Activité épileptique de haute qualité à partir de coupes cérébrales aiguës à l’aide d’un système de réseau de microélectrodes haute densité à oxyde métallique, oxyde métallique et semi-conducteur complémentaire

Les systèmes de microélectrodes à haute densité (HD-MEA) disponibles dans le commerce, qui comprennent une puce MEA avec des milliers de points d’enregistrement ^1,2 et une plate-forme MEA pour amplifier et numériser les données, constituent un outil émergent pour la recherche électrophysiologique. Ces systèmes HD-MEA utilisent la technologie CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) pour enregistrer des données électrophysiologiques avec une sensibilité élevée à partir de cultures cellulaires et de préparations de coupes de cerveau ex vivo. Ces systèmes MEA offrent une résolution spatiale et temporelle sans précédent à la recherche neurophysiologique grâce à une densité d’électrodes élevée et à des rapports signal/bruit de qualité³. Cette technologie a principalement été utilisée pour étudier les potentiels d’action extracellulaires, mais elle peut également capturer des potentiels de champ local (LFP) de haute qualité à partir de diverses préparations de coupes de cerveau neuronal 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 . En raison de la capacité d’enregistrement haute résolution mentionnée ci-dessus des systèmes CMOS-HD-MEA, les utilisateurs peuvent suivre l’activité électrophysiologique avec une grande précision spatiale 16,17,18. Cette capacité est particulièrement pertinente pour le suivi des modèles de propagation des LFP^{de réseau} 5,12,15,19,20,21. Par conséquent, les systèmes CMOS-HD-MEA peuvent fournir une compréhension sans précédent des modèles de propagation de l’activité physiologique et pathologique à partir de diverses cultures cellulaires et préparations de coupes de cerveau. Il convient de noter en particulier que ces capacités des systèmes CMOS-HD-MEA peuvent permettre aux chercheurs de comparer simultanément les modèles de crises de différentes régions du cerveau et d’évaluer comment divers composés antiépileptiques affectent ces modèles. Ce faisant, il fournit une méthode innovante pour étudier l’ictogenèse et la propagation de l’ictal et pour comprendre comment la pharmacologie perturbe l’activité pathologique du réseau ^7,10,14. Par conséquent, ces nouvelles capacités des systèmes CMOS-HD-MEA peuvent contribuer de manière significative à la recherche sur les troubles neurologiques, ainsi qu’à la recherche sur la découverte de médicaments 5,7,11,22. Notre objectif est de fournir des détails sur l’utilisation des systèmes CMOS-HD-MEA pour étudier l’activité convulsive.

Lors de l’utilisation de systèmes CMOS-HD-MEA pour étudier les LFP, telles que l’activité épileptiforme dans les tranches cérébrales aiguës, les utilisateurs peuvent être confrontés à de nombreux défis, notamment un bruit électrique débilitant, le maintien de la tranche en bonne santé pendant l’expérimentation et la détection d’un signal de qualité à partir d’une puce CMOS-MEA bidimensionnelle (2D) qui enregistre uniquement à partir de la surface de la tranche de cerveau. Ce protocole décrit les étapes de base pour mettre correctement à la terre la plate-forme MEA et d’autres équipements utilisés dans l’expérimentation, une étape cruciale qui peut nécessiter une personnalisation individuelle pour chaque configuration de laboratoire. De plus, nous discutons des étapes à suivre pour aider à maintenir la tranche de cerveau en bonne santé lors de longs enregistrements dans les chambres immergées utilisées avec les systèmes CMOS-HD-MEA 23,24,25. De plus, contrairement aux méthodes d’enregistrement électrophysiologique plus courantes, qui enregistrent au plus profond de la tranche de cerveau, la plupart des systèmes CMOS-HD-MEA utilisent des puces 2D qui ne pénètrent pas dans la tranche. Par conséquent, ces systèmes nécessitent une couche externe neuronale saine pour produire la majorité des signaux LFP enregistrés. Parmi les autres défis, citons la visualisation de la quantité massive de données générées par des milliers d’électrodes. Pour surmonter ces défis, nous recommandons un protocole simple mais efficace qui augmente la probabilité d’obtenir une activité épileptiforme de réseau de haute qualité qui se propage dans la tranche de cerveau. Nous incluons également une brève description d’une interface utilisateur graphique (GUI) accessible au public que nous avons développée avec les ressources associées pour faciliter la visualisation des données¹⁰.

Des publications antérieures ont fourni des protocoles connexes pour l’utilisation des systèmes d’enregistrement MEA 26,27,28,29. Cependant, ce travail vise à aider les expérimentateurs utilisant des systèmes CMOS-HD-MEA avec des puces 2D, en particulier ceux qui cherchent à étudier une activité épileptiforme de haute qualité à partir de coupes de cerveau. De plus, nous comparons deux des manipulations de solutions les plus courantes pour l’induction d’une activité convulsive, à savoir les paradigmes 0 Mg²⁺ et 4-AP, pour aider les utilisateurs à identifier les milieux convulsivants les plus appropriés pour leur application spécifique. Bien que le protocole soit principalement axé sur la génération d’une activité semblable à celle d’une crise, il peut être modifié pour explorer d’autres phénomènes électrophysiologiques à l’aide de tranches de cerveau.