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

Это исследование было поддержано Программой исследований и разработок в области конвергентных технологий для увеличения человека через Национальный исследовательский фонд Кореи (NRF), финансируемым Министерством науки и ИКТ (NRF-2019M3C1B8090805) и поддержано грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (MSIT) (No 2019R1A2C1088909). Мы благодарим лабораторию Сын Хи Ли в Департаменте биологических наук, KAIST, Тэджон, Корея, за любезное предоставление трансгенных мышей.

Уход за животными и хирургические процедуры были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC) в Женском университете Ихва (No 20-029).
1. Подготовка массива оптродов (рисунок 1 и рисунок 2<st...

Проверена целесообразность системы одновременной оптогенетической стимуляции и электрофизиологической регистрации (рисунок 6). Большие всплески во время световой стимуляции представляют собой фотоэлектрические артефакты, происходящие одновременно со световой стим...

Запись и контроль нейронной активности необходимы для понимания того, как мозг функционирует в нейронной сети и на клеточном уровне. Традиционные электрофизиологические методы записи включаютзажим пластыря 1,2,3,4 с использованием микропипетки и внеклеточную запись с использованием микронейральных электродов 5,6,7,8. В качестве метода нейромодуляции электрическая стимуляция часто используется для прямой стимуляции очаговой области мозга путем прямой или косвенной деполяризации нейрональных клеток. Однако электрический метод не может различать типы нейронных клеток для записи или стимуляции, потому что электрические токи распространяются во всех направлениях.
Как новая технология, оптогенетика открыла новую эру в понимании того, как работает нервная система 9,10,11,12,13,14,15,16. Суть оптогенетических методик заключается в использовании света для контроля активности светочувствительных белков опсина, экспрессируемых генетически модифицированными клетками. Таким образом, оптогенетика позволяет осуществлять сложную модуляцию или мониторинг генетически отобранных клеток в сложных нейронных цепях14,17. Более широкое использование оптогенетического подхода потребовало одновременной нейронной записи для прямого подтверждения оптической нейромодуляции. Поэтому интегрированное устройство с функциями управления светом и записи было бы чрезвычайно ценным 16,18,19,20,21,22,23,24,25.
Существуют ограничения обычной лазерной оптогенетической стимуляции, которая требует громоздкой и дорогой системы доставки света 26,27,28,29,30. Поэтому некоторые исследовательские группы использовали кремниевые зонды на основе μLED, чтобы минимизировать размер системы доставки света 31,32,33,34. Тем не менее, существует риск теплового повреждения головного мозга, вызванного прямым контактом с μLED из-за низкой эффективности преобразования энергии светодиодов. Световые волноводы, такие как оптические волокна, SU-8 и оксинитрид кремния (SiON), были применены для предотвращения термического повреждения 30,35,36,37,38,39. Однако эта стратегия также имеет недостаток из-за низкой эффективности связи между источниками света и волноводами.
Массив микролинз был ранее представлен для повышения эффективности световой связи между светодиодами и оптическими волокнами40. Разработана система оптродов на основе технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС) для оптической стимуляции и электрической записи на микроуровне40. Массив микролинз между светодиодом и оптическими волокнами увеличил эффективность света на 3,13 дБ. Как показано на рисунке 1, волоконно-оптическая решетка 2x2 выровнена на массиве микролинз 4x4, а светодиод расположен под массивом микролинз. Оптические волокна 2x2 установлены вместо 4x4 для уменьшения повреждения головного мозга. Матрица вольфрамовых электродов расположена рядом с массивом оптродов с использованием кремния через отверстия для электрофизиологической записи (рисунок 1B).
Система состоит из верхней одноразовой части и съемных нижних частей. Верхняя одноразовая часть, которая включает в себя матрицу оптического волокна, матрицу микролинзов и решетку вольфрамовых электродов, предназначена для постоянной имплантации в мозг для экспериментов in vivo . Нижняя часть включает в себя светодиодный источник света и внешнюю линию питания, которая легко снимается и многократно используется для другого эксперимента на животных. Прикрепляемая пластиковая крышка защищает одноразовую часть при снятии съемной части.
Осуществимость системы проверяется путем имплантации в мозг трансгенных мышей, экспрессирующих каналродопсин-2 (ChR2) в Ca2+/кальмодулин-зависимых протеинкиназных II-положительных нейронах (CaMKIIα::ChR2 мыши). Записывающие электроды использовались для записи нейронной активности отдельных нейронов во время оптической стимуляции нейронов.

<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

В течение последнего десятилетия оптогенетика стала важным инструментом для исследования нейронной сигнализации из-за ее уникальной способности селективной нейронной модуляции или мониторинга. Поскольку определенные типы нейронных клеток могут быть генетически модифицированы для экспрессии белков опсина, оптогенетика позволяет оптическую стимуляцию или ингибирование выбранных нейронов. Было несколько технологических достижений в оптической системе для оптогенетики. Недавно было предложено объединить оптический волновод для доставки света с электрофизиологической записью для одновременного мониторинга нейронных реакций на оптогенетическую стимуляцию или ингибирование. В этом исследовании была разработана имплантируемая матрица оптродов (оптические волокна 2x2) со встроенными многоканальными электродами. 
В качестве источника света использовался светодиод (LED), а микрофабрикированная микролинзированная матрица была интегрирована для обеспечения достаточной мощности света на кончике оптических волокон. Система массива optrode состоит из одноразовой и многоразовой частей. Одноразовая часть имеет оптические волокна и электроды, в то время как многоразовая часть имеет светодиодную и электронную схему для управления светом и обработки нейронных сигналов. Новый дизайн имплантируемой системы массива оптродов представлен в сопроводительном видео в дополнение к процедуре имплантации оптрода, оптогенетической световой стимуляции и электрофизиологической нейронной записи. Результаты экспериментов in vivo успешно показали зафиксированные во времени нейронные всплески, вызванные световыми раздражителями от возбуждающих нейронов гиппокампа мышей.

Система оптродов успешно изготовлена для обеспечения достаточной световой мощности для активации целевых нейронов. Тонкое выравнивание вольфрамовых электродов достигается за счет микрофабрикатного кремния через отверстия. Измеренная интенсивность света составляет 3,6 мВт/мм2 ...

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

Здесь мы представляем метод изготовления оптроодной системы с оптическими волокнами для доставки света и электродной решеткой для нейронной записи. Эксперименты in vivo с трансгенными мышами, экспрессирующими каналродопсин-2, показывают целесообразность системы одновременной оптогенетической стимуляции и электрофизиологической регистрации.

Массив Optrode для одновременной оптогенетической модуляции и электрической нейронной записи

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

Этот протокол включает в себя изготовление на оптродной системе для одновременной оптогенетической стимуляции и электрофизиологической записи. Предлагаемая система на основе светодиодов повышает эффективность световой связи благодаря массиву микролинз. Светодиодный источник света имеет простую настройку освещения, чем лазерный источник света, так что система легко применима к беспроводной системе.Оптогенетика – это путь техники для понимания патологии неврологического заболевания и механизмов лечения. Оптогенетика может применяться для лечения травм спинного мозга, эпилепсии, болезни Паркинсона и болезни Альцгеймера. Наше устройство на основе светодиодов может быть реализовано в дальнейшем как беспроводная система с рядом преимуществ, таких как низкая сложность системы, экономическая эффективность и низкое энергопотребление.Во-первых, подключите женский разъем с шагом 1,27 миллиметра к предусилителю головной ступени. Поместите светодиод в 3D-печатный корпус. Измерьте интенсивность света в конце наконечника оптического волокна с помощью фотодиода.Погрузите вольфрамовые электроды и оптические волокна в спирт на 15 минут и высушите их на воздухе. Сбрить кожу головы и поместить обезболенную мышь в стереотаксическую рамку. Поместите головку в стереотаксическую рамку и вставьте ушные вкладыши в меатус.Включите тепловую грелку, встроенную в стереотаксическую рамку, и поддерживайте температуру тела на уровне 37 градусов цельсия на протяжении всех хирургических процедур. Отрегулируйте разрезную планку для установки высоты реза и затяните зажим носа к морде. Накройте глаза вазелином, чтобы предотвратить сухость.Поднимите кожу в голове щипцами, закрепите пространство для инъекций и введите 1% лидокаина под кожу головы. Выполните сагиттальный разрез с помощью скальпеля и тонких ножниц. Удерживайте разрезанную кожу микрозажимом, чтобы расширить видимость хирургической области.Удалите надкостницу ватными тампонами. Если есть кровотечение, прижигают череп с помощью бульона, чтобы запечатать кровеносные сосуды. Очистите череп физиологическим раствором и пометьте места трепанации черепа с помощью манипулятора.Просверлите отверстие над мозжечком и вставьте винт для земли. Используя прецизионный винт, поместите заземляющий винт глубиной 0,5 миллиметра, пока он не достигнет вершины мозжечка. Просверлите отмеченный участок и удалите кусок черепа щипцами.Согните кончик иглы 26-го калибра по часовой стрелке под углом 120 градусов и обнажите область мозга, вставив коническую сторону иглы лицом вверх. Зафиксируйте массив optrode в манипуляторе и подойдите близко к открытой области. Медленно вставьте матрицу optrode и подключите винт заземления к серебряному проводу, прикрепленному к системе.Вставьте гелевую пену между открытым мозгом и устройством, чтобы защитить химические вещества от прямого контакта с мозгом. Осторожно нанесите зубной цемент на череп, чтобы зафиксировать устройство и покрыть гель-пену. Прежде чем зубной цемент полностью затвердеет, отделите кожу головы, если она прикреплена к зубному цементу.Потяните разрезанную кожу щипцами, чтобы покрыть затвердевший зубной цемент и зашить кожу головы. Поместите анестезируемую мышь в стереотаксическую рамку. Установите рецепт светового импульса на рабочий цикл 4% на частоте 10 Гц.Настройте световую стимуляцию на две секунды во время нейронной записи. Снимите пластиковую крышку и прикрепите верхнюю часть систем подачи света к многоразовому светодиоду в цепях. Подключите предусилитель головной ступени к имплантированному пятиконтактному разъему.Откройте программное обеспечение и настройте программные фильтры. Затем щелкните и установите частоту дискретизации усилителя. Затем нажмите изменить пропускную способность.Установите меньшую полосу пропускания усилителя и верхнюю полосу пропускания усилителя. Проверьте программное обеспечение DAC High-Pass Filter. Откройте Spike Scope и проверьте нейронные сигналы, используя порог напряжения.Нажмите кнопку Остановить и записать. Загрузите полученные данные с помощью MATLAB и проверьте необработанные данные. Затем запустите код сортировки шипов, который содержит алгоритм волнового ключа.Проверьте отсортированные шипы на растровом графике. Теперь график подсчета шипов и проверка вызванных шипов во время световой стимуляции. На рисунке показаны целые зарегистрированные формы волн с точными условиями, включая два секунды света на периоде посередине.Количество вызванных отдельных нервных всплесков после каждого импульса световой стимуляции значительно увеличивалось по сравнению с исходным уровнем с различными временными бункерами в две секунды и 0,2 секунды. На рисунке показана гистограмма всплеска для каждого канала до, во время и после световой стимуляции. На рисунке вставки указано расположение имплантированного массива оптродов.Кроме того, увеличенная версия показывает гистограмму пиков с 100-миллисекундной временной корзиной. Синяя полоса представляет период времени, в течение которого светодиодный индикатор был включен для записи ответа. Чтобы свести к минимуму шум артефакта от светодиодного движущего тока, система должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить достаточное расстояние между путями электросигнала и светодиодной цепью.Предлагаемая система оптродов на основе светодиодов может исследовать различные нейросигнализации, связанные с поведением животных, потому что она может доставлять оптогенетическую стимуляцию и записывать вызванные нервные реакции. Светодиодная матрица optrode совместима с беспроводным интерфейсом оптогенетики, который можно использовать в свободно движущихся исследованиях на животных.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Проектирование и строительство Рентабельность Headstage для синхронного нервного возбуждения и запись в водном лабиринте

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

Стабилизатор напряжения, циклической вольтамперометрии, и электрического сопротивления спектроскопии для нейронных интерфейсов

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

Одновременное электрофизиологические записи и Кальций изображений супрахиазматического ядра нейронов

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

Оценка нервно функции, используя Чрескожная стимуляция нервов Электрическая

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

Optogenetic Functional MRI

Оптогенетика Функциональная МРТ

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

Зависящее от времени увеличение ответа сети на стимуляцию нейронных клеточных культур на микроэлектродных массивах

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

Хронический транскраниальной электростимуляции и Intracortical запись в крыс

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

Одновременной записи корковых местных потенциалов поля, электрокардиограмма, электромиограммы и дыхательный ритм от свободно движущихся крыса

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

Оптогенетическое манипулирование нейронными цепями во время мониторинга сна / бодрствования государств у мышей

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

Хронический имплантации целом корковых Electrocorticographic массива в общей игрунка

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