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

Esta pesquisa foi apoiada pelo Convergent Technology P&D Program for Human Augmentation através da National Research Foundation of Korea (NRF), financiada pelo Ministério da Ciência e TIC (NRF-2019M3C1B8090805), e apoiada por uma bolsa da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) financiada pelo governo da Coreia (MSIT) (nº 2019R1A2C10888909). Agradecemos ao laboratório de Seung-Hee Lee no Departamento de Ciências Biológicas, KAIST, Daejeon, Coreia, por fornecer gentilmente os ratos transgênicos.

Os procedimentos cirúrgicos e de cuidados com animais foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC) da Universidade da Mulher de Ewha (nº 20-029).
1. Preparação de uma matriz optrode (Figura 1 e Figura 2)
<ol><li>Conecte fibras ópticas com a matriz de microlens.<ol>
<li>Remova o revestimento de passivação da fibra óptica e corte-a em pedaço...

Verificou-se a viabilidade do sistema para estimulação optogenética simultânea e registro eletrofisiológico (Figura 6). Os grandes picos durante a estimulação da luz são artefatos fotoelétricos que ocorrem ao mesmo tempo que a estimulação da luz (Figura 6A). Isso é claro na visão ampliada da forma de onda no retângulo tracejado vermelho (Figura 6A). Como mostrado na Figura 6A, os artefatos...

Gravar e controlar a atividade neural é essencial para entender como o cérebro funciona em uma rede neural e em níveis celulares. Os métodos convencionais de gravação eletrofisiológica incluem o grampode remendo 1,2,3,4 utilizando um micropipette e gravação extracelular usando eletrodos microneurais 5,6,7,8. Como método de neuromodulação, a estimulação elétrica tem sido frequentemente usada para estimular diretamente uma região cerebral focal através da despolarização direta ou indireta das células neuronais. No entanto, o método elétrico não pode distinguir tipos de células neuronais para gravação ou estimulação porque as correntes elétricas se espalham em todas as direções.
Como tecnologia emergente, a optogenética iniciou uma nova era na compreensão de como funciona o sistema nervoso 9,10,11,12,13,14,15,16. A essência das técnicas optogenéticas é usar a luz para controlar a atividade de proteínas de opsina sensíveis à luz expressas por células geneticamente modificadas. Assim, a optogenética permite a modulação ou monitoramento sofisticado de células geneticamente selecionadas em circuitos neurais complicados14,17. O uso mais amplo da abordagem optogenética exigiu registro neural simultâneo para confirmar diretamente a neuromodulação óptica. Portanto, um dispositivo integrado com funções de controle de luz e gravação seria extremamente valioso 16,18,19,20,21,22,23,24,25.
Há limitações da estimulação optogenética convencional baseada em laser, que requer um sistema de entrega de luz volumoso e caro 26,27,28,29,30. Portanto, alguns grupos de pesquisa utilizaram sondas de silício baseadas em μLED para minimizar o tamanho do sistema de entrega de luz 31,32,33,34. No entanto, há risco de danos cerebrais térmicos causados pelo contato direto com μLEDs devido à baixa eficiência de conversão de energia dos LEDs. Guias de ondas leves, como fibras ópticas, SU-8 e oxírio de silício (SiON), foram aplicados para evitar danos térmicos 30,35,36,37,38,39. No entanto, essa estratégia também tem uma desvantagem devido à sua baixa eficiência de acoplamento entre fontes de luz e os guias de onda.
O conjunto de microlens foi introduzido anteriormente para aumentar a eficiência de acoplamento de luz entre LEDs e fibras ópticas40. Um sistema optrode foi desenvolvido com base em tecnologias de sistemas microeletromecânicos (MEMS) para estimulação óptica e gravação elétrica em uma microescala40. O conjunto de microlens entre um LED e fibras ópticas aumentou a eficiência da luz em 3,13 dB. Como mostrado na Figura 1, uma matriz de fibra óptica 2x2 está alinhada na matriz de microlens 4x4, e o LED está posicionado abaixo da matriz de microlens. As fibras ópticas 2x2 são montadas em vez de 4x4 para reduzir os danos cerebrais. Uma matriz de eletrodo de tungstênio é posicionada adjacente à matriz optrode usando silício através de orifícios para gravação eletrofisiológica (Figura 1B).
O sistema consiste em uma peça descartável superior e partes inferiores destacáveis. A parte descartável superior, que inclui o conjunto de fibra óptica, a matriz de microlens e a matriz de eletrodo de tungstênio, foi projetada para ser permanentemente implantada no cérebro para experimentos in vivo . A parte inferior inclui uma fonte de luz LED e uma linha de alimentação externa, que é facilmente removível e reutilizável para outro experimento animal. Uma tampa de plástico anexável protege a parte descartável quando a parte destacável é removida.
A viabilidade do sistema é verificada pela implantação nos cérebros de camundongos transgênicos que expressam channelrhodopsin-2 (ChR2) em Neurônios kinase II-positivos de proteína dependente de Ca2+/calmodulin (CaMKIIα::ChR2 mouse). Os eletrodos de gravação foram utilizados para registrar as atividades neurais de neurônios individuais durante a estimulação óptica dos neurônios.

<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 a última década, a optogenética tornou-se uma ferramenta essencial para a investigação da sinalização neural devido à sua capacidade única de modulação ou monitoramento neural seletivo. Como tipos específicos de células neuronais podem ser geneticamente modificados para expressar proteínas de opsina, a optogenética permite estimulação óptica ou inibição dos neurônios selecionados. Houve vários avanços tecnológicos no sistema óptico para optogenética. Recentemente, foi proposto combinar o guia óptico de ondas para entrega de luz com gravação eletrofisiológica para monitorar simultaneamente as respostas neurais à estimulação ou inibição optogenética. Neste estudo, foi desenvolvido um conjunto de optrode implantável (fibras ópticas 2x2) com eletrodos multicanais incorporados. 
Um diodo emissor de luz (LED) foi empregado como fonte de luz, e uma matriz de microluvas microfrágico foi integrada para fornecer energia de luz suficiente na ponta das fibras ópticas. O sistema de matriz optrode compreende a parte descartável e a parte reutilizável. A peça descartável possui fibras ópticas e eletrodos, enquanto a parte reutilizável possui o LED e circuitos eletrônicos para controle de luz e processamento de sinal neural. O novo desenho do sistema de matriz optrode implantável é introduzido no vídeo que acompanha, além do procedimento da cirurgia de implantação de optrode, estimulação de luz optogenética e gravação neural eletrofisiológica. Os resultados de experimentos in vivo mostraram com sucesso picos neurais bloqueados pelo tempo evocados pelos estímulos de luz dos neurônios excitatórios hipocampais de camundongos.

O sistema optrode é fabricado com sucesso para fornecer energia de luz suficiente para ativar os neurônios alvo. O fino alinhamento dos eletrodos de tungstênio é alcançado através do silício microfrágico através dos orifícios. A intensidade da luz medida é de 3,6 mW/mm2 na ponta da fibra óptica quando a corrente de 50 mA é aplicada. Os microlens aumentaram a eficiência da luz em 3,13 dB. Devido à matriz de microlens, que melhora o acoplamento de luz, a corrente aplicada é aproximadamente metade...

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Optrode Array for Simultaneous Optogenetic Modulation and Electrical Neural Recording

Aqui, apresentamos o método de fabricação de um sistema optrode com fibras ópticas para entrega de luz e uma matriz de eletrodos para gravação neural. Experimentos in vivo com camundongos transgênicos expressando channelrhodopsin-2 mostram a viabilidade do sistema para estimulação optogenética simultânea e gravação eletrofisiológica.

Oprode Array para modulação optogenética simultânea e gravação neural elétrica

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

Este protocolo inclui a fabricação no sistema optrode para estimulação optogenética simultânea e gravação eletrofisiológica. O sistema baseado em LED proposto aumenta a eficiência do acoplamento de luz através de uma matriz de microlens. Uma fonte de luz LED tem uma configuração de iluminação simples do que uma fonte de luz laser para que o sistema seja prontamente aplicável ao sistema sem fio.A optogenética é uma técnica de caminho para a compreensão da patologia da doença neurológica e dos mecanismos de tratamento. A optogenética pode ser aplicada para tratar lesão medular, epilepsia, doença de Parkinson e doença de Alzheimer. Nosso dispositivo baseado em LED pode ser implementado ainda mais como um sistema sem fio com várias vantagens, como baixa complexidade do sistema, custo-benefício e baixo consumo de energia.Primeiro, conecte o conector feminino de 1,27 milímetros ao preamplificador do estágio da cabeça. Coloque o LED na carcaça impressa 3D. Meça a intensidade da luz no final da ponta de fibra óptica usando um fotodiodo.Mergulhe os eletrodos de tungstênio e as fibras ópticas em álcool por 15 minutos e seque-os pelo ar. Raspe a pele da cabeça e coloque o rato anestesiado na moldura estereotática. Posicione a cabeça dentro do quadro estereotático e insira barras de ouvido no meatus.Ligue a almofada de aquecimento térmico embutida no quadro estereotático e mantenha a temperatura corporal a 37 graus Celsius durante os procedimentos cirúrgicos. Ajuste a barra de incisão para ajustar a altura da barra de incisão e aperte o grampo do nariz contra o focinho. Cubra os olhos com geleia de petróleo para evitar o ressecamento.Levante a pele da cabeça com fórceps, proteja um espaço de injeção e injete 1% de lidocaína sob o couro cabeludo. Realize uma incisão sagital usando um bisturi e uma tesoura fina. Segure a pele incisada com um microclamp para ampliar a visibilidade da área cirúrgica.Remova o periosteum usando cotonetes de algodão. Se houver sangramento, cauterizou o crânio usando um bovie para selar os vasos sanguíneos. Limpe o crânio com soro fisiológico e marque os locais de craniotomia usando um braço manipulador.Faça um furo acima do cerebelo e insira um parafuso para o chão. Com um parafuso de precisão, coloque o parafuso moído de 0,5 milímetros de profundidade até atingir a parte superior do cerebelo. Perfurar a área marcada e remover um pedaço do crânio com fórceps.Dobre uma ponta de agulha de calibre 26 no sentido horário em um ângulo de 120 graus e exponha a área cerebral inserindo o lado de bisel da agulha voltado para cima. Fixar a matriz optrode no braço manipulador e mover-se perto da área exposta. Insira lentamente a matriz optrode e conecte o parafuso moído ao fio de prata ligado ao sistema.Insira espuma de gel entre o cérebro exposto e o dispositivo para proteger os produtos químicos do contato direto com o cérebro. Aplique cuidadosamente cimento dentário no crânio para fixar o dispositivo e cobrir a espuma de gel. Antes que o cimento dentário seja completamente endurecido, separe o couro cabeludo se estiver preso ao cimento dentário.Puxe a pele incisada com fórceps para cobrir o cimento dentário endurecido e suturar o couro cabeludo. Coloque o mouse anestesiado no quadro estereotático. Coloque a receita de pulso de luz em ciclo de 4% em 10 frequência de Hertz.Configure a estimulação da luz por dois segundos durante a gravação neural. Tire a tampa plástica e conecte a parte superior dos sistemas de entrega de luz com o LED reutilizável em circuitos. Conecte o pré-amplificador do estágio da cabeça ao conector de cinco pinos implantado.Abra o software e configure os filtros de software. Em seguida, clique e defina a taxa de amostragem do amplificador. Em seguida, clique em alterar a largura de banda.Defina a largura de banda inferior do amplificador e a largura de banda superior do amplificador. Verifique o software DAC High-Pass Filter. Abra o Escopo do Pico e verifique sinais neurais usando limiar de tensão.Clique em Stop e grave. Carregue os dados adquiridos usando o MATLAB e verifique os dados brutos. Em seguida, execute o código de classificação de picos que contém algoritmo de clust onda.Verifique os picos classificados na trama raster. Agora, plote os picos e verifique os picos evocados durante a estimulação da luz. A figura mostra formas de onda inteiras registradas com condições exatas, incluindo dois segundos de luz no período no meio.O número de picos neurais individuais evocados após cada pulso de estimulação de luz aumentou significativamente em comparação com a linha de base com diferentes caixas de tempo de dois segundos e 0,2 segundos. A figura mostra um histograma de pico para cada canal antes, durante e depois da estimulação da luz. A figura de entrada indica a localização da matriz optrode implantada.Além disso, a versão ampliada mostra um histograma de pico com uma caixa de tempo de 100 milissegundos. A barra azul representa o período de tempo em que a luz LED estava acesa para registrar a resposta. Para minimizar o ruído do artefato do processo de corrente de condução led, o sistema deve ser projetado para garantir distância suficiente entre a via do sinal eletro e o circuito LED.O sistema optrode baseado em LED proposto pode investigar as várias sinalizações neurológicas relacionadas aos comportamentos dos animais, pois pode fornecer estimulação optogenética e registrar as respostas neurológicas evocadas. Uma matriz de optrode LED é compatível com a interface optogenética sem fio, que pode ser usada em pesquisa animal em movimento livre.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Concepção e Construção de um Headstage Custo Efetivo de Estimulação Neural Simultânea e Gravação no labirinto aquático

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

Neurociência

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

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

Tensão de polarização, voltametria cíclica, espectroscopia de impedância elétrica e para Interfaces Neurais

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

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Avaliação da função neuromuscular Usando percutânea Estimulação Elétrica Nervosa

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Optogenetic Functional MRI

Ressonância magnética funcional optogenética

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

Aumento Time-dependente na resposta da rede à estimulação de culturas de pilha neuronais em matrizes do micro-elétrodo

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Chronic Transcranial Electrical Stimulation and Intracortical Recording in Rats

Estimulação elétrica transcraniana crônica e gravação Intracortical em ratos

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

Gravações simultâneas de potenciais de campo corticais Local, eletrocardiograma, eletromiograma e respirar o ritmo de um rato andando livremente

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

Manipulação optogenetic de circuitos neural durante a monitoração sono/Estados do wakefulness nos ratos

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

Crônica implantação de matriz Electrocorticographic todo-cortical no sagui comum

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