Attività simile a una crisi epilettica di alta qualità da fette cerebrali acute utilizzando un sistema di array di microelettrodi ad alta densità a semiconduttore di ossido di metallo complementare

I sistemi HD-MEA (High-Density Microelectrode Array) disponibili in commercio, che includono un chip MEA con migliaia di punti di registrazione ^1,2 e una piattaforma MEA per amplificare e digitalizzare i dati, sono uno strumento emergente per la ricerca elettrofisiologica. Questi sistemi HD-MEA utilizzano la tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) per registrare dati elettrofisiologici con elevata sensibilità da colture cellulari e preparazioni di fette di cervello ex vivo. Questi sistemi MEA offrono una risoluzione spaziale e temporale senza precedenti alla ricerca neurofisiologica grazie all’elevata densità di elettrodi e ai rapporti segnale/rumore^{di qualità 3}. Questa tecnologia è stata utilizzata principalmente per studiare i potenziali d’azione extracellulari, ma può anche catturare potenziali di campo locale (LFP) di alta qualità da varie preparazioni di fette di cervello neuronale 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 . Grazie alla già citata capacità di registrazione ad alta risoluzione dei sistemi CMOS-HD-MEA, gli utenti possono monitorare l’attività elettrofisiologica con grande precisione spaziale 16,17,18. Questa capacità è particolarmente rilevante per il monitoraggio dei modelli di propagazione delle LFP di rete 5,12,15,19,20,21. Pertanto, i sistemi CMOS-HD-MEA possono fornire una comprensione senza precedenti dei modelli di propagazione dell’attività fisiologica e patologica da varie colture cellulari e preparazioni di fette di cervello. Di particolare rilievo, queste capacità dei sistemi CMOS-HD-MEA possono consentire ai ricercatori di contrastare i modelli di crisi epilettiche di diverse regioni del cervello contemporaneamente e di valutare come vari composti antiepilettici influenzano questi modelli. In questo modo, fornisce un metodo innovativo per studiare l’ictogenesi e la propagazione ictale e per comprendere come la farmacologia interrompe l’attività patologica della rete ^7,10,14. Pertanto, queste nuove capacità dei sistemi CMOS-HD-MEA possono contribuire in modo significativo alla ricerca sui disturbi neurologici, oltre ad aiutare nella ricerca sulla scoperta di farmaci 5,7,11,22. Il nostro obiettivo è fornire dettagli sull’utilizzo dei sistemi CMOS-HD-MEA per studiare l’attività convulsiva.

Quando si utilizzano i sistemi CMOS-HD-MEA per studiare gli LFP, come l’attività epilettiforme nelle fette cerebrali acute, gli utenti possono affrontare molte sfide, tra cui il rumore elettrico debilitante, il mantenimento della salute della fetta durante la sperimentazione e il rilevamento di un segnale di qualità da un chip CMOS-MEA bidimensionale (2D) che registra solo dalla superficie della fetta cerebrale. Questo protocollo descrive i passaggi di base per la corretta messa a terra della piattaforma MEA e di altre apparecchiature utilizzate nella sperimentazione, un passaggio cruciale che può richiedere una personalizzazione individuale per ogni configurazione di laboratorio. Inoltre, discutiamo i passaggi per aiutare a mantenere sana la fetta di cervello durante lunghe registrazioni nelle camere sommerse utilizzate con i sistemi CMOS-HD-MEA 23,24,25. Inoltre, a differenza dei metodi di registrazione elettrofisiologica più comuni, che registrano dalle profondità della fetta cerebrale, la maggior parte dei sistemi CMOS-HD-MEA utilizza chip 2D che non penetrano nella fetta. Pertanto, questi sistemi richiedono uno strato esterno neuronale sano per produrre la maggior parte dei segnali LFP registrati. Altre sfide includono la visualizzazione dell’enorme quantità di dati generati da migliaia di elettrodi. Per superare queste sfide, raccomandiamo un protocollo semplice ma efficace che aumenti la probabilità di ottenere un’attività epilettiforme di rete di alta qualità che si propaga attraverso la fetta di cervello. Includiamo anche una breve descrizione di un’interfaccia utente grafica (GUI) disponibile al pubblico che abbiamo sviluppato con le risorse associate per facilitare la visualizzazione dei dati¹⁰.

Pubblicazioni precedenti hanno fornito protocolli correlati per l’uso dei sistemi di registrazione MEA 26,27,28,29. Tuttavia, questo lavoro mira ad assistere gli sperimentatori che utilizzano sistemi CMOS-HD-MEA con chip 2D, in particolare quelli che cercano di studiare l’attività epilettiforme di alta qualità da fette di cervello. Inoltre, confrontiamo due delle più comuni manipolazioni della soluzione per l’induzione di attività convulsive, vale a dire i paradigmi 0 Mg²⁺ e 4-AP, per aiutare gli utenti a identificare i mezzi convulsivanti più appropriati per la loro specifica applicazione. Sebbene il protocollo sia focalizzato principalmente sulla generazione di attività simile alle convulsioni, può essere modificato per esplorare altri fenomeni elettrofisiologici utilizzando fette di cervello.