Summary

Eine integrierte Methode zur Herstellung flexibler und komfortabler elektrophysiologischer Optroden für die In-vivo-Aufzeichnung in mehreren Regionen

Published: November 21, 2024
doi:

Summary

Wir haben einen vereinfachten und kostengünstigen Ansatz für die Elektrodenherstellung entwickelt und Aufzeichnungen von Signalen über mehrere Regionen hinweg in frei beweglichen Mäusen durchgeführt. Die Verwendung der Optogenetik in Verbindung mit der Multiregionen-Elektrophysiologie und der Kalziumsignalaufzeichnung ermöglichte die Aufdeckung neuronaler Aktivitäten über Regionen hinweg im Anfallskindling-Modell.

Abstract

Epilepsie ist eine neurologische Störung, die durch synchronisierte abnormale Entladungen gekennzeichnet ist, an denen mehrere Gehirnregionen beteiligt sind. Fokale Läsionen erleichtern die Ausbreitung epileptischer Signale durch assoziierte neuronale Schaltkreise. Daher ist die in vivo Aufzeichnung des lokalen Feldpotentials (LFP) aus den kritischen Hirnregionen unerlässlich, um die Schaltkreise zu entschlüsseln, die an der Anfallsausbreitung beteiligt sind. Den derzeitigen Methoden zur Elektrodenherstellung und -implantation mangelt es jedoch an Flexibilität. Hier stellen wir ein handliches Gerät vor, das für elektrophysiologische Aufzeichnungen (LFPs und Elektroenzephalographie [EEG]) über mehrere Regionen hinweg konzipiert wurde. Darüber hinaus haben wir die optogenetische Manipulation und die Aufzeichnung von Kalziumsignalen nahtlos mit der LFP-Aufzeichnung integriert. Robuste Nachentladungen wurden während epileptischer Anfälle in mehreren verschiedenen Regionen beobachtet, begleitet von einer zunehmenden Kalziumsignalisierung. Der in dieser Studie verwendete Ansatz bietet eine bequeme und flexible Strategie für synchrone neuronale Aufzeichnungen über verschiedene Regionen des Gehirns hinweg. Es birgt das Potenzial, die Forschung zu neurologischen Erkrankungen voranzutreiben, indem es Einblicke in die neuronalen Profile mehrerer Regionen bietet, die an diesen Erkrankungen beteiligt sind.

Introduction

Epilepsie ist eine häufige neurologische Erkrankung, die durch wiederkehrende Anfälle gekennzeichnet ist, die sich als Krämpfe, Sensibilitätsstörungen und Bewusstlosigkeit äußern1. Die pathophysiologischen Mechanismen, die der Epilepsie zugrunde liegen, sind komplex und betreffen mehrere miteinander verbundene Hirnregionen 2,3. Jüngste Fortschritte in der Neurobildgebung haben Licht auf die großräumigen Netzwerke geworfen, die an Epilepsie beteiligt sind 4,5. Das Verständnis der komplizierten Schaltkreise und Netzwerkmechanismen, die der Entstehung und Ausbreitung von Epilepsie zugrunde liegen, ist jedoch nach wie vor begrenzt, was zum Teil auf die unzureichende Anwendung von multiregionalen neuronalen Aufzeichnungstechnikenzurückzuführen ist 6. Daher ist die Entwicklung einer flexiblen, integrierten Methode, die in der Lage ist, die neuronale Aktivität über unterschiedliche Gehirnregionen hinweg gleichzeitig zu überwachen, unerlässlich.

Elektrophysiologische Aufzeichnungen werden durchgeführt, um Anfälle zu erfassen und das Vorhandensein von Epilepsiezu bestimmen 7. Abgesehen von der Aufzeichnung der elektrophysiologischen Aktivität wird in Epilepsiestudien zunehmend Wert auf die genaue Kalziumaktivität spezifischer neuronaler Populationen gelegt 8,9. Fortschritte bei der Synthese von Kalziumindikatoren und verschiedenen Sondendesigns haben Forscher dazu veranlasst, die Faserphotometrie einzusetzen, um Veränderungen der neuronalen Aktivität und der neuronalen Substanzen im Gehirn zu erfassen10,11. Die beiden unabhängigen Methoden zum Nachweis neuronaler Aktivität, nämlich die Elektrophysiologie und die Faserphotometrie-Aufzeichnung, ergänzen sich gegenseitig und ermöglichen ein umfassenderes Verständnis dynamischer neuronaler Prozesse.

Darüber hinaus sind die synchrone Aufzeichnung und Modulation der neuronalen Aktivität von entscheidender Bedeutung, um Einblicke in die Funktionsweise des Gehirns sowohl auf Netzwerk- als auch auf zellulärer Ebene zu gewinnen. Dieser Ansatz ermöglicht es Forschern, die komplexen Prozesse des Gehirns in Echtzeit zu beobachten und zu manipulieren. Die Optogenetik hat sich aufgrund ihrer ausgeprägten Fähigkeit zur selektiven Stimulation oder Hemmung zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Untersuchung der neuronalen Signalübertragung entwickelt12. Trotz weit verbreiteter Anwendungen der elektrophysiologischen Aufzeichnung an mehreren Standorten in den Neurowissenschaften13 ist die Integration der elektrophysiologischen Aufzeichnung in mehreren Regionen mit Faserphotometrie und optogenetischer Manipulation nach wie vor begrenzt. Noch wichtiger ist, dass es den derzeitigen Methoden zur Herstellung und Implantation von Elektroden mit mehreren Regionen an Flexibilität mangelt14. Diese Einschränkungen behindern unsere Fähigkeit, spezifische Schaltkreisfunktionen und Wechselwirkungen über mehrere Regionen hinweg zu analysieren. Hier stellen wir einen kostengünstigen und praktischen multiregionalen In-vivo-Aufzeichnungsansatz vor, der Licht auf neuronale Prozesse in verschiedenen Regionen bei Kindling-induzierten Anfällen und anderen neuropsychiatrischen Erkrankungen wirft.

Protocol

Dieses Protokoll wurde vom Animal Care and Use Committee der Fudan-Universität genehmigt und gemäß den Richtlinien und Vorschriften des National Institutes of Health Guide for Care and Use of Laboratory Animals durchgeführt. Es wurden alle möglichen Maßnahmen ergriffen, um die Anzahl der in dieser Studie verwendeten Tiere zu minimieren. Die Zeit, die für die Durchführung der einzelnen Schritte benötigt wird, ist in den jeweiligen Schritten enthalten. <s…

Representative Results

Wir kombinierten Optogenetik mit multiregionaler elektrophysiologischer Aufzeichnung und Kalziumbildgebung, um die neuronale Aktivität in verschiedenen Hirnregionen während optogenetischer Anfälle zu beobachten. Zu diesem Zweck wurde ein Adeno-assoziiertes Virus (AAV), das ChrimsonR unter der Kontrolle des CaMKIIα-Promotors (AAV-CaMKIIα-ChrimsonR-mcherry)16 exprimiert, in Nagetieren in eine klassische epileptogene Stelle, den piriformen Kortex (ROI 1)<sup cla…

Discussion

Hier haben wir ein selbstgebautes optrode-Gerät zur in vivo neuronalen Signalaufzeichnung über mehrere Regionen hinweg eingesetzt. Die Machbarkeit dieses Systems für die gleichzeitige optogenetische Stimulation, Kalziumsignalaufzeichnung und elektrophysiologische Aufzeichnung wurde validiert. Das hierin beschriebene Elektrodenvorbereitungsverfahren ist effizient und kostengünstig. Dem Versuchsdesign zufolge konnten wir Signale aus relevanten Hirnregionen aufzeichnen. Die str…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (31871085), der Natural Science Foundation of Shanghai (21ZR1407300), dem Shanghai Municipal Science and Technology Major Project (2018SHZDZX01), dem ZJ Lab und dem Shanghai Center for Brain Science and Brain-Inspired Technology unterstützt.

Materials

8-32 adapter Plexon Custom ordered Connect the female connector and headstage
AAV-CaMKIIα-ChrimsonR-mcherry Taitool Bioscience S0371-9 4 x 1012 VG/mL 
AAV-hsyn-Gcamp6m Taitool Bioscience S0471-9 4 x 1012 VG/mL 
DAPI Sigma 236276 Titered 1:500
Dental Cement New Century Dental 430205
Electrophysiological recordings system Plexon Omniplex
Enameled wire N/A Custom ordered Diameter = 0.2 mm
Female connector N/A Custom ordered 1.25 mm pitch
Glue Loctite 45282
Laser Changchun New Industries BH81563 635 nm 
MATLAB MathWorks R2021b
Microdrill RWD 78001
Multichannel fiber photometry ThinkerTech FPS-SS-MC-LED
Optical fiber Xi'an Bogao L-200UM Select the appropriate fiber length based on the depth of the targeted brain regions.
PFA-Coated Tungsten wire A-M System 795500 Bare 0.002"; Coated 0.0040"
Power meter Thorlabs PM100D
Stereotaxic Fxrame RWD 68807
Tissue adhesive 3M 1469SB

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Diesen Artikel zitieren
Tao, Y., Zhao, Y., Zhong, W., Wu, R. An Integrated Method for Crafting Flexible and Convenient Electrophysiological Optrodes for Multi-Region In Vivo Recording. J. Vis. Exp. (213), e67071, doi:10.3791/67071 (2024).

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