相補型金属酸化物半導体高密度微小電極アレイシステムによる急性脳切片からの高品質発作様活性

市販の高密度微小電極アレイ(HD-MEA)システムには、数千の記録ポイント^1,2を備えたMEAチップと、データを増幅およびデジタル化するためのMEAプラットフォームが含まれており、電気生理学的研究のための新しいツールです。これらのHD-MEAシステムは、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)技術を使用して、細胞培養およびex vivo脳スライス調製物からの電気生理学的データを高感度で記録します。これらのMEAシステムは、高い電極密度と高品質の信号対雑音比3により、神経生理学的研究に前例のない空間的および時間的分解能^{を提供します。}この技術は、主に細胞外活動電位の研究に使用されてきましたが、さまざまなニューロン脳スライス調製物4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15から高品質の局所電位(LFP)を捕捉することもできます.CMOS-HD-MEAシステムの上記の高解像度記録機能により、ユーザーは高い空間精度16,17,18で電気生理学的活動を追跡することができる。この機能は、ネットワーク LFP^{5、12、15、19、20、21} の伝搬パターンの追跡に特に関連します。したがって、CMOS-HD-MEAシステムは、さまざまな細胞培養および脳スライス調製物からの生理学的および病理学的活性の伝播パターンについて、これまでにない理解を提供することができます。特に注目すべきは、CMOS-HD-MEAシステムのこれらの機能により、研究者は異なる脳領域の発作パターンを同時に対比し、さまざまな抗てんかん化合物がこれらのパターンにどのように影響するかを分析できることです。これにより、発作発生と発作増殖を研究し、薬理学が病理学的ネットワーク活動をどのように混乱させるかを理解するための革新的な方法を提供します^7,10,14。したがって、CMOS-HD-MEAシステムのこれらの新しい能力は、神経疾患の研究に大きく貢献するだけでなく、創薬研究にも役立つ可能性があります^5,7,11,22。CMOS-HD-MEAシステムを使用して発作様活動を研究する方法について詳しく説明します。

CMOS-HD-MEAシステムを使用して急性脳切片のてんかん様活動などのLFPを研究する場合、ユーザーは、電気ノイズの衰弱、実験中のスライスの健康維持、脳スライスの表面からのみ記録する2次元(2D)CMOS-MEAチップからの高品質信号の検出など、多くの課題に直面する可能性があります。このプロトコルは、実験で使用されるMEAプラットフォームやその他の機器を適切に接地するための基本的な手順を説明しています。これは、ラボのセットアップごとに個別にカスタマイズする必要がある重要なステップです。さらに、CMOS-HD-MEAシステム23,24,25で使用される水中チャンバーでの長時間の録音中に脳スライスを健康に保つのを助けるための手順について説明します。さらに、脳スライスの深部から記録する一般的な電気生理学的記録方法とは対照的に、ほとんどのCMOS-HD-MEAシステムは、スライスに浸透しない2Dチップを使用します。したがって、これらのシステムでは、記録されたLFP信号の大部分を生成するために、健康なニューロンの外層が必要です。その他の課題には、数千の電極によって生成される大量のデータを視覚化することが含まれます。これらの課題を克服するために、脳スライス全体に伝播する高品質のネットワークてんかん様活動を達成する可能性を高める、シンプルかつ効果的なプロトコルをお勧めします。また、データの視覚化を支援するために開発した公開グラフィックユーザーインターフェイス(GUI)と関連リソースの簡単な説明も含まれています¹⁰。

以前の出版物は、MEA記録システムの使用に関する関連プロトコルを提供してきた^{26、27、28、29}。ただし、この研究は、2Dチップを備えたCMOS-HD-MEAシステムを使用する実験者、特に脳スライスからの高品質のてんかん様活動を研究しようとしている実験者を支援することを目的としています。さらに、発作様活動の誘導のための最も一般的な溶液操作の 2 つ、すなわち 0 Mg²⁺ および 4-AP パラダイムを比較し、ユーザーが特定のアプリケーションに最も適したけいれん培地を特定できるようにします。このプロトコルは主に発作様活動の生成に焦点を当てていますが、脳スライスを使用して他の電気生理学的現象を探索するように変更することができます。