Hochwertige anfallsähnliche Aktivität aus akuten Hirnschnitten unter Verwendung eines komplementären Metalloxid-Halbleiter-Mikroelektrodenarray-Systems mit hoher Dichte

Kommerziell erhältliche HD-MEA-Systeme (High-Density Microelectrode Array), die einen MEA-Chip mit Tausenden von Aufzeichnungspunkten ^1,2 und eine MEA-Plattform zur Verstärkung und Digitalisierung der Daten umfassen, sind ein aufstrebendes Werkzeug für die elektrophysiologische Forschung. Diese HD-MEA-Systeme verwenden die komplementäre Metalloxid-Halbleiter-Technologie (CMOS), um elektrophysiologische Daten aus Zellkulturen und ex vivo Hirnschnittpräparaten mit hoher Empfindlichkeit aufzuzeichnen. Diese MEA-Systeme bieten eine beispiellose räumliche und zeitliche Auflösung für die neurophysiologische Forschung durch eine hohe Elektrodendichte und hochwertige Signal-Rausch-Verhältnisse³. Diese Technologie wurde hauptsächlich zur Untersuchung extrazellulärer Aktionspotentiale eingesetzt, kann aber auch hochwertige lokale Feldpotentiale (LFPs) aus verschiedenen neuronalen Hirnschnittpräparaten erfassen 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 . Durch die oben erwähnte hochauflösende Aufzeichnungsfähigkeit der CMOS-HD-MEA-Systeme können Anwender die elektrophysiologische Aktivität mit hoher räumlicher Genauigkeit verfolgen 16,17,18. Diese Fähigkeit ist besonders relevant für die Verfolgung von Ausbreitungsmustern der Netzwerk-LFPs 5,12,15,19,20,21. Daher können CMOS-HD-MEA-Systeme ein noch nie dagewesenes Verständnis der Ausbreitungsmuster physiologischer und pathologischer Aktivität aus verschiedenen Zellkultur- und Hirnschnittpräparaten liefern. Besonders hervorzuheben ist, dass diese Fähigkeiten von CMOS-HD-MEA-Systemen es Forschern ermöglichen können, Anfallsmuster verschiedener Gehirnregionen gleichzeitig zu vergleichen und zu testen, wie verschiedene antiepileptische Verbindungen diese Muster beeinflussen. Auf diese Weise bietet es eine innovative Methode zur Untersuchung der Iktogenese und der iktalen Ausbreitung und zum Verständnis, wie die Pharmakologie die Aktivität pathologischer Netzwerke stört ^7,10,14. Daher können diese neuartigen Fähigkeiten von CMOS-HD-MEA-Systemen erheblich zur Erforschung neurologischer Erkrankungen beitragen und die Wirkstoffforschung unterstützen ^5,7,11,22. Unser Ziel ist es, Details zur Verwendung von CMOS-HD-MEA-Systemen zur Untersuchung anfallsähnlicher Aktivität bereitzustellen.

Bei der Verwendung von CMOS-HD-MEA-Systemen zur Untersuchung von LFPs, wie z. B. der epileptiformen Aktivität in akuten Hirnschnitten, können Benutzer mit vielen Herausforderungen konfrontiert werden, darunter schwächendes elektrisches Rauschen, die Aufrechterhaltung der Gesundheit des Schnitts während des Experimentierens und die Erkennung eines Qualitätssignals von einem zweidimensionalen (2D) CMOS-MEA-Chip, der nur von der Oberfläche des Gehirnschnitts aufzeichnet. Dieses Protokoll beschreibt grundlegende Schritte für die ordnungsgemäße Erdung der MEA-Plattform und anderer Geräte, die für Experimente verwendet werden, ein entscheidender Schritt, der möglicherweise eine individuelle Anpassung für jede Laboreinrichtung erfordert. Darüber hinaus diskutieren wir Schritte, die dazu beitragen, den Gehirnschnitt während langer Aufzeichnungen in den getauchten Kammern, die mit CMOS-HD-MEA-Systemen verwendet werden, gesund zu halten 23,24,25. Darüber hinaus verwenden die meisten CMOS-HD-MEA-Systeme im Gegensatz zu den gängigeren elektrophysiologischen Aufzeichnungsmethoden, die aus den Tiefen des Hirnschnitts aufzeichnen, 2D-Chips, die nicht in den Schnitt eindringen. Daher benötigen diese Systeme eine gesunde neuronale äußere Schicht, um den Großteil der aufgezeichneten LFP-Signale zu erzeugen. Eine weitere Herausforderung ist die Visualisierung der riesigen Datenmengen, die von Tausenden von Elektroden erzeugt werden. Um diese Herausforderungen zu meistern, empfehlen wir ein einfaches, aber effektives Protokoll, das die Wahrscheinlichkeit erhöht, eine qualitativ hochwertige epileptiforme Netzwerkaktivität zu erreichen, die sich über den Gehirnschnitt ausbreitet. Wir enthalten auch eine kurze Beschreibung einer öffentlich zugänglichen grafischen Benutzeroberfläche (GUI), die wir mit den zugehörigen Ressourcen entwickelt haben, um die Datenvisualisierung^{zu unterstützen 10}.

Frühere Veröffentlichungen haben verwandte Protokolle für die Verwendung von MEA-Aufzeichnungssystemen bereitgestellt 26,27,28,29. Diese Arbeit zielt jedoch darauf ab, Experimentatoren zu unterstützen, die CMOS-HD-MEA-Systeme mit 2D-Chips verwenden, insbesondere diejenigen, die qualitativ hochwertige epileptiforme Aktivität aus Hirnschnitten untersuchen möchten. Darüber hinaus vergleichen wir zwei der gebräuchlichsten Lösungsmanipulationen zur Induktion anfallsähnlicher Aktivität, nämlich das 0 Mg²⁺ und das 4-AP-Paradigma, um den Anwendern zu helfen, die am besten geeigneten Krampfmedien für ihre spezifische Anwendung zu identifizieren. Obwohl sich das Protokoll in erster Linie auf die Erzeugung von anfallsähnlicher Aktivität konzentriert, kann es modifiziert werden, um andere elektrophysiologische Phänomene mit Hilfe von Hirnschnitten zu untersuchen.