Bu protokol, birden fazla beyin bölgesinden fare(Mus musculus)ve gelincikte(Mustela putorius furo) kronik ve akut in vivo elektrofizyolojik kayıtlar için karbon fiber mikroelektrod dizileri oluşturmak için bir prosedür açıklanmaktadır. Mikroelekrod dizisi implantasyonuna ham karbon fiberlerin satın alınmasını takiben atılan her adım, mikroelekrod dizisi yapımına vurgu yaparak ayrıntılı olarak açıklanmıştır.
Çok kanallı elektrot dizileri çalışan beyin hakkında fikir verir ve tek hücreli ve devre seviyelerinde sinirsel süreçleri aydınlatmaya yarar. Bu araçların geliştirilmesi karmaşık davranışları ve bilişi anlamak ve klinik uygulamaları ilerletme için çok önemlidir. Bununla birlikte, uzun zaman dönemlerinde hücre popülasyonlarından sürekli olarak ve sürekli olarak yoğun bir şekilde kayıt yapmak zor olmaya devam etmektedir. Tetrotlar ve silikon diziler gibi birçok popüler elektrot, ekleme sırasında hasar üreten ve nöronal ölümle ilişkili kronik reaktif doku yanıtlarını ortaya çıkararak kararlı, sürekli sinirsel aktivitenin kaydedilini engelleyen büyük çapraz çaplara sahiptir. Buna ek olarak, çoğu tel demeti kanallar arasında geniş aralıklar sergiler ve küçük bir alanda kümelenmiş çok sayıda hücreden eşzamanlı kaydı önler. Bu protokolde açıklanan karbon fiber mikroelekrod dizileri bu endişelere erişilebilir bir çözüm sunar. Çalışma, in vivo hem akut hem de kronik kayıtlar için kullanılabilecek karbon fiber mikroelekrod dizileri oluşturmak için ayrıntılı bir yöntem sunmaktadır. Bu elektrotların fiziksel özellikleri, onları yüksek hücre yoğunluklarında istikrarlı ve sürekli uzun süreli kayıtlar için ideal hale getirir ve araştırmacının aylar boyunca tek ünitelerden sağlam, net kayıtlar yapmasını sağlar.
Elektrotlar ve elektrot dizileri, beynin nöronal düzeyde bilgiyi nasıl işlerdiğini anlamak için değerli araçlardır. Elektrofizyolojik kayıtlar iki yüzyılı aşkın bir süredir ulaşılabilir olsa da1, tüm sinir devrelerinin aktivitesini, bireysel nöronların sıçramasını yakalamak için gereken mekansal ve zamansal çözünürlükte aynı anda ölçmek hala mümkün değildir. Elektroensefalografi2, pozitron emisyon topografyası3ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme4 gibi invaziv olmayan yöntemler tüm beyin ölçümlerine izin verse de, nöral devrelerin aktivitesini çözmek için gerekli mekansal ve zamansal çözünürlüğe ulaşamazlar2,5. Buna karşılık, voltaja duyarlı boyalar veya genetik olarak kodlanmış kalsiyum göstergeleri kullanılarak optik görüntüleme gibi görüntüleme yöntemleri tek birimli uzamsal çözünürlük elde edebilir, ancak düşük zamansal çözünürlük ve zayıf seçicilik3, 4,5,6gibi sorunlar oluşturur. Elektrik kayıtları bu yöntemlere güçlü bir alternatiftir. Kayıt elektrotları benzersiz zamansal çözünürlük sağlar ve kullanıcının beynin herhangi bir bölgesinde çivi zamanı hassasiyetiyle ölçümler yapmasına izin verir7. Ek olarak, kronik olarak implante edilmiş multielekrod dizileri (MEA’lar),8,9aylarına kadar bir süre boyunca hayvanların davranışlarında büyük ölçekli (on ila yüzlerce hücre), tek hücreli kayıtlar sağlar. Bununla birlikte, daha yüksek yoğunluklarda kayıt yapan silikon problar büyük bir ayak izine sahiptir ve oldukça invazivdir ve kronik olarak implante edilmiş diziler genellikle iltihap yanıtı, doku kapsülleme ve nöronal ölüm10 , 11,12,13oluşturur.
Mevcut elektrotların sınırlamaları, istikrarlı, yüksek çözünürlüklü, uzun süreli kayıtlara izin veren son yeniliklerle sonuçlandı. Tipik elektrotlar tungsten veya platin-iridyum gibi metalik bir iletkenden oluşur veya silikon veya polimer bazlıdır. Metal bazlı mikrotel dizileri uzun süreli, istikrarlı kayıtları koruyabilirken, tek bir tel çapı 10-200 μm14arasında değişen çok daha büyük bir ayak izine sahiptir. Buna karşılık, silikon bazlı elektrot dizileri yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip kayıtlar verir, ancak nispeten sert tasarımları nedeniyle, genellikle aynı nöronlardan gelen sinyali ve kaydı aylar boyunca koruyamazlar15. Silikon tabanlı dizilerdeki son gelişmeler, kronik kayıtları güvenilir bir şekilde gerçekleştirebilen elektrotlarla sonuçlandı, ancak bu diziler daha büyük hayvanlarda derin beyin bölgelerinden kayıt yapmak için kullanılamaz ve doğrusal kayıtlar için tasarlanmıştır9. Polimer dizilerindeki gelişmeler, esnekliğin artmasına ve tek ünitelerin kayıt stabilitesinin artmasına neden oldu ve yakın gelecekte yüksek yoğunluklu kayıtlar için potansiyelsunuyor,ancak şu anda sınırlı kullanılabilirlikile 8,16,17. Karbon fiberler, burada açıklanan raf dışı malzemelerle yüksek yoğunluklu kayıtlara izin verir.
Karbon fiber kayıt mikroelekrodları on yıllardır kullanılmaktadır ve ilk karbon fiber elektrotlar bir cam mikropipette içine yerleştirilmiş tek bir karbon fiberden oluşandır. Bu mikroelekrodlar tek üniteli hücre dışı kayıtlar için kullanıldı ve sinyal-gürültü oranı en iyi camdaki tungsten mikroelekrodlarla karşılaştırılabilir olmasına rağmen, esneklikleri, daha düşük empedans değerleri ve18,19üretme basitliği nedeniyle avantajlıydılar. Karbon fiber elektrot dizileri geliştirme çabaları, karbon fiberlerin biyosensör yetenekleri nedeniyle son zamanlarda hızlandırılmıştır. Artan biyouyumluluklarına ve olağanüstü elektrik iletkenliklerine ek olarak, yüksek sıcaklık direnci, düşük bağıl yoğunluk, yüksek çekme mukavemeti, düşük bükülme sertliği, yüksek algılama hassasiyeti ve küçük bir kesit alanı10,12dahil olmak üzere benzersiz bir özellik kümesine sahiptirler. Tüm bu özellikler, tek nöronların kronik, kararlı, yüksek verimli kayıtlarını kolaylaştıran karbon fiber mikroelekrod dizilerinin (CFEA’ lar) geliştirilmesini motive etmiştir. Bu tür CFEA’lar artık elle üretilebilir20,21 ( Şekil1), aylarca tek nöronları tutabilen mikroelektod dizileri verir. Burada açıklanan, iki türdeki bireysel nöronların akut ve kronik kayıtları için iki şekilde uyarlanmış CFEA’lar için erişilebilir bir inşaat sürecidir.
Bu protokol, hem akut hem de kronik kullanım için işlevsel bir CFEA oluşturmak için gerekli her adımı açıklar. Açıklanan süreç araştırmacının ihtiyaçlarına göre özelleştirilebilir, bu da onu aylar boyunca tek nöronları izlemek için erişilebilir ve ucuz bir seçenek haline getirir. Protokol, uyuşturulmış bir hayvana implantasyondan sonraki dakikalar içinde ve uyanık, davranışlı bir hayvanda dört ay boyunca hem sağlam tek ünite aktivitesinin kaydedilme fizibilitesini gösterir ve bu CFEA’ların sinirsel yanıtlardaki kısa süreli ve uzun vadeli değişiklikleri inceleme potansiyelini göstermektedir.
Açıklanan protokolün adımları, aylar boyunca net tek birimleri yoğun ve kesin bir şekilde kaydetme yeteneğine sahip, düşük marjinal maliyetle (< 100,00 $) hızlı bir şekilde tamamlanabilecek verimli bir prosedür sağlamak için zaman içinde kapsamlı bir şekilde test edilmiş ve geliştirilmiştir. İnşaat adımları bir günden daha kısa bir sürede tamamlanabilir ve önde gelen herhangi bir ticari diziyle karşılaştırılabilir elektrofizyolojik sinyaller üretecektir. CFEA'lar ayrıca benzer ticari dizilerden çok daha küçük bir ayak izine (16 kanallı lif demeti ~ 26 μm çapa sahiptir) sahiptir ve biyouyumlulukları onları uzun süreli kullanım için uygun hale getirir13. Daha da önemlisi, benzer performansa sahip işleyen bir CFEA üretmek için izlenmesi gereken birkaç kritik adım ve talimat vardır.
Karbon fiberlerin kırılganlığı nedeniyle, son derece dikkatli bir şekilde ele alınmalıdır. Bunları keskin kanatlarla veya diğer aletlerle işlemek liflerin kırılmasına neden olabilir. Ek olarak, CTA’ları sınırlı hava hareketine sahip bir alanda inşa etmek önemlidir, böylece lifler patlamaz. Liflerin arka kısmını alevlerken, çakmağın sadece yaklaşık 1 sn boyunca çok kısa bir süre ileri geri hareket etmesi gerekir. İzolasyonun bu şekilde kaldırılmasını takip eden adımlar, çalışma kanallarına sahip bir elektrot oluşturmak için çok önemlidir. Alevli uçlar, herhangi bir ek temas olmadan jig içine beslenmelidir. Daha sonra, havzayı diş çimentosu ile doldururken, çimentonun dikkatlice uygulanması ve kanalları ve huni havzasını tamamen doldurması, açıklıkları doldurmadan kapatması önemlidir. Diş çimentosu devam etmeden önce UV ışığı ile tamamen iyileştirilmelidir. Bu tamamlandıktan sonra, gümüş boya tamamen dolana kadar her kanala enjekte edilmeli, ancak dökülmemelidir. Bu, işlemdeki en değişken adımdır. Herhangi bir aşırı doldurma kanallar arasında çapraz konuşma üretebilir ve yetersiz doldurma bağlantı hatasına neden olabilir. 25 G’lık bir iğne kullanarak gümüş boya enjekte edemezse, çözeltinin çok viskoz olması ve bu durumda daha akışkan bir çözelti oluşturmak için az miktarda boya tinerinin eklenmesi muhtemeldir. Tüm kanallar doldurulduktan ve baş sahne konektörü yerleştirildikten sonra, konektörü diş çimentosu ile sabitlemeden önce dizinin 24 saat boyunca kürlemesine izin vermek önemlidir. Bunu yapmamanın bağlı kanalların sayısını düşürdüğünü gördük. Sinyal alma sistemiyle etkileşime girdiğinde konektörün bağlantısının kesilmemesi için bol miktarda diş çimentosu uygulamak da önemlidir. Ayrılırlarsa, kanalların tekrarlanan gümüş boya ile doldurulmasıyla yeniden bağlanmayı denemek mümkündür, ancak kullanıcı bağlı kanalların sayısını değerlendirmek için CFEA’nın empedans değerlerini test etmelidir. Diş çimentoslarının bir gecede tedavi edilmesine izin vermek de olası kopuşun önlenmesine hizmet eder.
Elektrodun empedansının ölçülmesi bağlı kanalların doğru bir tahminini sağlayacaktır. Bu, zemini ve referans tellerini ve PBS’deki karbon fiber uçları batırdıktan sonra yapılabilir. Yüksek empedans (>15 MΩ) açık, bağlantısız bir kanalın göstergesi olduğunu gözlemledik. Akım ve elektrolizleme enjekte etmeden önce, bağlı bir kanal bu işlemle önemli ölçüde azalması gereken bir dizi empedans değerine sahip olabilir. 16 kanallı elektrot başına ortalama bağlı kanal sayısı (akım enjeksiyonundan sonra empedans < 4 MΩ) 12,96 ± 2,74 (ortalama ± SD; N = 48 elektrot). Bir dizi elektrolizleme süreleri test edildi ve 30 s kayıt siteleri arasında üstün sinyal yalıtımı üretti (Şekil 5). PEDOT-pTS12, 24,25,26ve PEDOT-TFB21’in karbon fiber kayıt alanlarını hazırlamak için güvenilir seçenekler sunduğu iyi tespit edilmiş olsa da, kronik implantasyon için elektrotların elektrolizlenmesi için kanıtlanmış ve güvenilir bir yöntem olan altın kaplamanın27,28 , implantasyon kolaylığını artırdı ve elektrot uçlarının bir araya topaklanmasını önledi. Ortalama 0,2 MΩ’den daha az nihai empedans değerleri üretirken, bu yöntem PEDOT-TFB21 ve PEDOT-pTS26kullanılarak elde edilen değerlerle karşılaştırılabilir.
Mikroelekrod dizisini yerleştirirken, karbon fiber uçlarının mikroskop altına yerleştirilmesini görsel olarak takip etmek önemlidir. Liflerin bükülmemesi olmadan başarılı yerleştirme belirgin olmalıdır. Lifler bükleniyor gibi görünüyorsa, beyne başarılı bir şekilde girmeleri olası değildir. Bu durumda, probun açısı ikinci bir deneme için ayarlanmalıdır. Bu işlem, probun eklenmesi başarılı olana kadar devam edebilir. Elektrot istenen derinliğe geldikten sonra, en az 30 dakika beklemenin probun optimum sinyal alımına (akut kayıtlar) razı olmasını sağlayacağını bulduk.
Açıklanan CFEA’lar, küçük ayak izlerine ve biyouyumlanabilirliklerine ek olarak, inşaat kolaylığı ve düşük maliyeti nedeniyle ticari dizilere sağlam, özelleştirilebilir bir alternatif sunar. Bu protokolde ayrıntılı olarak açıklanan CFA’lar için en büyük sınırlama ölçeklenebilirlikleridir. Yapımlarının manuel doğası nedeniyle, yüzlerce kayıt sitesiyle tasarımlara kadar ölçeklendirme pratik olmayabilir. Ayrıca, nanoteknoloji kullanarak mikroelekrod dizi imalatındaki gelişmeler, burada açıklanan yöntemlerden daha büyük ölçekli popülasyon kayıtlarına olanak sağlayacaktır. Bununla birlikte, bu protokol, karbon fiber elektrotların tezgah üstü imalatı ile ilgilenen laboratuvarlara CFEA erişilebilirliği sağlar. 120 günlük kronik deneyler süresince spike genliğinde stabilite kaybı veya sağlamlık azalması gözlemlemedik, bu zaman ölçeğindeki gözlemlerimizin tipik temsili tek bir kanalda belirtildiği gibi (Şekil 6A–E). Ek olarak, CFEA’lar kalıcı tek ünite aktivite kapasitesini gösterir, çünkü dört tek ünite fareye implantasyondan 11 ay sonra ayırt edilebilir kalmıştır (Şekil 6G, H). Tek nöronların kısa süreler içinde incelenmesi için diğer birçok ticari elektrota göre avantaj sağlayan kararlı, tek üniteli kayıtları akut olarak elde etmek de mümkündür (Şekil 7). Gelecekte, minimum çapa sahip bu tür esnek, biyouyumlu probların geliştirilmesi karmaşık süreçlerin incelenmesini sağlayacaktır. Bu araçlar, sürekli, uzun vadeli stabilite gerektiren beyin-makine arayüzlerindeki (BMI’ ler) uygulamalar da dahil olmak üzere sinir teknolojisinin geliştirilmesinde önemli bir yardımcı program sağlayacaktır29.
The authors have nothing to disclose.
Greg Guitchounts’a elektrot tasarımı ve yapımı konusunda rehberlik yaptığı için ve Tim Gardner’a laboratuvarını ve tesislerini bize açtığı için teşekkür ederiz. Christos Michas’a Biyo-Arayüz ve Teknoloji çekirdek tesisinde PDS kullanımına yaptığı yardım için ve Neil Ritter, Jon Spyreas ve David Landesman’a 16 kanallı jig’in erken sürümlerini tasarlamadaki yardımları için teşekkür ederiz. Tim Cavanaugh’a Harvard Nano ölçekli sistemler merkezinde SEM görüntüleme konusundaki yardımı için teşekkür ederiz.
#10 scalpel blade | Fisher Scientific | 14-840-15 | Building tool |
16-channel CFEA Jig | Realize Inc. | CFMA component | |
16-channel Omnetics connector | Omnetics | A79014-001 | CFMA component |
25 G needle | Fisher Scientific | 14-840-84 | Building tool – sharp-tipped |
30 G needle | Fisher Scientific | 14-841-03 | Building tool |
31 G stainless steel 304 hypodermic round tubing | Small Parts Inc | B000FMYN38 | For guide tube |
32-channel CFEA jig | Realize Inc. | CFMA component | |
32-channel Omnetics connector | Omnetics | A79022-001 | CFMA component |
6 in cotton tip applicators | Fisher Scientific | 22-363-156 | Building tool |
Acetone | Fisher Scientific | A16P4 | Building tool |
AutoCad 3D printing software | Autodesk | Computer-aided design tool/ 3D modeling software | |
Autodesk Fusion 360 | Autodesk | Computer-aided design tool/ 3D modeling software | |
BD disposable syringes | Fisher Scientific | 14-823-30 | 1 mL |
Carbon fibers | Good Fellow USA | C 005725 | 7 μm epoxy sized |
Cassettes and cassette holder | For coating fibers | ||
Clear tape | Scotch | For coating raw fibers | |
Deionized water | Electroplating component | ||
Double-sided tape | Scotch | For coating raw fibers | |
Flowable Dental Composite | Pentron | Flow-It ALC | CFMA component/ UV cured dental cement |
Gold plating solution | Sifco ASC | 5355 | 10.0-20.0% glycerol, 1.0-5.0% ethylenediamine, 1.0-5.0% acetic acid (ethylenedinitrilo)tetra-, dipotassium salt, 5.0-10.0% butanoic acid, mercapto-monogold(1+) sodium salt, 1.0–5.0% potassium metabisulfite, 55.0-82.0% water |
Jewelry clamp | Amazon | B00GRABH9K | Building tool |
JRClust | Ferret spike sorting software | ||
Lighter | BIC | LCP62DC | Building tool |
Micromanipulator | Scientifica | PS-7000C | For guide tube |
Microscissors | Fisher Scientific | 08-953-1B | Building tool |
MountainSort | Mouse spike sorting software | ||
NanoZ 16-channel adapter | Multi-channel systems | ADPT-nanoZ-NN-16 | Electroplating component |
NanoZ 32-channel adapter | White Matter | NZA-OMN-32 rev A | Electroplating component |
NanoZ multi-electrode impedance tester | White Matter | Electroplating component | |
Parafilm | Fisher Stockroom | 13-374-10 | Semi-transparent, flexible film with adhesive properties |
Parylene 'C' Dimer | Specialty Coating Systems | 980130-C-01LBE | For coating raw fibers |
PEG 8000 | Fisher Scientific | 25322-68-3 | Electroplating component |
Phosphate-buffered saline | Electroplating component | ||
Polyimide tubing | MicroLumen | BRAUNI001 | For guide tube |
Rotary tool | Dremel | 300124 | For guide tube |
Scalpel handle | Fine Science Tools | 10003-12 | Building tool |
Silver conductive coating | MG Chemicals | 842AR Super Shield | CFMA component |
Stereo microscope with range 6.7:1 | Motic | SMZ-168 | Building tool |
Sticky notes | Post-it | Building tool | |
Tissue wipes | Kimtech Science | 34155 | Building tool |
Tungsten wire | A-M Systems | 797550 | CFMA component |
UV curing wand | Woodpecker | Building tool | |
Vacuum deposition chamber | Specialty Coating Systems | Labcoter 2 (PDS 2010) |