Name: optrode array for simultaneous optogenetic modulation and electrical neural recording
Uploaded: 2022-09-01T13:00:00
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Esta investigación fue apoyada por el Programa de I + D de Tecnología Convergente para el Aumento Humano a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF), financiado por el Ministerio de Ciencia y TIC (NRF-2019M3C1B8090805), y apoyado por una subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno de Corea (MSIT) (no. 2019R1A2C1088909). Agradecemos al laboratorio de Seung-Hee Lee en el Departamento de Ciencias Biológicas, KAIST, Daejeon, Corea, por proporcionar amablemente a los ratones transgénicos.

El cuidado de los animales y los procedimientos quirúrgicos fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) en la Universidad de Mujeres Ewha (no. 20-029).
1. Preparación de una matriz optrode (Figura 1 y Figura 2)
<ol><li>Conecte fibras ópticas con la matriz de microlentes.<ol>
<li>Retire el recubrimiento de pasivación de la fibra óptica y c?...

Se verificó la viabilidad del sistema de estimulación optogenética simultánea y registro electrofisiológico (Figura 6). Los grandes picos durante la estimulación de la luz son artefactos fotoeléctricos que ocurren al mismo tiempo que la estimulación de la luz (Figura 6A). Esto queda claro en la vista ampliada de la forma de onda en el rectángulo discontinuo rojo (Figura 6A). Como se muestra en la Figura...

Registrar y controlar la actividad neuronal es esencial para comprender cómo funciona el cerebro en una red neuronal y a nivel celular. Los métodos convencionales de registro electrofisiológico incluyen la pinza de parche 1,2,3,4 utilizando una micropipeta y el registro extracelular utilizando electrodos microneurales 5,6,7,8. Como método de neuromodulación, la estimulación eléctrica se ha utilizado con frecuencia para estimular directamente una región focal del cerebro a través de la despolarización directa o indirecta de las células neuronales. Sin embargo, el método eléctrico no puede distinguir los tipos de células neuronales para el registro o la estimulación porque las corrientes eléctricas se propagan en todas las direcciones.
Como tecnología emergente, la optogenética ha marcado el comienzo de una nueva era en la comprensión de cómo funciona el sistema nervioso 9,10,11,12,13,14,15,16. La esencia de las técnicas optogenéticas es utilizar la luz para controlar la actividad de las proteínas opsina sensibles a la luz expresadas por células modificadas genéticamente. Así, la optogenética permite la modulación o monitorización sofisticada de células seleccionadas genéticamente en circuitos neuronales complicados14,17. El uso más amplio del enfoque optogenético ha requerido la grabación neuronal simultánea para confirmar directamente la neuromodulación óptica. Por lo tanto, un dispositivo integrado con funciones de control de luz y grabación sería extremadamente valioso 16,18,19,20,21,22,23,24,25.
Existen limitaciones de la estimulación optogenética convencional basada en láser, que requiere un sistema de suministro de luz voluminoso y costoso 26,27,28,29,30. Por lo tanto, algunos grupos de investigación emplearon sondas de silicio basadas en μLED para minimizar el tamaño del sistema de suministro de luz 31,32,33,34. Sin embargo, existe el riesgo de daño cerebral térmico causado por el contacto directo con μLED debido a la baja eficiencia de conversión de energía de los LED. Se han aplicado guías de onda de luz, como fibras ópticas, SU-8 y oxinitruro de silicio (SiON), para evitar daños térmicos 30,35,36,37,38,39. Sin embargo, esta estrategia también tiene un inconveniente debido a su baja eficiencia de acoplamiento entre las fuentes de luz y las guías de onda.
La matriz de microlentes se introdujo anteriormente para mejorar la eficiencia de acoplamiento de luz entre LED y fibras ópticas40. Se desarrolló un sistema optrode basado en tecnologías de sistemas microelectromecánicos (MEMS) para la estimulación óptica y el registro eléctrico a microescala40. La matriz de microlentes entre un LED y fibras ópticas aumentó la eficiencia de la luz en 3,13 dB. Como se muestra en la Figura 1, una matriz de fibra óptica 2x2 está alineada en la matriz de microlentes 4x4, y el LED se coloca debajo de la matriz de microlentes. Las fibras ópticas 2x2 se montan en lugar de 4x4 para reducir el daño cerebral. Una matriz de electrodos de tungsteno se coloca adyacente a la matriz optrode utilizando silicio a través de orificios para el registro electrofisiológico (Figura 1B).
El sistema consta de una parte superior desechable y partes inferiores desmontables. La parte superior desechable, que incluye la matriz de fibra óptica, la matriz de microlentes y la matriz de electrodos de tungsteno, está diseñada para implantarse permanentemente en el cerebro para experimentos in vivo . La parte inferior incluye una fuente de luz LED y una línea de fuente de alimentación externa, que es fácilmente extraíble y reutilizable para otro experimento con animales. Una cubierta de plástico acoplable protege la pieza desechable cuando se retira la pieza desmontable.
La viabilidad del sistema se verifica mediante la implantación en el cerebro de ratones transgénicos que expresan canalrodopsina-2 (ChR2) en neuronas positivas para la proteína quinasa II dependiente de Ca2+/calmodulina (ratón CaMKIIα::ChR2). Se utilizaron electrodos de grabación para registrar las actividades neuronales de neuronas individuales durante la estimulación óptica de las neuronas.

<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 la última década, la optogenética se ha convertido en una herramienta esencial para la investigación de la señalización neuronal debido a su capacidad única de modulación o monitoreo neuronal selectivo. Como tipos específicos de células neuronales pueden modificarse genéticamente para expresar proteínas opsina, la optogenética permite la estimulación óptica o la inhibición de las neuronas seleccionadas. Ha habido varios avances tecnológicos en el sistema óptico para la optogenética. Recientemente, se propuso combinar la guía de onda óptica para la entrega de luz con el registro electrofisiológico para monitorear simultáneamente las respuestas neuronales a la estimulación o inhibición optogenética. En este estudio, se desarrolló una matriz optrode implantable (fibras ópticas 2x2) con electrodos multicanal integrados. 
Se empleó un diodo emisor de luz (LED) como fuente de luz, y se integró una matriz de microlentes microfabricadas para proporcionar suficiente potencia de luz en la punta de las fibras ópticas. El sistema optrode array comprende la parte desechable y la parte reutilizable. La parte desechable tiene fibras ópticas y electrodos, mientras que la parte reutilizable tiene el LED y los circuitos electrónicos para el control de la luz y el procesamiento de la señal neuronal. El novedoso diseño del sistema de matriz optrode implantable se introduce en el video adjunto, además del procedimiento de la cirugía de implantación optrode, la estimulación optogenética de la luz y el registro neuronal electrofisiológico. Los resultados de los experimentos in vivo mostraron con éxito picos neuronales bloqueados en el tiempo evocados por los estímulos de luz de las neuronas excitadoras del hipocampo de ratones.

El sistema optrode se fabrica con éxito para proporcionar suficiente potencia de luz para activar las neuronas objetivo. La alineación fina de los electrodos de tungsteno se logra a través del silicio microfabricado a través de los agujeros. La intensidad de luz medida es de 3,6 mW/mm2 en la punta de la fibra óptica cuando se aplica una corriente de 50 mA. La microlente aumentó la eficiencia lumínica en 3,13 dB. Debido a la matriz de microlentes, que mejora el acoplamiento de luz, la corriente aplicada ...

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Optrode Array for Simultaneous Optogenetic Modulation and Electrical Neural Recording

Aquí, presentamos el método de fabricación de un sistema optrode con fibras ópticas para la entrega de luz y una matriz de electrodos para la grabación neuronal. Los experimentos in vivo con ratones transgénicos que expresan canalrodopsina-2 muestran la viabilidad del sistema para la estimulación optogenética simultánea y el registro electrofisiológico.

Optrode Array para modulación optogenética simultánea y grabación neuronal eléctrica

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 incluye la fabricación en el sistema optrode para la estimulación optogenética simultánea y el registro electrofisiológico. El sistema basado en LED propuesto mejora la eficiencia del acoplamiento de luz a través de una matriz de microlentes. Una fuente de luz LED tiene una configuración de iluminación simple que una fuente de luz láser para que el sistema sea fácilmente aplicable al sistema inalámbrico.La optogenética es una técnica de camino para comprender la patología de la enfermedad neurológica y los mecanismos de tratamiento. La optogenética se puede aplicar para tratar lesiones de la médula espinal, epilepsia, enfermedad de Parkinson y enfermedad de Alzheimer. Nuestro dispositivo basado en LED se puede implementar aún más como un sistema inalámbrico con varias ventajas, como la baja complejidad del sistema, la rentabilidad y el bajo consumo de energía.Primero, conecte el conector hembra de paso de 1,27 milímetros al preamplificador de la etapa principal. Coloque el LED en la carcasa impresa en 3D. Mida la intensidad de la luz en el extremo de la punta de la fibra óptica utilizando un fotodiodo.Sumergir los electrodos de tungsteno y las fibras ópticas en alcohol durante 15 minutos y secarlos al aire. Afeitar la piel de la cabeza y colocar el ratón anestesiado en el marco estereotáctico. Coloque la cabeza dentro del marco estereotáctico e inserte barras para los oídos en el meato.Encienda la almohadilla térmica incrustada en el marco estereotáctico y mantenga la temperatura corporal a 37 grados centígrados durante los procedimientos quirúrgicos. Ajuste la barra de incisión para ajustar la altura de la barra de incisión y apriete la pinza nasal contra el hocico. Cubra los ojos con vaselina para evitar la sequedad.Levante la piel de la cabeza con fórceps, asegure un espacio de inyección e inyecte 1% de lidocaína debajo del cuero cabelludo. Realice una incisión sagital con un bisturí y tijeras finas. Sostenga la piel incisa con una microclamp para ampliar la visibilidad del área quirúrgica.Retire el periostio con hisopos de algodón. Si hay sangrado, cauterice el cráneo usando un bovie para sellar los vasos sanguíneos. Limpie el cráneo con solución salina y marque los sitios de craneotomía con un brazo manipulador.Perfore un agujero por encima del cerebelo e inserte un tornillo para el suelo. Usando un tornillo de precisión, coloque el tornillo de tierra a 0,5 milímetros de profundidad hasta que llegue a la parte superior del cerebelo. Perfore el área marcada y retire un pedazo del cráneo con fórceps.Doble la punta de una aguja de calibre 26 en el sentido de las agujas del reloj en un ángulo de 120 grados y exponga el área del cerebro insertando el lado biselado de la aguja hacia arriba. Fije la matriz optrode en el brazo manipulador y muévase cerca del área expuesta. Inserte lentamente la matriz optrode y conecte el tornillo de tierra al cable plateado conectado al sistema.Inserte espuma de gel entre el cerebro expuesto y el dispositivo para proteger los productos químicos del contacto directo con el cerebro. Aplique cuidadosamente cemento dental en el cráneo para fijar el dispositivo y cubrir la espuma de gel. Antes de que el cemento dental se endurezca por completo, separe el cuero cabelludo si está unido al cemento dental.Tire de la piel incisa con fórceps para cubrir el cemento dental endurecido y suture el cuero cabelludo. Coloque el ratón anestesiado en el marco estereotáctico. Ajuste la receta de pulso de luz al 4% del ciclo de trabajo en una frecuencia de 10 Hertz.Configure la estimulación de la luz durante dos segundos durante la grabación neuronal. Retire la cubierta de plástico y conecte la parte superior de los sistemas de suministro de luz con el LED reutilizable en los circuitos. Conecte el preamplificador de la etapa de la cabeza al conector implantado de cinco pines.Abra el software y configure los filtros de software. A continuación, haga clic y establezca la frecuencia de muestreo del amplificador. A continuación, haga clic en cambiar ancho de banda.Ajuste el ancho de banda inferior del amplificador y el ancho de banda superior del amplificador. Compruebe el software DAC High-Pass Filter. Abra Spike Scope y verifique las señales neuronales utilizando el umbral de voltaje.Haga clic en Detener y grabar. Cargue los datos adquiridos mediante MATLAB y compruebe los datos sin procesar. A continuación, ejecute el código de clasificación de picos que contiene el algoritmo de registro de onda.Compruebe los picos ordenados en el diagrama ráster. Ahora traza los picos de conteo y comprueba los picos evocados durante la estimulación de la luz. La figura muestra formas de onda enteras registradas con condiciones exactas, incluyendo dos segundos de luz en el período en el medio.El número de picos neuronales individuales evocados después de cada pulso de estimulación de luz aumentó significativamente en comparación con la línea de base con diferentes intervalos de tiempo de dos segundos y 0,2 segundos. La figura muestra un histograma de pico para cada canal antes, durante y después de la estimulación de la luz. La figura del recuadro indica la ubicación de la matriz optrode implantada.Además, la versión ampliada muestra un histograma de pico con un contenedor de tiempo de 100 milisegundos. La barra azul representa el período de tiempo en que la luz LED estuvo encendida para registrar la respuesta. Para minimizar el ruido del artefacto del proceso de corriente de conducción LED, el sistema debe diseñarse para garantizar una distancia suficiente entre la vía de la señal eléctrica y el circuito LED.El sistema optrode basado en LED propuesto puede investigar las diversas neurocodiñaciones relacionadas con los comportamientos de los animales porque puede proporcionar estimulación optogenética y registrar las respuestas neuronales evocadas. Una matriz de optrode LED es compatible con la interfaz optogenética inalámbrica, que se puede utilizar en la investigación de animales en movimiento libre.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Diseño y construcción de un cabezal rentable para la estimulación simultánea neural y de grabación en el laberinto de agua

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

Investigación

Neurociencias

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

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

Tensión de polarización, voltametría cíclica, y Espectroscopia de Impedancia Eléctrica para las interfaces neuronales

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Simultaneous Electrophysiological Recording and Calcium Imaging of Suprachiasmatic Nucleus Neurons

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Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation

Evaluación de la función neuromuscular Usando percutánea estimulación nerviosa eléctrica

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

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RM funcional Optogenética

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Time-dependent Increase in the Network Response to the Stimulation of Neuronal Cell Cultures on Micro-electrode Arrays

Incremento dependiente del tiempo en la respuesta de la red a la estimulación de cultivos de células neuronales en matrices de microelectrodos

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Chronic Transcranial Electrical Stimulation and Intracortical Recording in Rats

Estimulación eléctrica transcraneal crónica y grabación Intracortical en ratas

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

Grabaciones simultáneas de potenciales de campo Local Cortical, Electrocardiograma, electromiograma y respirar a ritmo de una rata libremente móvil

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

Manipulación optogenética de circuitos neuronales durante la supervisión de los estados de sueño/vigilia en ratones

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

Implantación crónica de todo cortical matriz electrocorticográfica en el tití común

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