JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

Optrode Array voor gelijktijdige optogenetische modulatie en elektrische neurale opname

Published: September 01, 2022
doi:
10.3791/63460
, , , , , , ,
1Department of Electronic and Electrical Engineering,Ewha Womans University, 2Graduate Program in Smart Factory,Ewha Womans University, 3Department of Electrical and Computer Engineering,Seoul National University, 4Graduate School of Engineering Practice,Seoul National University, 5Department of Brain and Cognitive Sciences,Ewha Womans University

Summary

Hier presenteren we de fabricagemethode van een optrode-systeem met optische vezels voor lichtafgifte en een elektrode-array voor neurale opname. In vivo experimenten met transgene muizen die channelrhodopsine-2 tot expressie brengen, tonen de haalbaarheid van het systeem voor gelijktijdige optogenetische stimulatie en elektrofysiologische registratie.

Abstract

In het afgelopen decennium is optogenetica een essentieel hulpmiddel geworden voor het onderzoek naar neurale signalering vanwege het unieke vermogen van selectieve neurale modulatie of monitoring. Omdat specifieke soorten neuronale cellen genetisch kunnen worden gemodificeerd om opsine-eiwitten tot expressie te brengen, maakt optogenetica optische stimulatie of remming van de geselecteerde neuronen mogelijk. Er zijn verschillende technologische ontwikkelingen geweest in het optische systeem voor optogenetica. Onlangs werd voorgesteld om de optische golfgeleider voor lichtafgifte te combineren met elektrofysiologische opname om tegelijkertijd de neurale reacties op optogenetische stimulatie of remming te volgen. In deze studie werd een implanteerbare optrode array (2×2 optische vezels) ontwikkeld met ingebedde meerkanaals elektroden.

Een light-emitting diode (LED) werd gebruikt als lichtbron en een microgefabriceerde microlensarray werd geïntegreerd om voldoende lichtkracht te leveren aan de punt van de optische vezels. Het optrode array systeem bestaat uit het wegwerpdeel en het herbruikbare deel. Het wegwerponderdeel heeft optische vezels en elektroden, terwijl het herbruikbare deel de LED en elektronische circuits heeft voor lichtregeling en neurale signaalverwerking. Het nieuwe ontwerp van het implanteerbare optrode array-systeem wordt geïntroduceerd in de bijbehorende video naast de procedure van de optrode-implantatiechirurgie, optogenetische lichtstimulatie en de elektrofysiologische neurale opname. De resultaten van in vivo experimenten toonden met succes time-locked neurale spikes opgeroepen door de lichtprikkels van hippocampale exciterende neuronen van muizen.

Introduction

Het registreren en controleren van neurale activiteit is essentieel om te begrijpen hoe de hersenen functioneren in een neuraal netwerk en op cellulair niveau. Conventionele elektrofysiologische opnamemethoden omvatten de patchklem 1,2,3,4 met behulp van een micropipette en extracellulaire opname met behulp van microneurale elektroden 5,6,7,8. Als neuromodulatiemethode is elektrische stimulatie vaak gebruikt om een focale hersenregio direct te stimuleren door directe of indirecte depolarisatie van neuronale cellen. De elektrische methode kan echter geen neuronale celtypen onderscheiden voor opname of stimulatie omdat de elektrische stromen zich in alle richtingen verspreiden.

Als een opkomende technologie heeft optogenetica een nieuw tijdperk ingeluid in het begrijpen hoe het zenuwstelsel werkt 9,10,11,12,13,14,15,16. De essentie van optogenetische technieken is om licht te gebruiken om de activiteit van lichtgevoelige opsine-eiwitten te regelen die tot expressie worden gebracht door genetisch gemodificeerde cellen. Optogenetica maakt dus de geavanceerde modulatie of monitoring van genetisch geselecteerde cellen in gecompliceerde neurale circuitsmogelijk 14,17. Het bredere gebruik van de optogenetische benadering heeft gelijktijdige neurale opname noodzakelijk gemaakt om optische neuromodulatie direct te bevestigen. Daarom zou een geïntegreerd apparaat met lichtregelings- en opnamefuncties uiterst waardevol zijn 16,18,19,20,21,22,23,24,25.

Er zijn beperkingen aan conventionele, lasergebaseerde optogenetische stimulatie, waarvoor een omvangrijk en duur lichtafgiftesysteem 26,27,28,29,30 vereist is. Daarom gebruikten sommige onderzoeksgroepen op μLED gebaseerde siliciumsondes om de grootte van het lichtafgiftesysteem 31,32,33,34 te minimaliseren. Er is echter een risico op thermische hersenschade veroorzaakt door direct contact met μLEDs als gevolg van de lage energieconversie-efficiëntie van LED’s. Lichtgolfgeleiders, zoals optische vezels, SU-8 en siliciumoxynitride (SiON), zijn toegepast om thermische schade te voorkomen 30,35,36,37,38,39. Deze strategie heeft echter ook een nadeel vanwege de lage koppelingsefficiëntie tussen lichtbronnen en de golfgeleiders.

De microlensarray werd eerder geïntroduceerd om de lichtkoppelingsefficiëntie tussen LED’s en optische vezels te verbeteren40. Een optrode-systeem werd ontwikkeld op basis van micro-elektromechanische systemen (MEMS) technologieën voor optische stimulatie en elektrische opname op microschaal40. De microlensarray tussen een LED en optische vezels verhoogde de lichtefficiëntie met 3,13 dB. Zoals te zien is in figuur 1, is een 2×2 optische vezelarray uitgelijnd op de 4×4 microlensarray en bevindt de LED zich onder de microlensarray. De 2×2 optische vezels worden gemonteerd in plaats van 4×4 om hersenschade te verminderen. Een wolfraamelektrode-array wordt naast de optrode-array geplaatst met behulp van silicium via gaten voor elektrofysiologische registratie (figuur 1B).

Het systeem bestaat uit een bovenste wegwerponderdeel en afneembare onderste onderdelen. Het bovenste wegwerpgedeelte, dat de optische vezelarray, microlensarray en de wolfraamelektrode-array omvat, is ontworpen om permanent in de hersenen te worden geïmplanteerd voor in vivo experimenten. Het onderste deel bevat een LED-lichtbron en een externe voedingslijn, die gemakkelijk verwijderbaar en herbruikbaar is voor een ander dierexperiment. Een bevestigbare plastic hoes beschermt het wegwerponderdeel wanneer het afneembare deel wordt verwijderd.

De haalbaarheid van het systeem wordt geverifieerd door implantatie in de hersenen van transgene muizen die channelrhodopsine-2 (ChR2) tot expressie brengen in Ca2+/calmodulin-afhankelijke eiwitkinase II-positieve neuronen (CaMKIIα::ChR2 muis). Opname-elektroden werden gebruikt om de neurale activiteiten van individuele neuronen vast te leggen tijdens optische stimulatie van de neuronen.

Protocol

De dierverzorging en chirurgische procedures werden goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) van de Ewha Womans University (nr. 20-029). 1. Voorbereiding van een optrode array (figuur 1 en figuur 2) Bevestig optische vezels met de microlensarray. Verwijder de passiveringscoating van de optische vezel en snijd deze in stukken van 5 mm la…

Representative Results

Het optrode-systeem is met succes gefabriceerd om voldoende lichtkracht te leveren om de doelneuronen te activeren. De fijne uitlijning van de wolfraamelektroden wordt bereikt door het gemicrofabriceerde silicium via de gaten. De gemeten lichtintensiteit is 3,6 mW/mm2 aan de optische vezelpunt wanneer 50 mA stroom wordt toegepast. De microlens verhoogde de lichtefficiëntie met 3,13 dB. Vanwege de microlensarray, die de lichtkoppeling verbetert, is de toegepaste stroom ongeveer de helft van de stroom die nodig…

Discussion

De haalbaarheid van het systeem voor gelijktijdige optogenetische stimulatie en elektrofysiologische registratie werd geverifieerd (figuur 6). De grote pieken tijdens lichtstimulatie zijn foto-elektrische artefacten die tegelijkertijd met de lichtstimulatie plaatsvinden (figuur 6A). Dit is duidelijk te zien in de ingezoomde weergave van de golfvorm in de rode rechthoek met stippelen (figuur 6A). Zoals te zien is in <strong class="xf…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit onderzoek werd ondersteund door convergent technology R&D Program for Human Augmentation via de National Research Foundation of Korea (NRF), gefinancierd door het ministerie van Wetenschap en ICT (NRF-2019M3C1B8090805), en ondersteund door een subsidie van de National Research Foundation of Korea (NRF) gefinancierd door de Koreaanse overheid (MSIT) (nr. 2019R1A2C1088909). We bedanken het laboratorium van Seung-Hee Lee bij het Department of Biological Sciences, KAIST, Daejeon, Korea, voor het vriendelijk leveren van de transgene muizen.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Segev, A., Garcia-Oscos, F., Kourrich, S. Whole-cell patch-clamp recordings in brain slices. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (112), e54024 (2016).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Henze, D. A., et al. Intracellular features predicted by extracellular recordings in the hippocampus in vivo. Journal of Neurophysiology. 84 (1), 390-400 (2000).
  6. 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).
  7. Buzsáki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature Neuroscience. 7 (5), 446-451 (2004).
  8. Rossant, C., et al. Spike sorting for large, dense electrode arrays. Nature Neuroscience. 19 (4), 634-641 (2016).
  9. Balasubramaniam, S., et al. Wireless communications for optogenetics-based brain stimulation: present technology and future challenges. IEEE Communications Magazine. 56 (7), 218-224 (2018).
  10. Bedbrook, C. N., et al. Machine learning-guided channelrhodopsin engineering enables minimally invasive optogenetics. Nature Methods. 16 (11), 1176-1184 (2019).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Fenno, L., Yizhar, O., Deisseroth, K. The development and application of optogenetics. Annual Review Neuroscience. 34, 389-412 (2011).
  14. Mahmoudi, P., Veladi, H., Pakdel, F. G. Optogenetics, tools and applications in neurobiology. Journal of Medical Signals and Sensors. 7 (2), 71-79 (2017).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Bernstein, J. G., Boyden, E. S. Optogenetic tools for analyzing the neural circuits of behavior. Trends in Cognitive Sciences. 15 (12), 592-600 (2011).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Anikeeva, P., et al. Optetrode: a multichannel readout for optogenetic control in freely moving mice. Nature Neuroscience. 15 (1), 163-170 (2011).
  25. Obaid, S. N., et al. Multifunctional flexible biointerfaces for simultaneous colocalized optophysiology and electrophysiology. Advanced Functional Materials. 30 (24), 1910027 (2020).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Kampasi, K., et al. Dual color optogenetic control of neural populations using low-noise, multishank optoelectrodes. Microsystem & Nanoengineering. 4, 10 (2018).
  29. 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).
  30. Son, Y., et al. In vivo optical modulation of neural signals using monolithically integrated two-dimensional neural probe arrays. Scientific Reports. 5, 15466 (2015).
  31. 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).
  32. Kim, K., et al. Artifact-free and high-temporal-resolution in vivo opto-electrophysiology with microLED optoelectrodes. Nature Communications. 11 (1), 2063 (2020).
  33. 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).
  34. Scharf, R., et al. Depth-specific optogenetic control in vivo with a scalable, high-density muLED neural probe. Scientific Reports. 6, 28381 (2016).
  35. 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).
  36. McAlinden, N., et al. Multisite microLED optrode array for neural interfacing. Neurophotonics. 6 (3), 035010 (2019).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. Jeon, S., et al. Implantable optrode array for optogenetic modulation and electrical neural recording. Micromachines. 12 (6), 725 (2021).
  41. Song, Y. H., et al. A neural circuit for auditory dominance over visual perception. Neuron. 93 (4), 940-954 (2017).
  42. Fiáth, R., et al. Slow insertion of silicon probes improves the quality of acute neuronal recordings. Scientific Reports. 9 (1), 111 (2019).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. Iseri, E., Kuzum, D. Implantable optoelectronic probes for in vivo optogenetics. Journal of Neural Engineering. 14 (3), 031001 (2017).
  48. 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).
  49. 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).
  50. 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).

Tags

OptrodeOptogenetic ModulationElectrical Neural RecordingLED-based SystemMicrolens ArrayWireless SystemOptogeneticsSpinal Cord InjuryEpilepsyParkinson’s DiseaseAlzheimer’s DiseaseTungsten ElectrodesOptical FibersStereotactic FrameThermal Heating PadLidocaineCraniotomyGround Screw

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Lee, Y., Ryu, D., Jeon, S., Lee, Y., Cho, Y. K., Ji, C., Kim, Y., Jun, S. B. Optrode Array for Simultaneous Optogenetic Modulation and Electrical Neural Recording. J. Vis. Exp. (187), e63460, doi:10.3791/63460 (2022).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image