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 forskningen ble støttet av Convergent Technology R&D Program for Human Augmentation gjennom National Research Foundation of Korea (NRF), finansiert av Ministry of Science and ICT (NRF-2019M3C1B8090805), og støttet av et National Research Foundation of Korea (NRF) stipend finansiert av Korea-regjeringen (MSIT) (nr. 2019R1A2C1088909). Vi takker Seung-Hee Lees laboratorium ved Institutt for biovitenskap, KAIST, Daejeon, Korea, for vennlig å gi de transgene musene.

Dyrepleie- og kirurgiske prosedyrer ble godkjent av Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) ved Ewha Womans University (nr. 20-029).
1. Fremstilling av en optrode array (figur 1 og figur 2)
<ol><li>Fest optiske fibre med mikrolens-arrayet.<ol>
<li>Fjern passivasjonsbelegget til den optiske fiberen og kutt den i 5 mm lange stykker ved hjelp av en presisjons optisk fiberkl...

Gjennomførbarheten av systemet for samtidig optogenetisk stimulering og elektrofysiologisk opptak ble verifisert (figur 6). De store piggene under lysstimulering er fotoelektriske artefakter som forekommer samtidig med lysstimuleringen (figur 6A). Dette er tydelig i den zoomede visningen av bølgeformen i det røde stiplede rektangelet (figur 6A). Som vist i figur 6A, kunne de fotoelektriske artefakten...

Registrering og kontroll av nevral aktivitet er avgjørende for å forstå hvordan hjernen fungerer i et nevralt nettverk og på cellulære nivåer. Konvensjonelle elektrofysiologiske opptaksmetoder inkluderer patchklemmen 1,2,3,4 ved hjelp av en mikropipette og ekstracellulær opptak ved hjelp av mikroneurale elektroder 5,6,7,8. Som en nevromoduleringsmetode har elektrisk stimulering ofte blitt brukt til å stimulere en fokal hjerneregion direkte eller indirekte depolarisering av nevronceller direkte. Den elektriske metoden kan imidlertid ikke skille mellom nevronale celletyper for registrering eller stimulering fordi de elektriske strømmene sprer seg i alle retninger.
Som en ny teknologi har optogenetikk innledet en ny epoke for å forstå hvordan nervesystemet fungerer 9,10,11,12,13,14,15,16. Essensen av optogenetiske teknikker er å bruke lys for å kontrollere aktiviteten til lysfølsomme opsinproteiner uttrykt av genetisk modifiserte celler. Dermed muliggjør optogenetikk den sofistikerte moduleringen eller overvåkingen av genetisk utvalgte celler i kompliserte nevrale kretser14,17. Den bredere bruken av den optogenetiske tilnærmingen har nødvendiggjort samtidig nevral registrering for å direkte bekrefte optisk nevromodulering. Derfor vil en integrert enhet med lyskontroll og opptaksfunksjoner være ekstremt verdifull 16,18,19,20,21,22,23,24,25.
Det er begrensninger i konvensjonell, laserbasert optogenetisk stimulering, som krever et klumpete og dyrt lysleveringssystem 26,27,28,29,30. Derfor brukte noen forskningsgrupper μLED-baserte silisiumsonder for å minimere størrelsen på lysleveringssystemet 31,32,33,34. Det er imidlertid en risiko for termisk hjerneskade forårsaket av direkte kontakt med μLEDer på grunn av den lave energikonverteringseffektiviteten til lysdioder. Lysbølgeledere, som optiske fibre, SU-8 og silisiumoksynitrid (SiON), er påført for å unngå termisk skade 30,35,36,37,38,39. Denne strategien har imidlertid også en ulempe på grunn av den lave koblingseffektiviteten mellom lyskilder og bølgelederne.
Mikrolens-arrayet ble tidligere introdusert for å forbedre lyskoblingseffektiviteten mellom lysdioder og optiske fibre40. Et optrode-system ble utviklet basert på mikroelektromekaniske systemer (MEMS) teknologier for optisk stimulering og elektrisk opptak på en mikroskala40. Mikrolens-arrayet mellom en LED og optiske fibre økte lyseffektiviteten med 3,13 dB. Som vist i figur 1, er en 2x2 optisk fibermatrise justert på 4x4 mikrolens-arrayet, og LED-lampen er plassert under mikrolens-arrayet. De 2x2 optiske fibrene er montert i stedet for 4x4 for å redusere hjerneskade. En wolframelektrodematrise er plassert ved siden av optrode-matrisen ved hjelp av silisium via hull for elektrofysiologisk opptak (figur 1B).
Systemet består av en topp engangsdel og avtakbare bunndeler. Den øverste engangsdelen, som inkluderer den optiske fibermatrisen, mikrolens arrayet og wolframelektrode arrayet, er designet for å implanteres permanent i hjernen for in vivo-eksperimenter . Den nederste delen inkluderer en LED-lyskilde og en ekstern strømforsyningslinje, som er lett flyttbar og gjenbrukbar for et annet dyreforsøk. Et plastdeksel som kan festes, beskytter engangsdelen når den avtakbare delen fjernes.
Gjennomførbarheten av systemet er verifisert ved implantasjon i hjernen til transgene mus som uttrykker channelrhodopsin-2 (ChR2) i Ca2 +/calmodulin-avhengig protein kinase II-positive nevroner (CaMKIIα::ChR2 mus). Registrering av elektroder ble brukt til å registrere nevrale aktiviteter fra individuelle nevroner under optisk stimulering av nevronene.

<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 løpet av det siste tiåret har optogenetikk blitt et viktig verktøy for undersøkelse av nevral signalering på grunn av sin unike evne til selektiv nevral modulasjon eller overvåking. Som spesifikke typer nevronceller kan genetisk modifiseres for å uttrykke opsinproteiner, muliggjør optogenetikk optisk stimulering eller hemming av de valgte nevronene. Det har vært flere teknologiske fremskritt i det optiske systemet for optogenetikk. Nylig ble det foreslått å kombinere den optiske bølgelederen for lyslevering med elektrofysiologisk opptak for samtidig å overvåke nevrale responser på optogenetisk stimulering eller hemming. I denne studien ble en implanterbar optrode array (2x2 optiske fibre) utviklet med innebygde flerkanalselektroder. 
En lysdiode (LED) ble brukt som lyskilde, og et mikrofabrikkert mikrolens array ble integrert for å gi tilstrekkelig lyseffekt på spissen av de optiske fibrene. Optrode array-systemet består av engangsdelen og den gjenbrukbare delen. Engangsdelen har optiske fibre og elektroder, mens den gjenbrukbare delen har LED og elektroniske kretser for lyskontroll og nevral signalbehandling. Den nye utformingen av det implanterbare optrode array-systemet er introdusert i den medfølgende videoen i tillegg til prosedyren for optrodimplantasjonskirurgi, optogenetisk lysstimulering og elektrofysiologisk nevral registrering. Resultatene av in vivo-eksperimenter viste vellykket tidslåste nevrale pigger fremkalt av lysstimuliene fra hippocampale eksitatoriske nevroner av mus.

Optrode-systemet er vellykket fremstilt for å gi tilstrekkelig lyskraft til å aktivere målnevronene. Den fine justeringen av wolframelektrodene oppnås gjennom mikrofabrikkert silisium via hullene. Den målte lysintensiteten er 3,6 mW/mm2 ved den optiske fiberspissen når 50 mA strøm påføres. Mikrolenene økte lyseffektiviteten med 3,13 dB. På grunn av mikrolens-arrayet, som forbedrer lyskoblingen, er den påførte strømmen omtrent halvparten av strømmen som kreves for å oppnå samme lysintensitet ut...

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 presenterer vi fabrikasjonsmetoden til et optrode-system med optiske fibre for lyslevering og en elektrodematrise for nevral opptak. In vivo eksperimenter med transgene mus som uttrykker channelrhodopsin-2 viser gjennomførbarheten av systemet for samtidig optogenetisk stimulering og elektrofysiologisk opptak.

Optrode Array for samtidig optogenetisk modulasjon og elektrisk nevral opptak

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

Denne protokollen inkluderer fabrikasjon på optrode system for samtidig optogenetisk stimulering og elektrofysiologisk opptak. Det foreslåtte LED-baserte systemet forbedrer lyskoblingseffektiviteten gjennom et mikrolens-array. En LED-lyskilde har en enkel belysning satt opp enn en laserlyskilde, slik at systemet er lett tilgjengelig for det trådløse systemet.Optogenetikk er en baneteknikk for å forstå patologien til nevrologisk sykdom og behandlingsmekanismer. Optogenetikk kan brukes til behandling av ryggmargsskade, epilepsi, Parkinsons sykdom og Alzheimers sykdom. Vår LED-baserte enhet kan implementeres videre som et trådløst system med flere fordeler, for eksempel lav systemkompleksitet, kostnadseffektivitet og lavt strømforbruk.Først kobler du den kvinnelige kontakten på 1,27 millimeter til hodetrinnsforforsterkeren. Plasser LED-lampen i det 3D-trykte huset. Mål lysintensiteten på slutten av den optiske fiberspissen ved hjelp av en fotodiode.Senk wolframelektrodene og optiske fibrene ned i alkohol i 15 minutter og tørk dem luft. Barber hodehuden og plasser den bedøvede musen i den stereotaktiske rammen. Plasser hodet innenfor den stereotaktiske rammen og sett ørestengene inn i kjøttstykket.Slå på den termiske varmeputen som er innebygd i den stereotaktiske rammen, og oppretthold kroppstemperaturen ved 37 grader Celsius gjennom de kirurgiske prosedyrene. Juster snittstangen for å stille inn høyden på snittstangen og stram neseklemmen mot snuten. Dekk øynene med petroleumjell for å forhindre tørrhet.Løft huden i hodet med tang, sikre et injeksjonsrom og injiser 1% lidokain under hodebunnen. Utfør et sagittal snitt ved hjelp av en skalpell og fin saks. Hold den innsnevrede huden med en mikroklamp for å utvide synligheten til det kirurgiske området.Fjern periosteumet ved hjelp av bomullspinne. Hvis det er blødning, cauterized skallen ved hjelp av en bovie for å forsegle blodårene. Rengjør skallen med saltvann og merk kraniotomistedene ved hjelp av en manipulatorarm.Bor et hull over cerebellum og sett inn en skrue for bakken. Bruk en presisjonsskrue og sett jordskruen 0,5 millimeter dyp til den når toppen av cerebellum. Bor det merkede området og fjern et stykke av skallen med tang.Bøy en 26-gauge nålspiss med klokken i en vinkel på 120 grader og eksponer hjerneområdet ved å sette inn skråsiden av nålen vendt oppover. Fest optrode-arrayet i manipulatorarmen og beveg deg nær det eksponerte området. Sett optrode-arrayet langsomt inn og koble jordskruen til den sølvfargede ledningen som er festet til systemet.Sett inn gelskum mellom den eksponerte hjernen og enheten for å beskytte kjemikalier mot direkte kontakt med hjernen. Påfør forsiktig tannsement på skallen for å fikse enheten og dekke gelskummet. Før tannsementen er helt herdet, separer hodebunnen hvis den er festet til tannsementen.Trekk den innsnevret huden med tang for å dekke den herdede tannsementen og suturer hodebunnen. Plasser den bedøvede musen i den stereotaktiske rammen. Sett lyspulsoppskriften til 4% driftssyklus i 10 Hertz-frekvens.Sett opp lysstimuleringen i to sekunder under nevral opptak. Ta av plastdekselet og fest lysleveringssystemenes øvre del med den gjenbrukbare LED-lampen i kretser. Koble hodetrinnsforforsterkeren til den implanterte fempinnekontakten.Åpne programvaren og sett opp programvarefiltrene. Deretter klikker du og angir samplingsfrekvens for forsterker. Klikk deretter endre båndbredde.Angi forsterker lavere båndbredde og forsterker øvre båndbredde. Sjekk programvare DAC High-Pass Filter. Åpne Spike Scope og kontroller nevrale signaler ved hjelp av spenningsterskel.Klikk Stopp og spill inn. Last inn de innsamvede dataene ved hjelp av MATLAB og kontroller rådata. Kjør deretter spike sorteringskode som inneholder bølge clust algoritme.Kontroller sorterte pigger i rasterplottet. Nå plott teller pigger og sjekk fremkalte pigger under lysstimulering. Figuren viser hele registrerte bølgeformer med eksakte forhold, inkludert to sekunders lys på perioden i midten.Antallet fremkalte individuelle nevrale pigger etter hver lysstimuleringspuls økte betydelig sammenlignet med grunnlinjen med forskjellige tidsbeholdere på to sekunder og 0,2 sekunder. Figuren viser et spike histogram for hver kanal før, under og etter lysstimulering. Innsettingsfiguren indikerer plasseringen av den implanterte optrode-matrisen.Videre viser den zoomede versjonen et spike histogram med en 100 millisekunders tidsskuff. Den blå linjen representerer tidsperioden LED-lyset var på for å registrere responsen. For å minimere artefaktsstøyen fra LED-kjørestrømprosessen, bør systemet utformes for å sikre nok avstand mellom elektrosignalbanen og LED-kretsen.Det foreslåtte LED-baserte optrode-systemet kan undersøke de ulike nevrosignalene relatert til dyrs oppførsel fordi det kan levere optogenetisk stimulering og registrere de fremkalte nevroresponsene. En LED optrode array er kompatibel med det trådløse optogenetikkgrensesnittet, som kan brukes i fritt bevegelig 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

Spenning administratorinnstilling, Syklisk Voltammetry, og elektrisk impedans spektroskopi for Neural 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

Vurdering av nevromuskulær funksjon Bruke Percutaneous elektrisk nervestimulering

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 Funksjonell 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

Tidsavhengig økning i nettverksresponsen til stimulering av 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 Transkraniell elektrisk stimulering og Intracortical opptak 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

Samtidig opptak av kortikale lokale feltet potensialene, elektrokardiogram, eletromyografi og puste rytmen fra en fritt flyttende 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

Optogenetic manipulasjon av Neural kretser under overvåking søvn/våkenhet States 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 implantering av hele-kortikale Electrocorticographic matrise i den vanlige Marmoset

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