Optrode Array para modulación optogenética simultánea y grabación neuronal eléctrica

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 complicados^14,17. 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 2×2 está alineada en la matriz de microlentes 4×4, y el LED se coloca debajo de la matriz de microlentes. Las fibras ópticas 2×2 se montan en lugar de 4×4 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.