Eşzamanlı Optogenetik Modülasyon ve Elektriksel Nöral Kayıt için Optrode Dizisi
Summary
Burada, ışık iletimi için optik fiberlere ve nöral kayıt için bir elektrot dizisine sahip bir optrode sisteminin üretim yöntemini sunuyoruz. Channelrhodopsin-2’yi eksprese eden transgenik farelerle yapılan in vivo deneyler, eşzamanlı optogenetik stimülasyon ve elektrofizyolojik kayıt için sistemin fizibilitesini göstermektedir.
Abstract
Son on yılda, optogenetik, seçici nöral modülasyon veya izleme konusundaki benzersiz kabiliyeti nedeniyle nöral sinyallemenin araştırılması için önemli bir araç haline gelmiştir. Spesifik nöronal hücre tipleri, opsin proteinlerini eksprese etmek için genetik olarak değiştirilebildiğinden, optogenetik, seçilen nöronların optik stimülasyonunu veya inhibisyonunu sağlar. Optogenetik için optik sistemde çeşitli teknolojik gelişmeler olmuştur. Son zamanlarda, optogenetik stimülasyon veya inhibisyona verilen nöral yanıtları eşzamanlı olarak izlemek için ışık iletimi için optik dalga kılavuzunun elektrofizyolojik kayıt ile birleştirilmesi önerilmiştir. Bu çalışmada, gömülü çok kanallı elektrotlarla implante edilebilir bir optrode dizisi (2×2 optik fiber) geliştirilmiştir.
Işık kaynağı olarak ışık yayan bir diyot (LED) kullanıldı ve optik fiberlerin ucunda yeterli ışık gücü sağlamak için mikrofabrikasyon bir mikrolens dizisi entegre edildi. Optrode dizi sistemi, tek kullanımlık parçayı ve yeniden kullanılabilir parçayı içerir. Tek kullanımlık kısım optik fiberlere ve elektrotlara sahipken, yeniden kullanılabilir kısım ışık kontrolü ve nöral sinyal işleme için LED ve elektronik devrelere sahiptir. İmplante edilebilir optrod dizi sisteminin yeni tasarımı, optrode implantasyon cerrahisi, optogenetik ışık stimülasyonu ve elektrofizyolojik nöral kayıt prosedürüne ek olarak eşlik eden videoda tanıtılmıştır. İn vivo deneylerin sonuçları, farelerin hipokampal uyarıcı nöronlarından gelen ışık uyaranları tarafından uyandırılan zaman kilitli nöral sivri uçları başarıyla gösterdi.
Introduction
Nöral aktiviteyi kaydetmek ve kontrol etmek, beynin bir sinir ağında ve hücresel seviyelerde nasıl çalıştığını anlamak için gereklidir. Geleneksel elektrofizyolojik kayıt yöntemleri, bir mikropipet kullanılarak yama kelepçesi 1,2,3,4 ve mikronöral elektrotlar 5,6,7,8 kullanılarak hücre dışı kaydı içerir. Bir nöromodülasyon yöntemi olarak, elektriksel stimülasyon, nöronal hücrelerin doğrudan veya dolaylı depolarizasyonu yoluyla fokal bir beyin bölgesini doğrudan uyarmak için sıklıkla kullanılmıştır. Bununla birlikte, elektriksel yöntem, kayıt veya stimülasyon için nöronal hücre tiplerini ayırt edemez, çünkü elektrik akımları her yöne yayılır.
Gelişmekte olan bir teknoloji olarak, optogenetik, sinir sisteminin nasıl çalıştığını anlamada yeni bir çağ başlattı 9,10,11,12,13,14,15,16. Optogenetik tekniklerin özü, genetiği değiştirilmiş hücreler tarafından eksprese edilen ışığa duyarlı opsin proteinlerinin aktivitesini kontrol etmek için ışığı kullanmaktır. Böylece, optogenetik, karmaşık nöral devrelerde genetik olarak seçilmiş hücrelerin sofistike modülasyonunu veya izlenmesini sağlar14,17. Optogenetik yaklaşımın daha geniş kullanımı, optik nöromodülasyonu doğrudan doğrulamak için eşzamanlı nöral kayıt gerektirmiştir. Bu nedenle, ışık kontrolü ve kayıt işlevlerine sahip entegre bir cihaz son derece değerli olacaktır 16,18,19,20,21,22,23,24,25.
Geleneksel, lazer tabanlı optogenetik stimülasyonun sınırlamaları vardır, bu da hantal ve pahalı bir ışık dağıtım sistemi gerektirir 26,27,28,29,30. Bu nedenle, bazı araştırma grupları, ışık dağıtım sisteminin boyutunu en aza indirmek için μLED tabanlı silikon problar kullandı31,32,33,34. Bununla birlikte, LED’lerin düşük enerji dönüşüm verimliliği nedeniyle μLED’lerle doğrudan temasın neden olduğu termal beyin hasarı riski vardır. Optik fiberler, SU-8 ve silikon oksinitrür (SiON) gibi hafif dalga kılavuzları, termal hasarı önlemek için uygulanmıştır 30,35,36,37,38,39. Bununla birlikte, bu stratejinin ışık kaynakları ve dalga kılavuzları arasındaki düşük bağlantı verimliliği nedeniyle de bir dezavantajı vardır.
Mikrolens dizisi daha önce LED’ler ve optik fiberler arasındaki ışık bağlantısı verimliliğini artırmak için tanıtılmıştı40. Optik stimülasyon ve mikro ölçekte elektriksel kayıt için mikroelektromekanik sistemler (MEMS) teknolojilerine dayanan bir optrode sistemi geliştirilmiştir40. LED ve optik fiberler arasındaki mikrolens dizisi, ışık verimliliğini 3,13 dB artırdı. Şekil 1’de gösterildiği gibi, 4×4 mikrolens dizisi üzerinde 2×2 optik fiber dizisi hizalanır ve LED, mikrolens dizisinin altına yerleştirilir. Beyin hasarını azaltmak için 4×4 yerine 2×2 optik fiberler monte edilir. Bir tungsten elektrot dizisi, elektrofizyolojik kayıt için delikler yoluyla silikon kullanılarak optrode dizisine bitişik olarak konumlandırılmıştır (Şekil 1B).
Sistem tek kullanımlık üst kısım ve sökülebilir alt parçalardan oluşmaktadır. Optik fiber dizisini, mikrolens dizisini ve tungsten elektrot dizisini içeren üst tek kullanımlık kısım, in vivo deneyler için beyne kalıcı olarak implante edilmek üzere tasarlanmıştır. Alt kısımda bir LED ışık kaynağı ve başka bir hayvan deneyi için kolayca çıkarılabilen ve yeniden kullanılabilen harici bir güç kaynağı hattı bulunur. Takılabilir plastik kapak, çıkarılabilir parça çıkarıldığında tek kullanımlık parçayı korur.
Sistemin fizibilitesi, Ca 2 + / kalmodüline bağımlı protein kinaz II-pozitif nöronlarda (CaMKIIα: : ChR2 fare) channelrhodopsin-2’yi (ChR2) eksprese eden transgenik farelerin beyinlerine implantasyon ile doğrulanır. Kayıt elektrotları, nöronların optik stimülasyonu sırasında bireysel nöronlardan gelen nöral aktiviteleri kaydetmek için kullanıldı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eşzamanlı optogenetik stimülasyon ve elektrofizyolojik kayıt için sistemin fizibilitesi doğrulandı (Şekil 6). Işık stimülasyonu sırasındaki büyük sivri uçlar, ışık stimülasyonu ile aynı anda meydana gelen fotoelektrik eserlerdir (Şekil 6A). Bu, kırmızı kesikli dikdörtgendeki dalga formunun yakınlaştırılmış görünümünde açıktır (Şekil 6A). Şekil 6A’da gösterildiğ…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) aracılığıyla İnsanın Güçlendirilmesi için Yakınsak Teknoloji Ar-Ge Programı tarafından, Bilim ve BİT Bakanlığı (NRF-2019M3C1B8090805) tarafından finanse edilmiş ve Kore hükümeti (MSIT) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibesi (no. 2019R1A2C1088909) tarafından desteklenmiştir. Seung-Hee Lee’nin KAIST, Daejeon, Kore’deki Biyolojik Bilimler Bölümü’ndeki laboratuvarına, transgenik fareleri nazik bir şekilde sağladıkları için teşekkür ederiz.
Materials
| 5-pin Connector | NW3 | HD127K | 1.27 mm (.050") pitch |
| Bovie | Fine Science Tools(F.S.T) | 18010-00 | High Temperature Cautery Kit |
| Data Acquisition Software | Intan Technologies, LLC | USB Interface Board software | Work with the RHD USB Interface Board |
| Dental Cement | Lang Dental Manufacturing Company, Inc. | 1223CLR | Use Jet Liquid and powder in jet denture repair package |
| Digital Manipulator Arm | Stoelting Co. | 51904/51906 | Left, Right each Digital Manipulator Arm, 3-Axes, Add-On |
| Gel Foam | Cutanplast | Standard (70*50*10 mm) | Sterile re-absorbable gelatin sponge with a haemostatic effect |
| Headstage Preamplifier | Intan Technologies, LLC | #C3314 | RHD 16-Channel Recording Headstages |
| Heating Pad | Stoelting Co. | 53800R | Stoelting Rodent Warmer X1 with Rat Heating Pad |
| LED | OSLON | GB CS8PM1.13 | λ typ. 470 nm, Viewing angle 80 °, Forward voltage 2.85 V |
| MATLAB | MathWorks, Inc. | R2019a | |
| Micro Clamp | SURGIWAY | 12-1002-04 | Straight type, Serre-fine DIEFFENBACH droite 3.5 cm |
| Optical Fiber | Thorlabs, Inc. | FT200UMT | 0.39 NA, Ø 200 µm Core Multimode Optical Fiber, High OH for 300 – 1200 nm |
| PFA-Coated Tungsten Wire | A-M System | Custom ordered | Rod type, Ø 101.6 μm (.004") |
| Photodiode | Thorlabs | S121C | |
| power meter | Thorlabs Inc. | PM100D | |
| Precision cleaver | FITEL | S326 | Fiber slicer tool |
| Prism | GraphPad | 5.01 version | |
| Scalpel | Feather™ | #20 | Scalpel blade with 100mm long Scalpel Handle |
| screw | Nasa Korea | stainless steel | diameter: 1.2 mm, length: 3 mm |
| Silver Wire | The Nilaco Corporation | AG-401265 | Ø 200 µm |
| Stereotaxic Fxrame | Stoelting Co. | 51500D | Digital new standard stereotaxic, rat and mouse |
| suture | ETHICON | W9106 | suture size: 4-0, length:75 cm, wire diameter: 4-0 |
| Vaseline | Unilever PLC | Original | 100% pure petroleum jelly |
| Wave_Clus | N/A | N/A | https://github.com/csn-le/wave_clus |
Referências
- Wang, Y., Liu, Y. Z., Wang, S. Y., Wang, Z. In vivo whole-cell recording with high success rate in anaesthetized and awake mammalian brains. Molecular Brain. 9 (1), 86 (2016).
- Segev, A., Garcia-Oscos, F., Kourrich, S. Whole-cell patch-clamp recordings in brain slices. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (112), e54024 (2016).
- Lee, D., Shtengel, G., Osborne, J. E., Lee, A. K. Anesthetized- and awake-patched whole-cell recordings in freely moving rats using UV-cured collar-based electrode stabilization. Nature Protocols. 9 (12), 2784-2795 (2014).
- Tao, C., Zhang, G., Xiong, Y., Zhou, Y. Functional dissection of synaptic circuits: in vivo patch-clamp recording in neuroscience. Frontiers in Neural Circuits. 9, 23 (2015).
- Henze, D. A., et al. Intracellular features predicted by extracellular recordings in the hippocampus in vivo. Journal of Neurophysiology. 84 (1), 390-400 (2000).
- Takahashi, S., Anzai, Y., Sakurai, Y. Automatic sorting for multi-neuronal activity recorded with tetrodes in the presence of overlapping spikes. Journal of Neurophysiology. 89 (4), 2245-2258 (2003).
- Buzsáki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature Neuroscience. 7 (5), 446-451 (2004).
- Rossant, C., et al. Spike sorting for large, dense electrode arrays. Nature Neuroscience. 19 (4), 634-641 (2016).
- Balasubramaniam, S., et al. Wireless communications for optogenetics-based brain stimulation: present technology and future challenges. IEEE Communications Magazine. 56 (7), 218-224 (2018).
- Bedbrook, C. N., et al. Machine learning-guided channelrhodopsin engineering enables minimally invasive optogenetics. Nature Methods. 16 (11), 1176-1184 (2019).
- Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience. 8 (9), 1263-1268 (2005).
- Deng, W., Goldys, E. M., Farnham, M. M., Pilowsky, P. M. Optogenetics, the intersection between physics and neuroscience: light stimulation of neurons in physiological conditions. American journal of physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 307 (11), 1292-1302 (2014).
- Fenno, L., Yizhar, O., Deisseroth, K. The development and application of optogenetics. Annual Review Neuroscience. 34, 389-412 (2011).
- Mahmoudi, P., Veladi, H., Pakdel, F. G. Optogenetics, tools and applications in neurobiology. Journal of Medical Signals and Sensors. 7 (2), 71-79 (2017).
- Sasaki, Y., et al. Near-infrared optogenetic genome engineering based on photon-upconversion hydrogels. Angewandte Chemie International Edition in English. 58 (49), 17827-17833 (2019).
- Zhang, Y., et al. Battery-free, lightweight, injectable microsystem for in vivo wireless pharmacology and optogenetics. Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (43), 21427-21437 (2019).
- Bernstein, J. G., Boyden, E. S. Optogenetic tools for analyzing the neural circuits of behavior. Trends in Cognitive Sciences. 15 (12), 592-600 (2011).
- Wang, J., et al. Integrated device for combined optical neuromodulation and electrical recording for chronic in vivo applications. Journal of Neural Engineering. 9 (1), 016001 (2012).
- Royer, S., et al. Multi-array silicon probes with integrated optical fibers: light-assisted perturbation and recording of local neural circuits in the behaving animal. European Journal of Neuroscience. 31 (12), 2279-2291 (2010).
- Zhang, J., et al. Integrated device for optical stimulation and spatiotemporal electrical recording of neural activity in light-sensitized brain tissue. Journal of Neural Engineering. 6 (5), 055007 (2009).
- Park, S. I., et al. Stretchable multichannel antennas in soft wireless optoelectronic implants for optogenetics. Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (50), 8169-8177 (2016).
- Kravitz, A. V., Owen, S. F., Kreitzer, A. C. Optogenetic identification of striatal projection neuron subtypes during in vivo recordings. Brain Research. 1511, 21-32 (2013).
- Aravanis, A. M., et al. An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology. Journal of Neural Engineering. 4 (3), 143-156 (2007).
- Anikeeva, P., et al. Optetrode: a multichannel readout for optogenetic control in freely moving mice. Nature Neuroscience. 15 (1), 163-170 (2011).
- Obaid, S. N., et al. Multifunctional flexible biointerfaces for simultaneous colocalized optophysiology and electrophysiology. Advanced Functional Materials. 30 (24), 1910027 (2020).
- Wang, L., et al. An artefact-resist optrode with internal shielding structure for low-noise neural modulation. Journal of Neural Engineering. 17 (4), 046024 (2020).
- Shin, H., et al. Multifunctional multi-shank neural probe for investigating and modulating long-range neural circuits in vivo. Nature Communications. 10 (1), 3777 (2019).
- Kampasi, K., et al. Dual color optogenetic control of neural populations using low-noise, multishank optoelectrodes. Microsystem & Nanoengineering. 4, 10 (2018).
- Schwaerzle, M., Paul, O., Ruther, P. Compact silicon-based optrode with integrated laser diode chips, SU-8 waveguides and platinum electrodes for optogenetic applications. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27 (6), 065004 (2017).
- Son, Y., et al. In vivo optical modulation of neural signals using monolithically integrated two-dimensional neural probe arrays. Scientific Reports. 5, 15466 (2015).
- Yasunaga, H., et al. Development of a neural probe integrated with high-efficiency MicroLEDs for in vivo application. Japanese Journal of Applied Physics. 60 (1), 016503 (2020).
- Kim, K., et al. Artifact-free and high-temporal-resolution in vivo opto-electrophysiology with microLED optoelectrodes. Nature Communications. 11 (1), 2063 (2020).
- Mendrela, A. E., et al. A high-resolution opto-electrophysiology system with a miniature integrated headstage. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems. 12 (5), 1065-1075 (2018).
- Scharf, R., et al. Depth-specific optogenetic control in vivo with a scalable, high-density muLED neural probe. Scientific Reports. 6, 28381 (2016).
- Oh, K., Sonsi, Y. -. A., Ha, S. Optogenetic stimulator with µLED-coupled optical fiber on flexile substrate via 3D printed mount. 2021 21st International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers). , 1476-1479 (2021).
- McAlinden, N., et al. Multisite microLED optrode array for neural interfacing. Neurophotonics. 6 (3), 035010 (2019).
- Kwon, K. Y., Lee, H. M., Ghovanloo, M., Weber, A., Li, W. Design, fabrication, and packaging of an integrated, wirelessly-powered optrode array for optogenetics application. Frontiers in Systems Neuroscience. 9, 69 (2015).
- Bernstein, J. G., Allen, B. D., Guerra, A. A., Boyden, E. S. Processes for design, construction and utilisation of arrays of light-emitting diodes and light-emitting diode-coupled optical fibres for multi-site brain light delivery. Journal of Engineering. , (2015).
- Stark, E., Koos, T., Buzsaki, G. Diode probes for spatiotemporal optical control of multiple neurons in freely moving animals. Journal of Neurophysiology. 108 (1), 349-363 (2012).
- Jeon, S., et al. Implantable optrode array for optogenetic modulation and electrical neural recording. Micromachines. 12 (6), 725 (2021).
- Song, Y. H., et al. A neural circuit for auditory dominance over visual perception. Neuron. 93 (4), 940-954 (2017).
- Fiáth, R., et al. Slow insertion of silicon probes improves the quality of acute neuronal recordings. Scientific Reports. 9 (1), 111 (2019).
- Melchior, J. R., Ferris, M. J., Stuber, G. D., Riddle, D. R., Jones, S. R. Optogenetic versus electrical stimulation of dopamine terminals in the nucleus accumbens reveals local modulation of presynaptic release. Journal of Neurochemistry. 134 (5), 833-844 (2015).
- Quiroga, R. Q., Nadasdy, Z., Ben-Shaul, Y. Unsupervised spike detection and sorting with wavelets and superparamagnetic clustering. Neural Computation. 16 (8), 1661-1687 (2004).
- Chaure, F. J., Rey, H. G., Quian Quiroga, R. A novel and fully automatic spike-sorting implementation with variable number of features. Journal of Neurophysiology. 120 (4), 1859-1871 (2018).
- Casanova, F., Carney, P. R., Sarntinoranont, M. Effect of needle insertion speed on tissue injury, stress, and backflow distribution for convection-enhanced delivery in the rat brain. PLoS One. 9 (4), 94919 (2014).
- Iseri, E., Kuzum, D. Implantable optoelectronic probes for in vivo optogenetics. Journal of Neural Engineering. 14 (3), 031001 (2017).
- Arias-Gil, G., Ohl, F. W., Takagaki, K., Lippert, M. T. Measurement, modeling, and prediction of temperature rise due to optogenetic brain stimulation. Neurophotonics. 3 (4), 045007 (2016).
- Jeon, S., et al. Multi-wavelength light emitting diode-based disposable optrode array for in vivo optogenetic modulation. Journal of Biophotonics. 12 (5), 201800343 (2019).
- Korposh, S., James, S. W., Lee, S. -. W., Tatam, R. P. Tapered optical fibre sensors: current trends and future perspectives. Sensors. 19 (10), 2294 (2019).
