Summary

Un método integrado para crear optrodes electrofisiológicos flexibles y convenientes para el registro in vivo en múltiples regiones

Published: November 21, 2024
doi:

Summary

Hemos desarrollado un enfoque simplificado y rentable para la fabricación de electrodos y hemos realizado grabaciones de señales en múltiples regiones en ratones que se mueven libremente. El uso de la optogenética, junto con la electrofisiología multirregional y el registro de señales de calcio, permitió la revelación de las actividades neuronales en todas las regiones del modelo de convulsiones.

Abstract

La epilepsia es un trastorno neurológico caracterizado por descargas anormales sincronizadas que involucran múltiples regiones cerebrales. Las lesiones focales facilitan la propagación de señales epilépticas a través de circuitos neuronales asociados. Por lo tanto, el registro in vivo del potencial de campo local (LFP) de las regiones críticas del cerebro es esencial para descifrar los circuitos involucrados en la propagación de las convulsiones. Sin embargo, los métodos actuales para la fabricación e implantación de electrodos carecen de flexibilidad. Aquí, presentamos un dispositivo práctico diseñado para registros electrofisiológicos (LFP y electroencefalografía [EEG]) en múltiples regiones. Además, integramos a la perfección la manipulación optogenética y el registro de señalización de calcio con el registro LFP. Se observaron fuertes secreciones posteriores en varias regiones separadas durante las convulsiones epilépticas, acompañadas de un aumento de la señalización de calcio. El enfoque utilizado en este estudio ofrece una estrategia conveniente y flexible para las grabaciones neuronales sincrónicas en diversas regiones del cerebro. Tiene el potencial de avanzar en la investigación sobre los trastornos neurológicos al proporcionar información sobre los perfiles neuronales de múltiples regiones involucradas en estos trastornos.

Introduction

La epilepsia es una afección neurológica común caracterizada por convulsiones recurrentes, que se manifiestan como convulsiones, alteraciones sensoriales y pérdidadel conocimiento. Los mecanismos fisiopatológicos subyacentes a la epilepsia son complejos e involucran múltiples regiones cerebrales interconectadas 2,3. Los avances recientes en neuroimagen han arrojado luz sobre las redes a gran escala implicadas en la epilepsia 4,5. Sin embargo, la comprensión de los intrincados circuitos y mecanismos de red que subyacen a la generación y propagación de la epilepsia sigue siendo limitada, en parte debido a la insuficiente aplicación de técnicas de registro neuronal multirregional6. Por lo tanto, es imperativo desarrollar un método flexible e integrado capaz de monitorear simultáneamente la actividad neuronal en regiones cerebrales dispares.

Se realizan registros electrofisiológicos para capturar las convulsiones y determinar la presencia de epilepsia7. Excepto para el registro de la actividad electrofisiológica, existe un énfasis creciente en la actividad precisa del calcio de poblaciones neurales específicas en los estudios de epilepsia 8,9. Los avances en la síntesis de indicadores de calcio y varios diseños de sondas han llevado a los investigadores a adoptar la fotometría de fibra para capturar los cambios en la actividad neuronal y las sustancias neuronales dentro del cerebro10,11. Los dos métodos independientes de detección de la actividad neuronal, a saber, la electrofisiología y el registro de fotometría de fibras, se complementan entre sí, lo que facilita una comprensión más completa de los procesos neuronales dinámicos.

Además, el registro sincrónico y la modulación de la actividad neuronal son fundamentales para obtener información sobre el funcionamiento del cerebro tanto a nivel de red como celular. Este enfoque permite a los investigadores observar y manipular los complejos procesos del cerebro en tiempo real. La optogenética se ha convertido en una herramienta indispensable para sondear la señalización neuronal, debido a su capacidad distintiva para la estimulación o inhibición selectiva12. A pesar de las amplias aplicaciones del registro electrofisiológico multicéntrico en neurociencia13, la integración del registro electrofisiológico multirregional con la fotometría de fibras y la manipulación optogenética sigue siendo limitada. Más importante aún, los métodos actuales para fabricar e implantar electrodos multirregionales carecen de flexibilidad14. Estas limitaciones obstaculizan nuestra capacidad para diseccionar funciones e interacciones de circuitos específicos en múltiples regiones. Aquí, presentamos un enfoque de registro in vivo multirregional rentable y conveniente que arroja luz sobre los procesos neuronales en todas las regiones en las convulsiones inducidas por la combustión y otros trastornos neuropsiquiátricos.

Protocol

Este protocolo recibió la aprobación del Comité de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Fudan y se llevó a cabo siguiendo las pautas y regulaciones diseñadas por la Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio de los Institutos Nacionales de Salud. Se implementaron todas las medidas posibles para minimizar el número de animales utilizados en este estudio. El tiempo necesario para realizar cada paso se incluye en los pasos respectivos. <…

Representative Results

Combinamos la optogenética con el registro electrofisiológico multirregional y las imágenes de calcio para observar la actividad neuronal en varias regiones del cerebro durante las convulsiones optogenéticas. Para ello, se inyectó un virus adenoasociado (AAV) que expresa ChrimsonR bajo el control del promotor de CaMKIIα (AAV-CaMKIIα-ChrimsonR-mcherry)16 en un sitio epileptogénico clásico, la corteza piriforme (ROI 1)17, en roedores…

Discussion

Aquí, empleamos un dispositivo optrode de fabricación propia para el registro de señales neuronales in vivo en múltiples regiones. Se ha validado la viabilidad de este sistema para la estimulación optogenética simultánea, el registro de señales de calcio y el registro electrofisiológico. El método de preparación de electrodos descrito en este documento es eficiente y rentable. De acuerdo con el diseño experimental, podríamos registrar señales de regiones cerebrales…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta investigación contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (31871085), la Fundación de Ciencias Naturales de Shanghái (21ZR1407300), el Proyecto Principal de Ciencia y Tecnología Municipal de Shanghái (2018SHZDZX01), ZJ Lab y el Centro de Shanghái para la Ciencia del Cerebro y la Tecnología Inspirada en el Cerebro.

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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Citar este artículo
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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