Control y análisis de circuitos neuronales<em> In vivo</em> Se vería facilitada por una tecnología para la entrega de los virus y otros reactivos que desee en 3 dimensiones conjuntos de las regiones del cerebro. Demostramos a medida de fluidos de fabricación de serie del inyector, y la entrega de forma viral codificada sensibilizadores óptica, que permite la manipulación óptica de los circuitos cerebrales complejas.
Nuestra comprensión de los circuitos neuronales – cómo mediar en los cálculos que la sensación subserve, pensamiento, emoción y acción, y la forma en que están dañados en enfermedades neurológicas y psiquiátricas – se vería enormemente facilitada por una tecnología para la rápida selección de genes complejo 3 – dimensiones circuitos neuronales, lo que permite la rápida creación de "nivel de circuito transgénicos." Recientemente hemos desarrollado métodos de codificación en el que los virus sensibles a la luz de las proteínas pueden sensibilizar a los tipos específicos de células a escala de tiempo de milisegundos de activación y silenciamiento en el cerebro intacto. Presentamos aquí el diseño e implementación de una matriz de inyección capaz de entregar los virus (y otros líquidos) a docenas de puntos definidos dentro de la estructura 3-dimensional del cerebro (<strong> Figura. 1A, 1B</strong>). La matriz de inyección comprende una o más bombas de desplazamiento que cada unidad de un conjunto de jeringas, cada uno de los que se alimenta en una de sílice fundida de poliamida / capilar a través de un conector de alta presión de alta disponibilidad. Los capilares son de tamaño, y después se inserta en, lugares deseados especificados por la costumbre, el fresado de una placa de posicionamiento estereotáctica, permitiendo así que los virus u otros reactivos que se entregarán al conjunto deseado de las regiones del cerebro. Para utilizar el dispositivo, el primer cirujano llena el subsistema de fluidos en su totalidad con petróleo, rellenos de los capilares con el virus, se inserta el dispositivo en el cerebro, e infunde reactivos lentamente (<0,1 microlitros / min). La naturaleza paralela de la matriz de inyección facilita el etiquetado rápido, preciso, robusto y de toda circuitos neuronales con capacidades de carga viral tal como sensibilizadores óptica para permitir que la luz de activación y el silenciamiento de los circuitos cerebrales definidos. Junto con otras tecnologías, como las matrices de fibra óptica para la entrega de la luz a los conjuntos deseados de las regiones del cerebro, que esperamos crear una caja de herramientas que permite a la sistemática exploración de causal funciones neuronales en el cerebro intacto. Esta tecnología no sólo puede abrir tales métodos sistemáticos para circuito centrado en la neurociencia en los mamíferos, y de facilitar el etiquetado de las regiones del cerebro en los animales grandes, como los primates no humanos, pero también puede abrir un camino de traslación clínica de células específicas de prótesis de control óptico , cuya precisión puede permitir un mejor tratamiento de los trastornos cerebrales intratables. Finalmente, los dispositivos como se describe aquí puede facilitar precisamente el momento oportuno suministro de fluidos de otras cargas, como las células madre y los agentes farmacológicos, a tres dimensiones de estructuras, de manera fácilmente personalizable por el usuario.
En los últimos años, una serie de organismos genéticamente codificados sensibilizadores óptica han permitido a las neuronas que se activan y silenciados en vivo de una manera temporal, precisa, en respuesta a breves pulsos de luz (por ejemplo, 1,4,5,6,7,8 , 11). Un método clave con la que las neuronas se han sensibilizado a la luz en el cerebro de los mamíferos, es a través de virus como lentivirus y virus adeno-asociados (AAV), que pueden entregar los genes que codifican para opsinas a los cerebros de los animales que van desde los ratones a los monos, en un forma segura y duradera (por ejemplo, 2,9,10). Los virus más rápido tiempo de respuesta permite que los transgénicos, especialmente para los organismos que no son organismos genética modelo como las ratas y monos, y por opsinas pueden permitir altos niveles de expresión que no puede ser posible en los escenarios de transgénicos. Aquí se demuestra una serie paralela de inyección capaz de crear, en un plazo de tiempo rápido ", circuito a nivel de los transgénicos", que permite todo en 3 dimensiones las estructuras del cerebro que se forma viral dirigida a un gen, en un paso quirúrgico. La matriz de inyección comprende una o más bombas de desplazamiento que cada unidad de un conjunto de jeringas, cada uno de los que se alimenta en una de sílice fundida de poliamida / capilar a través de un conector de alta presión de alta disponibilidad. Los capilares son de tamaño, y después se inserta en, lugares deseados especificados por la costumbre, el fresado de una placa de posicionamiento estereotáctica, permitiendo así que los virus u otros reactivos que se entregarán al conjunto deseado de las regiones del cerebro. Para utilizar el dispositivo, el primer cirujano llena el subsistema de fluidos en su totalidad con petróleo, rellenos de los capilares con el virus, se inserta el dispositivo en el cerebro, e infunde reactivos lentamente (<0,1 l / min).
Esta tecnología permitirá que una amplia variedad de nuevos tipos de experimentos, como la escala de tiempo de milisegundos cierre de forma compleja en forma de estructuras (tales como el hipocampo) en momentos precisos en el comportamiento, la inactivación temporal, precisa de estructuras bilaterales que pueden actuar de forma redundante (como la izquierda y la amígdala derecha), y la perturbación de múltiples regiones cerebrales discretas (por ejemplo, conducir dos regiones conectados fuera de fase para estudiar cómo cruzada región sincronía depende de la actividad dentro de cada región, o estimular las entradas a una región, mientras que el silenciamiento de un subconjunto de los objetivos a fin de comprender cuál de los varios objetivos son fundamentales para la mediación de los efectos de los insumos). Para los grandes cerebros como los de los primates, en el que hemos demostrado recientemente óptico tipo de célula específica de activación neural 3, perturbando la actividad en un área de comportamiento relevantes pueden requerir el etiquetado viral de las estructuras grandes y complejas. Tomamos nota de que en paralelo matrices de inyección puede ser utilizado para inyectar casi cualquier carga – drogas, neuromoduladores, los neurotransmisores, o incluso células – en el complejo de 3-D los patrones en el cerebro, de manera temporal, precisa. Por último, desde el punto de vista de traslación, es posible que el rápido, el paciente a medida terapia génica o dispositivos de administración de fármacos puede ser rápidamente diseñados y fabricados para que coincida con geometrías individuales del cerebro, el apoyo a nuevos tratamientos para una variedad de patologías, posiblemente mediante el uso de moléculas de control óptico.
Las matrices de inyección están diseñados para ser más precisos, tanto espacial como volumétrica. En la X e Y las direcciones, esto se logra mediante la perforación de los agujeros con gran precisión puesto con un mini-molino de bajo costo, con los agujeros lo suficientemente grande como para ajustarse a los inyectores, de modo que los inyectores se mantienen paralelos entre sí, y de manera precisa ubicación. En la dirección Z, los inyectores se cortan con un aparato estereotáxico, lo que permite un nivel de precisión equivalente a la de la cirugía estereotáxica en sí. La precisión volumétrica surge de la precisión de la bomba de Hamilton, así como la casi nula volúmenes muertos conectores, una adaptación de la cromatografía líquida de alta presión (HPLC) sobre el terreno. Los inyectores son obtenidos de un tubo capilar de sílice fundida, que es fuerte y lo suficientemente rígido que mantiene la forma precisa y el espacio bajo presión, sin que el espesor de la pared más grande de alternativas tales como cánulas de acero. Pequeñas modificaciones se pueden hacer fácilmente para adaptar el conjunto inyector paralelo a una variedad de experimentos. Por ejemplo, si un menor volumen de virus o espaciamiento más fino se requiere, más pequeño tubo capilar puede ser empleado, junto con una broca correspondiente más pequeño. Dispositivos en el futuro podrán utilizar canales de microfluidos y bombas, para aumentar el número de inyectores en paralelo, para reducir al mínimo el tamaño (tal vez permita a estos dispositivos para ser montado en la cabeza de libertad de movimiento de los animales).
The authors have nothing to disclose.
ESB reconoce financiación Premio a la Innovación Nuevo Director del NIH (DP2 OD002002-01), NIH subvención-desafío 1RC1MH088182-01, NIH Gran oportunidades de becas 1RC2DE020919-01, NIH 1R01NS067199-01, la NSF (0835878 y 0848804), el McGovern Instituto el Programa de Premios Neurotechnology , el Departamento de Defensa, NARSAD, la Fundación Alfred P. Sloan, Jerry y Marge Burnett, el Premio de Investigación SFN para la Innovación en Neurociencia, el Media Lab del MIT, la Fundación Benesse, y la Fundación Wallace H. Coulter.
Material Name | Type | Company | Catalogue Number | Comment |
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Dremel Tool | Tool | Dremel | 3956-02 | |
Laser Cutter | Tool | Universal Laser Systems | VLS2.30 | |
Hot glue gun | Tool | Stanley Bostitch | GR20 | |
Injection/withdrawal syringe pump (Hamilton pump) | Tool | Harvard Apparatus | 702001 | |
10 μl Hamilton syringes | Tool | Hamilton Company | 701N | Need one per injection site |
Mouse stereotax | Tool | Stoelting | 51725D | |
Modela mini-mill | Tool | Roland | MDX-15 | |
0.011″ diameter drill bit for mini mill | Tool | Mcmaster-Carr | 8915A12 | |
1/32″ diameter drill bit For mini-mill | Tool | McMaster-Carr | 8848A35 | |
High speed dental drill | Tool | Lynx | 333 | |
Dental drill accessories | Tool | Pearson | F 35-08-25 F 35-07-10 P 86-02-38 |
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1.5mm outer diameter (OD) stainless steel cannula | Material | Small-Parts | HTX-15R | |
1-72 binding slotted machine screw | Material | Small-Parts | MX-0172B | |
1-72 hex nut | Material | Small-Parts | HNX-0172 | |
PCB proto-board, 1/32″ thick | Material | Digi-Key | PC57-T-ND | |
Acrylic Sheet, 1/8″ thick | Material | Mcmaster-Carr | 8560K239 | |
HPLC connectors | Material | Upchurch Scientific | F-252, P-627, P-200, P-235, F-240 (some of these can be bought in 10-packs; simply add an ‘x’ to the end of the part number) | Need one per injection per site, except F-252, P-627, and P-235, which can be reused |
Fused silica capillary tubing, OD: 245 μm, ID: 100 μm | Material | Polymicro Technologies | 2000022-10M | |
5-minute general purpose epoxy | Material | Permatex | 84101 | 5-minute general purpose epoxy |
Polyethylene tubing .066 x .095 inch | Material | VWR | 63018-827 |