Aufbau von lokalen Feldpotential-Mikroelektroden für in vivo Aufnahmen aus mehreren Gehirnstrukturen gleichzeitig
14. März 2022
Das vorliegende Protokoll beschreibt die Konstruktion von maßgeschneiderten Mikroelektrodenarrays, um lokale Feldpotentiale in vivo aus mehreren Gehirnstrukturen gleichzeitig aufzuzeichnen.
Forscher müssen oft lokale Feldpotentiale aus mehreren Strukturen gleichzeitig erfassen. Unser einfaches Mikroelektrodendesign ermöglicht es uns, LFPs von mehreren Gehirnstrukturen in verschiedenen Tiefen gleichzeitig aufzuzeichnen. Kommerziell erhältlichen Mikroelektroden fehlt es oft an Flexibilität und sie erlauben es nicht, von mehreren Gehirnstrukturen aufzuzeichnen.
Unser Mikroelektrodendesign ermöglicht es, die Konstruktion einfach an jede gewünschte Struktur anzupassen. Beginnen Sie mit einem dianalbeschichteten Nickel-Chrom-Draht mit einem Durchmesser von 50 Mikrometern. Kleben Sie ein Ende des Drahtes an die Rückseite der Plattform und wickeln Sie den Draht dreimal um den nächsten Knopf auf der Plattform.
Strecken Sie den Draht um den am weitesten entfernten zweiten Knopf, um zwei Schlaufen zwischen den Knöpfen zu machen. Wickeln Sie den Draht noch drei weitere Male um den ersten Knopf, um den Draht an Ort und Stelle zu befestigen, und kleben Sie das Ende an der Rückseite der Plattform ab. Legen Sie die Spannstangen unter die Drähte, wobei das Band um sie gewickelt ist.
Machen Sie mit einem Mikroskop und einer feinen Pinzette entweder einen Drei-Millimeter-Spalt zwischen den Drähten, um kortikale, ventral-laterale, thalamische Nukleus-Mikroelektroden herzustellen, oder einen 4,5-Millimeter-Spalt, um striatal-nidrale Mikroelektroden herzustellen. Wenn am Mikroskop eine Vergrößerung verwendet wird, stellen Sie sicher, dass Sie den Unterschied in der Vergrößerung und den tatsächlichen Abstand zwischen den Drähten berechnen und anpassen. Schneiden Sie vier kleine Stücke aus 0,5 Millimeter dickem Kunststoff, etwa sechs Millimeter breit und drei Millimeter hoch.
Tragen Sie Kleber auf den Kunststoff auf. Platzieren Sie die Kunststoffteile etwa einen Zentimeter von der Mitte des Drahtes entfernt, die einen Zentimeter von der Zugstange entfernt ist. Entfernen Sie überschüssigen Kleber mit einem Wattestäbchen.
Nachdem der Kleber getrocknet ist, schneiden Sie den Draht mit einer feinen Schere ab. Schneiden Sie vier sieben Millimeter große Glasröhren mit einem handelsüblichen Kit und stecken Sie den Elektrodendraht in die Glasröhren. Legen Sie den Kleber an die Basis der Glasröhren, um sie mit dem Kunststoff zu verbinden.
Warten Sie, bis der Kleber trocknet, und schneiden Sie dann die Glasröhren und Drähte mit einem Skalpell ab. Verwenden Sie Sekundenkleber, um Kunststoffe in der gewünschten Reihenfolge der Zielregionen zu befestigen. Tragen Sie Epoxidharz um den Kunststoff auf, um die Elektroden miteinander zu verbinden.
Nehmen Sie einen dicken Draht und machen Sie eine Schlaufe an einem Ende, tauchen Sie die Schlaufe in die Epoxidlösung und legen Sie sie auf den Kunststoff, um sicherzustellen, dass der dicke Draht flach liegt, so dass dieser Draht als Griff verwendet werden kann. Schneiden Sie den Draht auf zwei Zentimeter ab. Gruppieren Sie die Drähte und kratzen Sie einen Millimeter der isolierten Enden mit einem Skalpell weg.
Biegen Sie die kortikalen Elektroden und trennen Sie die Drähte. Machen Sie mit einer feinen Pinzette eine Schleife am Ende jedes Drahtes. Halten Sie ein 10-poliges Headset mit einem Hämostat und verwenden Sie das Holzende eines Wattestäbchens, um minimale Mengen an Flussmittel auf die Stifte aufzutragen.
Verwenden Sie das Holzende des Wattestäbchens und tragen Sie Flussmittel auf die Drahtschlaufen auf. Löten Sie die Kabelschlaufen an das 10-polige Headset. Trocknen Sie das Headset ab, um einen Kurzschluss zwischen den Pins zu vermeiden.
Nehmen Sie einen dünnen Draht von etwa 0,05 bis 0,008 Zoll für Referenz- und Erdungsdrähte und entfernen Sie den Kunststoff von einem Ende. Machen Sie eine Schleife am anderen Ende des Drahtes. Löten Sie die abisolierte Seite der Referenz- und Erdungsdrähte an ihre jeweiligen Pins.
Halten Sie den dicken Draht fest und tragen Sie Kranioplastikzement um die Mikroelektroden auf, insbesondere dort, wo die Drähte mit den Stiften verbunden sind. Vermeiden Sie es, die eigentlichen Elektrodenenden mit dem Zement zu berühren. Nachdem der Zement getrocknet ist, legen Sie Epoxidharz an den Boden der Glasröhren, striatalen Mikroelektrodendrähte und um die gesamte Elektrode.
Vermeiden Sie es, die Elektrodenenden mit Epoxidharz zu berühren. Lokale Feldpotentialaufnahmen wurden vom rechten prämotorischen Kortex, dem linken VL, dem Striatum und dem SNR durchgeführt. Der Anfallsbeginn wurde als eine Ablenkung der Spannungsspur identifiziert, die mindestens doppelt so hoch war wie die Ausgangslinie.
Das Leistungsspektrumdiagramm zeigt die Frequenzverteilung für die aufgezeichneten lokalen potenziellen Aufnahmen. Anfallslatenzen konnten zwischen jeder Struktur mit einer Genauigkeit von Millisekunden verglichen werden. Am Ende der Aufnahmen wurde ein Stromimpuls angelegt, um die Position der Elektrodenspitzen, die die Läsion bilden, zu markieren und zu bestätigen.
Wenn die Mikroelektroden für verschiedene Gehirnstrukturen konstruiert sind, denken Sie daran, die Lücken zwischen den Drähten entsprechend den stereotaktischen Koordinaten Ihrer gewünschten Struktur zu modifizieren. Platzieren Sie die Tiefenstrukturelektroden in den Glasröhren und passen Sie die Längen der Mikroelektroden an. Befestigen Sie dann die Kunststoffe in der gewünschten Reihenfolge.
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Übersicht
Diese Studie stellt ein Protokoll zur Herstellung maßgeschneiderter Mikroelektroden-Arrays vor, die in der Lage sind, lokale Feldpotentiale (LFPs) in vivo gleichzeitig aus mehreren Hirnstrukturen aufzuzeichnen. Die Methodik erhöht die Flexibilität im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Mikroelektroden und ermöglicht gleichzeitige Aufnahmen in verschiedenen Tiefen.
Wichtige Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Elektrophysiologie
- Neurowissenschaft
- Neurophysiologie
Hintergrund
- Die Ableitung von LFPs aus verschiedenen Hirnstrukturen ist entscheidend für die Neurowissenschaftsforschung.
- Bestehende Mikroelektroden können die Fähigkeit zur Mehrfachstrukturaufzeichnung einschränken.
- Das Design zielt darauf ab, diese Einschränkungen durch eine anpassbare Konstruktion zu überwinden.
- Diese Studie konzentriert sich auf ein verbessertes Elektrodendesign zur effektiven Datenerfassung.
Zweck der Studie
- Entwicklung eines vielseitigen Mikroelektrodensystems für In-vivo-Aufnahmen.
- Möglichkeit zur gleichzeitigen Ableitung aus mehreren Hirnregionen.
- Bereitstellung einer anpassbaren Anordnung für elektrophysiologische Untersuchungen.
Verwendete Methoden
- Die Methode beinhaltet den Aufbau von Mikroelektroden aus Nickel-Chrom-Drähten mit festgelegten Abmessungen.
- Die Anordnung der Zielstrukturen wird anhand stereotaktischer Koordinaten angepasst.
- Detaillierte Anweisungen umfassen den Umgang mit Drähten, Verklebetechniken und das Löten an Kopfhörern.
- Die Elektroden sind für verschiedene Tiefen im Gehirn konzipiert, um die Aufnahmefähigkeit zu verbessern.
- Die Elektroden werden mithilfe von Kranioplastiezement und Epoxidharz verankert, um Stabilität zu gewährleisten.
Hauptergebnisse
- Die hergestellten Mikroelektroden zeichneten LFPs in mehreren Hirnregionen effektiv auf.
- Die Studie demonstrierte die präzise Messung von Spannungsabweichungen, die auf den Beginn eines Anfalls hinweisen.
- Die Ergebnisse zeigen das Potenzial für eine vergleichende Analyse der Anfallslatenzen zwischen verschiedenen Strukturen.
- Die Bestätigung des Elektrodenortes mittels eines markierten Stromimpulses erhöht die Genauigkeit.
Schlussfolgerungen
- Diese Forschung stellt eine Methode zur Herstellung anpassbarer Mikroelektrodenarrays für In-vivo-Studien bereit.
- Die flexible Konstruktion ermöglicht gezielte Ableitungen aus verschiedenen Hirnregionen und erhöht dadurch die Datenqualität.
- Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis neuronaler Aktivitäten im Zusammenhang mit Anfällen und anderen neurophysiologischen Phänomenen bei.
Häufig gestellte Fragen
Praktische Bedeutung für die Industrie
Die simultane in vivo-Aufzeichnung lokaler Feldpotentiale (LFPs) aus mehreren Hirnstrukturen ist entscheidend für die mechanistische Risikominimierung und Zielstrukturen-Validierung in der neurowissenschaftlichen Arzneimittelentwicklung. Anpassbare Mikroelektrodenarrays ermöglichen eine präzise, multiregionale elektrophysiologische Datenerfassung und stützen so die Vorhersagegenauigkeit bei Entscheidungen im frühen Stadium von CNS-Entwicklungsprogrammen. Dieser flexible Ansatz überwindet die Einschränkungen kommerzieller Arrays und verbessert die translationale Kohärenz von der Entdeckung bis zur präklinischen Forschung.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die Untersuchung der Funktion neuronaler Schaltkreise in mehreren Gehirnregionen in Echtzeit.
- Unterstützt die mechanistische Risikominderung durch direkten Vergleich von Aktivitätsmustern während krankheitsrelevanter Ereignisse.
- Erleichtert die funktionelle Zielstrukturvalidierung durch Korrelation von LFP-Signaturen mit pharmakologischen oder genetischen Interventionen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bietet eine Plattform zur Entwicklung und Validierung elektrophysiologischer Assays mit quantitativen, millisekundengenauen Ausgabewerten.
- Ermöglicht reproduzierbare, multistabile Ableitungen zur Standardisierung der Testbedingungen über verschiedene Experimente hinweg.
- Unterstützt das Screening von Substanzen hinsichtlich ihrer regionspezifischen Wirkungen auf neuronale Aktivität.
Translationale und präklinische Forschung
- Bringt präklinische Modelle mit menschlichen, krankheitsrelevanten neuralen Schaltkreisendpunkten in Übereinstimmung.
- Ermöglicht die Entdeckung und Validierung von biomarkerbasierten Querstrukturen für translationsmedizinische Studien.
- Unterstützt die risikoadjustierte Weiterentwicklung, indem robuste, vergleichende neurale Daten aus verschiedenen Hirnregionen bereitgestellt werden.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese anpassbare Mikroelektrodenmethode integriert die frühe Entdeckung bis hin zur präklinischen Validierung und ermöglicht eine nahtlose Hypothesenprüfung sowie Datenkontinuität.
- Entdeckungsbasierte Biologie: Ermöglicht die hypothesengetriebene Kartierung neuronaler Schaltkreise und die Klärung von Signalwegen.
- Screening: Liefert quantitative, reproduzierbare LFP-Messwerte zur Beurteilung von Substanzen.
- Analytik: Stellt hochauflösende Spannungs- und Frequenzdaten für statistische Vergleiche über verschiedene Bedingungen und Regionen hinweg bereit.
- Translationale Forschung: Verbindet Entdeckungs- und präklinische Phase, indem sie die Abstimmung von Biomarkern und die Validierung von Endpunkten über Arten hinweg ermöglicht.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine modulare, anpassungsfähige Plattform für vielfältige Forschungsprogramme des zentralen Nervensystems.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagegenauigkeit und verringert mechanistische Unklarheiten bei der Validierung zentralnervöser Zielstrukturen.
- Operativer Wert: Verbessert die Standardisierung, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit elektrophysiologischer Arbeitsabläufe.
- Strategischer Wert: Verbessert die Qualität von Go/No-Go-Entscheidungen und die Kapitalnutzungseffizienz, indem robuste Datenerhebungen aus mehreren Hirnregionen ermöglicht werden.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung von zentralnervösen Wirkstoffen.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in stereotaktischer Chirurgie und der Herstellung von Mikroelektroden.
- Benötigt Zugang zu Präzisionswerkzeugen, Mikroskopen und elektrophysiologischen Ableitsystemen.
- Erfordert eine strenge, übergreifende Standardisierung der Protokolle zur Elektrodenherstellung und -platzierung.
- Anpassbar an verschiedene Nagetiermodelle und Hirnregionen durch Anpassung der stereotaktischen Koordinaten und der Elektrodenkonfiguration.
- Mögliche Einschränkungen umfassen Variabilität in der Elektrodenpositionierung und die Notwendigkeit einer sorgfältigen Handhabung zur Aufrechterhaltung der Ableitqualität.
