가된 전류는 마이크로렌즈 ?...

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Optrode Array for Simultaneous Optogenetic Modulation and Electrical Neural Recording

여기에서는 광 전달을위한 광섬유와 신경 기록을위한 전극 어레이가있는 옵트로드 시스템의 제조 방법을 제시합니다. 채널로돕신-2를 발현하는 트랜스제닉 마우스를 이용한 생체내 실험은 광유전학적 자극 및 전기생리학적 기록을 동시에 위한 시스템의 실현가능성을 보여준다.

동시 광유전학적 변조 및 전기 신경 기록을 위한 광섬유 어레이

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

이 프로토콜은 광유전학적 자극 및 전기생리학적 기록을 동시에 위한 옵트로피드 시스템 제작을 포함한다. 제안된 LED 기반 시스템은 마이크로렌즈 어레이를 통해 광 결합 효율을 향상시킨다. LED 광원은 레이저 광원보다 간단한 조명 설정을 통해 시스템을 무선 시스템에 쉽게 적용할 수 있습니다.광유전학은 신경 질환 및 치료 메커니즘의 병리학을 이해하기위한 경로 기술입니다. 광유전학은 척수 손상, 간질, 파킨슨 병 및 알츠하이머 병을 치료하는 데 적용 할 수 있습니다. 당사의 LED 기반 장치는 낮은 시스템 복잡성, 비용 효율성 및 낮은 전력 소비와 같은 몇 가지 장점을 갖춘 무선 시스템으로 추가로 구현할 수 있습니다.먼저 1.27mm 피치 암 커넥터를 헤드 스테이지 프리앰프에 연결합니다. LED를 3D 인쇄 하우징에 넣습니다. 광 다이오드를 사용하여 광섬유 팁의 끝에서 광 강도를 측정하십시오.텅스텐 전극과 광섬유를 알코올에 15 분 동안 담그고 공기 건조시킵니다. 머리 피부를 면도하고 마취 된 마우스를 입체 프레임에 놓습니다. 스테레오택틱 프레임 안에 머리를 놓고 이어 바를 고기에 삽입하십시오.입체 프레임에 내장 된 열 가열 패드를 켜고 수술 과정 내내 체온을 섭씨 37도에서 유지하십시오. 절개 막대의 높이를 설정하기위한 절개 막대를 조정하고 주둥이에 대해 코 클램프를 조이십시오. 건조를 방지하기 위해 석유 젤리로 눈을 가리십시오.포셉으로 머리의 피부를 들어 올리고 주사 공간을 확보 한 다음 두피 아래에 1 % 리도카인을 주사하십시오. 메스와 미세한 가위를 사용하여 시상 절개를 수행하십시오. 절개 된 피부를 마이크로 클램프로 잡고 수술 부위의 시야를 넓히십시오.면봉을 사용하여 골막을 제거하십시오. 출혈이있는 경우, 혈관을 봉인하기 위해 보비를 사용하여 두개골을 소작했습니다. 식염수로 두개골을 청소하고 조작기 팔을 사용하여 두개골 절제술 부위를 표시하십시오.소뇌 위에 구멍을 뚫고 땅에 나사를 삽입하십시오. 정밀 나사를 사용하여 소뇌 꼭대기에 도달 할 때까지 접지 나사를 0.5 밀리미터 깊이로 두십시오. 표시된 부분을 뚫고 집게로 두개골 조각을 제거하십시오.26게이지 바늘 끝을 시계 방향으로 120도 각도로 구부리고 바늘의 베벨 면을 위쪽을 향하도록 삽입하여 뇌 영역을 노출시킵니다. 조작기 암에 옵트로드 어레이를 고정하고 노출 된 영역 가까이로 이동하십시오. optrode 어레이를 천천히 삽입하고 접지 나사를 시스템에 연결된 은선에 연결하십시오.노출 된 뇌와 장치 사이에 젤 폼을 삽입하여 화학 물질이 뇌와 직접 접촉하지 않도록 보호하십시오. 조심스럽게 두개골에 치과 시멘트를 바르고 장치를 고정하고 젤 폼을 덮으십시오. 치과 시멘트가 완전히 경화되기 전에 치과 시멘트에 부착 된 경우 두피를 분리하십시오.절개된 피부를 포셉으로 당겨 경화된 치과 시멘트를 덮고 두피를 봉합합니다. 마취 된 마우스를 입체 프레임에 놓습니다. 라이트 펄스 레시피를 10헤르츠 주파수에서 4%듀티 사이클로 설정합니다.신경 기록 중에 두 초 동안 빛 자극을 설정하십시오. 플라스틱 커버를 벗고 회로에 재사용 가능한 LED로 광 전달 시스템 상단을 부착하십시오. 헤드 스테이지 프리앰프를 이식된 다섯 핀 커넥터에 연결합니다.소프트웨어를 열고 소프트웨어 필터를 설정하십시오. 그런 다음 증폭기 샘플링 속도를 클릭하고 설정하십시오. 그런 다음 대역폭 변경을 클릭합니다.증폭기를 낮은 대역폭과 증폭기 상위 대역폭으로 설정하십시오. 소프트웨어 DAC 하이 패스 필터를 확인하십시오. 스파이크 범위를 열고 전압 임계값을 사용하여 신경 신호를 확인합니다.중지 및 기록을 클릭합니다. MATLAB을 사용하여 획득한 데이터를 로드하고 원시 데이터를 확인합니다. 그런 다음 웨이브 클러스트 알고리즘이 포함 된 스파이크 정렬 코드를 실행하십시오.래스터 플롯에서 정렬된 스파이크를 확인합니다. 이제 스파이크를 세는 플롯을 플롯하고 빛 자극 중에 유발 된 스파이크를 확인하십시오. 이 그림은 중간에 두 초의 빛 빛을 포함하여 정확한 조건을 가진 기록 된 전체 파형을 보여줍니다.각 광 자극 펄스 다음에 유발 된 개별 신경 스파이크의 수는 2 초 및 0.2 초의 서로 다른 시간 빈을 가진 기준선과 비교하여 상당히 증가했습니다. 그림은 광 자극 전, 도중 및 후의 각 채널에 대한 스파이크 히스토그램을 보여줍니다. 삽입된 도면은 이식된 옵트로드 어레이의 위치를 나타낸다.또한, 확대/축소된 버전은 100밀리초 시간 빈을 갖는 스파이크 히스토그램을 보여준다. 파란색 막대는 응답을 기록하기 위해 LED 표시등이 켜진 기간을 나타냅니다. LED 구동 전류 공정에서 발생하는 아티팩트 잡음을 최소화하려면 전기 신호 경로와 LED 회로 사이의 충분한 거리를 보장하도록 시스템을 설계해야 합니다.제안 된 LED 기반 옵트로드 시스템은 광유전 적 자극을 전달하고 유발 된 신경 반응을 기록 할 수 있기 때문에 동물의 행동과 관련된 다양한 신경 신호 전달을 조사 할 수 있습니다. LED 옵트로피드 어레이는 자유롭게 움직이는 동물 연구에 사용할 수 있는 무선 광유전학 인터페이스와 호환됩니다.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

동시 신경 자극과 워터 미로에서 녹음을위한 설계 및 비용 효율적인 Headstage 구축

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

연구

신경과학

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

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

신경 인터페이스 전압 바이어스, 순환 Voltammetry, &amp; 전기 임피던스 분광학

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

경피적 전기 신경 자극을 사용하여 신경 근육 기능의 평가

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 기능 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

미세 전극 배열에서 신경 세포 배양의 자극에 대한 네트워크 반응의 시간 의존적 증가

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

만성 Transcranial 전기 자극 및 쥐 Intracortical 녹음

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

대뇌 피 질의 로컬 필드 전위, 심전도, 치십시오, 그리고 자유롭게 움직이는 쥐에서 리듬 호흡의 동시 녹음

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

마우스에서 수면/각성 상태를 모니터링하는 동안 신경 회로의 광유전학 적 조작

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

일반적인 마모 셋에 전체 피 질 Electrocorticographic 배열의 만성 이식

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