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Neuroscience

Optrode Array per la modulazione optogenetica simultanea e la registrazione neurale elettrica

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

Qui, presentiamo il metodo di fabbricazione di un sistema optrode con fibre ottiche per l’erogazione della luce e un array di elettrodi per la registrazione neurale. Esperimenti in vivo con topi transgenici che esprimono channelrhodopsin-2 mostrano la fattibilità del sistema per la stimolazione optogenetica simultanea e la registrazione elettrofisiologica.

Abstract

Durante l’ultimo decennio, l’optogenetica è diventata uno strumento essenziale per lo studio della segnalazione neurale grazie alla sua capacità unica di modulazione o monitoraggio neurale selettivo. Poiché tipi specifici di cellule neuronali possono essere geneticamente modificati per esprimere proteine opsina, l’optogenetica consente la stimolazione ottica o l’inibizione dei neuroni selezionati. Ci sono stati diversi progressi tecnologici nel sistema ottico per l’optogenetica. Recentemente, è stato proposto di combinare la guida d’onda ottica per l’erogazione della luce con la registrazione elettrofisiologica per monitorare contemporaneamente le risposte neurali alla stimolazione o all’inibizione optogenetica. In questo studio, è stato sviluppato un array optrode impiantabile (fibre ottiche 2×2) con elettrodi multicanale incorporati.

Un diodo a emissione luminosa (LED) è stato impiegato come sorgente luminosa e un array di microlenti microfabbricati è stato integrato per fornire una potenza luminosa sufficiente sulla punta delle fibre ottiche. Il sistema optrode array comprende la parte monouso e la parte riutilizzabile. La parte monouso ha fibre ottiche ed elettrodi, mentre la parte riutilizzabile ha il LED e i circuiti elettronici per il controllo della luce e l’elaborazione del segnale neurale. Il nuovo design del sistema di array optrode impiantabile viene introdotto nel video di accompagnamento oltre alla procedura della chirurgia di impianto optrodo, alla stimolazione della luce optogenetica e alla registrazione neurale elettrofisiologica. I risultati degli esperimenti in vivo hanno mostrato con successo picchi neurali bloccati nel tempo evocati dagli stimoli luminosi dei neuroni eccitatori dell’ippocampo dei topi.

Introduction

La registrazione e il controllo dell’attività neurale è essenziale per capire come funziona il cervello in una rete neurale e a livello cellulare. I metodi di registrazione elettrofisiologica convenzionali includono il patch clamp 1,2,3,4 utilizzando una micropipetta e la registrazione extracellulare utilizzando elettrodi microneurali 5,6,7,8. Come metodo di neuromodulazione, la stimolazione elettrica è stata spesso utilizzata per stimolare direttamente una regione focale del cervello attraverso la depolarizzazione diretta o indiretta delle cellule neuronali. Tuttavia, il metodo elettrico non può distinguere i tipi di cellule neuronali per la registrazione o la stimolazione perché le correnti elettriche si diffondono in tutte le direzioni.

Come tecnologia emergente, l’optogenetica ha inaugurato una nuova era nella comprensione di come funziona il sistema nervoso 9,10,11,12,13,14,15,16. L’essenza delle tecniche optogenetiche è quella di utilizzare la luce per controllare l’attività delle proteine opsina sensibili alla luce espresse da cellule geneticamente modificate. Pertanto, l’optogenetica consente la sofisticata modulazione o monitoraggio di cellule geneticamente selezionate in circuiti neurali complicati14,17. L’uso più ampio dell’approccio optogenetico ha richiesto la registrazione neurale simultanea per confermare direttamente la neuromodulazione ottica. Pertanto, un dispositivo integrato con funzioni di controllo e registrazione della luce sarebbe estremamente prezioso 16,18,19,20,21,22,23,24,25.

Ci sono limiti della stimolazione optogenetica convenzionale basata su laser, che richiede un sistema di erogazione della luce ingombrante e costoso 26,27,28,29,30. Pertanto, alcuni gruppi di ricerca hanno impiegato sonde al silicio basate su μLED per ridurre al minimo le dimensioni del sistema di erogazione della luce 31,32,33,34. Tuttavia, esiste il rischio di danni cerebrali termici causati dal contatto diretto con i μLED a causa della bassa efficienza di conversione energetica dei LED. Le guide d’onda luminose, come fibre ottiche, SU-8 e ossitruro di silicio (SiON), sono state applicate per evitare danni termici 30,35,36,37,38,39. Tuttavia, questa strategia presenta anche uno svantaggio a causa della sua bassa efficienza di accoppiamento tra le sorgenti luminose e le guide d’onda.

L’array di microlenti è stato precedentemente introdotto per migliorare l’efficienza di accoppiamento della luce tra LED e fibre ottiche40. È stato sviluppato un sistema optrode basato su tecnologie di sistemi microelettromeccanici (MEMS) per la stimolazione ottica e la registrazione elettrica su microscala40. L’array di microlenti tra un LED e fibre ottiche ha aumentato l’efficienza luminosa di 3,13 dB. Come mostrato nella Figura 1, un array di fibre ottiche 2×2 è allineato sull’array di microlenti 4×4 e il LED è posizionato sotto l’array di microlenti. Le fibre ottiche 2×2 sono montate invece di 4×4 per ridurre i danni cerebrali. Un array di elettrodi di tungsteno è posizionato adiacente all’array di optrodi utilizzando il silicio tramite fori per la registrazione elettrofisiologica (Figura 1B).

Il sistema è costituito da una parte superiore monouso e da parti inferiori staccabili. La parte superiore monouso, che comprende l’array di fibre ottiche, l’array di microlenti e l’array di elettrodi di tungsteno, è progettata per essere impiantata in modo permanente nel cervello per esperimenti in vivo . La parte inferiore comprende una sorgente luminosa a LED e una linea di alimentazione esterna, facilmente rimovibile e riutilizzabile per un altro esperimento animale. Una copertura in plastica collegabile protegge la parte monouso quando la parte rimovibile viene rimossa.

La fattibilità del sistema è verificata mediante l’impianto nel cervello di topi transgenici che esprimono channelrhodopsin-2 (ChR2) in neuroni Ca2+/calmodulina-dipendenti proteina chinasi II-positivi (caMKIIα::ChR2 mouse). Gli elettrodi di registrazione sono stati utilizzati per registrare le attività neurali dei singoli neuroni durante la stimolazione ottica dei neuroni.

Protocol

Le procedure chirurgiche e di cura degli animali sono state approvate dall’Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) presso la Ewha Womans University (n. 20-029). 1. Preparazione di un array optrode (Figura 1 e Figura 2) Collegare le fibre ottiche con l’array di microlenti. Rimuovere il rivestimento di passivazione della fibra ottica e tagliarlo in pezzi lu…

Representative Results

Il sistema optrode è fabbricato con successo per fornire una potenza luminosa sufficiente per attivare i neuroni bersaglio. L’allineamento fine degli elettrodi di tungsteno si ottiene attraverso il silicio microfabbricato attraverso i fori. L’intensità luminosa misurata è di 3,6 mW/mm2 sulla punta della fibra ottica quando viene applicata una corrente di 50 mA. I microlenti hanno aumentato l’efficienza luminosa di 3,13 dB. A causa dell’array di microlenti, che migliora l’accoppiamento della luce, la corrent…

Discussion

È stata verificata la fattibilità del sistema per la stimolazione optogenetica simultanea e la registrazione elettrofisiologica (Figura 6). I grandi picchi durante la stimolazione della luce sono artefatti fotoelettrici che si verificano contemporaneamente alla stimolazione della luce (Figura 6A). Questo è chiaro nella vista ingrandita della forma d’onda nel rettangolo tratteggiato rosso (Figura 6A). Come mostrato nella <strong c…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questa ricerca è stata supportata dal Convergent Technology R&D Program for Human Augmentation attraverso la National Research Foundation of Korea (NRF), finanziato dal Ministero della Scienza e delle TIC (NRF-2019M3C1B8090805) e supportato da una sovvenzione della National Research Foundation of Korea (NRF) finanziata dal governo coreano (MSIT) (n. 2019R1A2C1088909). Ringraziamo il laboratorio di Seung-Hee Lee presso il Dipartimento di Scienze Biologiche, KAIST, Daejeon, Corea, per aver gentilmente fornito i topi transgenici.

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
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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).
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