Ontwerp, oppervlaktebehandeling, Cellular Plating, en het kweken van Modulair neuronale netwerken Samengesteld uit Functioneel Inter-verbonden Circuits
Summary
Dit manuscript beschrijft een protocol om te groeien in vitro modulaire netwerken bestaande uit ruimtelijk beperkt, functioneel met elkaar verbonden neuronale circuits. Een polymere masker wordt gebruikt voor het patroon van een eiwit laag om cellulaire adhesie op het kweken substraat te bevorderen. Plated neuronen groeien op gecoat gebieden oprichting spontane verbindingen en vertonen elektrofysiologische activiteit.
Abstract
Het brein werkt via de gecoördineerde activering en de dynamische communicatie van neuronale assemblages. Een grote open vraag is hoe een uitgebreid repertoire van dynamische motieven, die meest uiteenlopende hersenfuncties ten grondslag liggen, kunnen voortkomen uit een vaste topologische en modulaire organisatie van de hersenen circuits. In vergelijking met in vivo studies van neuronale circuits die intrinsieke experimentele moeilijkheden opleveren, in vitro preparaten bieden een veel grotere mogelijkheid te manipuleren en sonde de structurele, dynamische en chemische eigenschappen van experimentele neuronale systemen. Dit werk beschrijft een in vitro experimentele methode die het mogelijk maakt het groeien van modulaire netwerken samengesteld door ruimtelijk onderscheiden, functioneel met elkaar verbonden neuronale assemblages. Het protocol maakt het regelen van de tweedimensionale (2D) architectuur van het neuronale netwerk op verschillende topologische complexiteit.
Een gewenste netwerk patroonvorming kan zijnbereikte zowel op reguliere dekglaasjes en substraat ingesloten micro-elektrode arrays. Micromachine structuren reliëf op een silicium wafer en gebruikt om biocompatibele polymere stencils, die de negatieve kenmerken van het gewenste netwerkarchitectuur nemen creëren. De sjablonen worden tijdens de oppervlaktelaag procedure met een moleculaire laag voor het bevorderen van cellulaire adhesie aan het kweken substraten geplaatst. Na verwijdering van de stencils worden neuronen uitgeplaat en zij spontaan doorgestuurd naar de beklede gebieden. Door het verlagen van de inter-compartiment afstand, is het mogelijk om ofwel geïsoleerde of onderling verbonden neuronale circuits te verkrijgen. Celoverleving bevorderen, cellen samen gekweekt met een ondersteunend neuronale netwerk dat zich aan de rand van de kweekschaal. Elektrofysiologische en optische opnames van de activiteit van modulaire netwerken respectievelijk verkregen door substraat ingesloten micro-elektrode arrays en calcium imaging gepresenteerd. Terwijl elke module toont Spontaneous wereldwijde synchronisaties, wordt het optreden van de inter-module synchronisatie gereguleerd door de dichtheid van de verbinding tussen de circuits.
Introduction
Experimentele en theoretische bewijzen ondersteunen de mogelijkheid dat de hersenen werken door gecoördineerde activatie van celsamenstellen 1-5, waarbij dynamische functionele eenheden die tijdelijk met elkaar, vormen en onderliggende verschillende hersengebieden toestanden kunnen worden beschouwd. Functionele modulariteit is ook afhankelijk en verbonden aan de structurele modulaire organisatie van de hersenen circuits 6,7. Hoe de functie en structuur van de hersenen circuits elkaar wederzijds vorm is nog steeds één van de belangrijkste open vragen in de neurowetenschappen. Om een dieper inzicht in deze vraag te voorzien, is het belangrijk om een optimale experimentele kaders identificeren waar het mogelijk is om aan te pakken, ten minste gedeeltelijk, die kwesties. Sinds gecontroleerde manipulatie van de ruimtelijke en temporele dynamiek van neuronale netwerken in in vivo-experimenten is uitdagend, de ontwikkeling van in vitro neuronale netwerken modellen is van groot belang vanwege hun gemakkelijke accessibility, controle, manipulatie en het modelleren van 8,9. In de afgelopen jaren, in vitro technieken met geavanceerde substraat patroonvorming werkwijzen maken neuronale netwerken bewegen een reeks vooraf gedefinieerde modulaire structuren 3 ontwikkelen en de functionele eigenschappen van netwerken bestuderen met opgelegde topologieën 10. In het bijzonder werden methoden onlangs gebruikt om netwerken te organiseren door het opleggen van fysieke beperkingen 4,11. Inderdaad, het verband tussen structuur en functie in neuronale netwerken te bestuderen en om een vereenvoudigde maar plausibele voorstelling van interactie neuronale assemblages bieden, dient in vitro systemen onderling verbonden neuronale subpopulaties bieden. Uitgebreid bestudeerd 2D homogene neuronale culturen geen ruimtelijke beperkingen op te leggen aan de zelf-georganiseerde emergent bedrading van de circuits. Daarom is een mogelijke aanpak om kunstmatig verbonden celsamenstellen vorm is om de verschillende neuronale populaties spuugde positionerenially verschillende gebieden. De afstand tussen deze gebieden niet voorkomen dat de inter assemblages aansluitingen. Deze benadering, waarbij een aanzienlijke controle over netwerkcomplexiteit, is aangetoond dat een rijkere repertoire synchronisatie modellen 6,7,12 verschaffen.
Om een reproduceerbare kweken van neuronale modulaire samenstellen vergemakkelijken, een protocol voor de zelf-organisatie van neuronale netwerken in clusters toegevoegd door axonen en dendrieten assembleren wordt voorgesteld en beschreven. De polymere structuur voor de fysieke opsluiting van neuronale culturen is ontstaan uit polydimtheylsiloxane (PDMS). PDMS is een elastomeer veel gebruikt voor biomedische applicaties vanwege de biologische verenigbaarheid ervan, transparantie en permeabiliteit voor gassen 13. De PDMS wordt bereid en uitgesloten van de micromachine SU8 2075 14,15 structuren door spin coaten van een vloeibare PDMS op een "master" zoals eerder beschreven in Jackman et al. 16 THij bereikte gevormde neuronale netwerken bestaan uit onderling verbonden modules van verschillende grootte en ze werden met succes verkregen zowel dekglaasjes en Micro Electrode Arrays (MEA) 17-20. De dichtheid van de verbindingen tussen de modules kunnen de eigenschappen van het netwerk synchronisatie tussen modules wijzigen van een volledig gesynchroniseerde netwerk, typisch uniform culturen, voorbijgaande toestanden van synchronisatie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een protocol 2D modulaire neuronale netwerken groeien in vitro samengesteld functioneel onderling verbonden circuits beschreven. De procedure is gebaseerd op een cellulair patroon brengen kleeflaag. Patroonvorming wordt bereikt met PDMS mallen reproduceren negatieve eigenschap van het gewenste netwerkarchitectuur. PDMS stencils bepalen de gebieden waar de cellulaire lijmlaag wordt afgezet. Zodra cellen worden verzilverd, ze spontaan verzamelen om de gecoate eilanden en zichzelf organiseren in actieve onderling …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Europese Project BRIANBOW (FP7 Young Explorers, zou De auteurs willen dr Jacopo Tessadori bedanken voor nuttig commentaar op het manuscript, en Silvia Chiappalone voor haar hulp bij het produceren van de graphics gebruikt in de video.
Materials
| PDMS, Sylgard 184 | Dow Corning | ||
| Nalgene Vacuum Chamber | Thermo | 5305-0609 | |
| Poly-D-Lysine PDL | Sigma | P7886 | |
| silicone grease – SILICAID 1010 | aidchim Ltd | H3375 | |
| Spin Coater | Laurell – Technologies Corporation | WS-650-23 | |
| 12 well culture plate | Sigma | CLS3336 | |
| 5-Fluoro-2’-deoxyuridine | Sigma | F0503 | |
| Uridine | Sigma | U3003 | |
| silicone grease – SILICAID 1010 | aidchim Ltd | H3375 | |
| MEA1060-Inv-BC | Multi Channel Systems | ||
| TC02 | Multi Channel Systems | ||
| Pen Strep | Biological Industries Beit Haemek | 03-033-1c | |
| B-27 | Gibco | 17504044 | |
| glutaMAX | Gibco | 35050-038 | |
| MEM Minimum Essential Medium-Eagle | Biological Industries Beit Haemek | 01-025-1B | |
| Micro Electrode Arrays 4Q | Multi Channel Systems | 60-4QMEA1000iR-Ti-pr | cleaning manual: http://www.multichannelsystems.com |
| silicon wafer | microchem | SU8-2075 | Preparation protocol: www.microchem.com |
Riferimenti
- Buzsaki, G. Neural syntax: cell assemblies, synapsembles, and readers. Neuron. 68, 362-385 (2010).
- Meunier, D., Lambiotte, R., Bullmore, E. T. Modular and hierarchically modular organization of brain networks. Frontiers in Neuroscience. 4, 200 (2010).
- Levy, O., Ziv, N. E., Marom, S. Enhancement of neural representation capacity by modular architecture in networks of cortical neurons. European Journal of Neuroscience. 35, 1753-1760 (2012).
- Berdondini, L., et al. A microelectrode array (MEA) integrated with clustering structures for investigating in vitro neurodynamics in confined interconnected sub-populations of neurons. Sensors and Actuators B-Chemical. 114, 530-541 (2006).
- Bisio, M., Bosca, A., Pasquale, V., Berdondini, L., Chiappalone, M. Emergence of bursting activity in connected neuronal sub-populations. PloS One. 9, e107400 (2014).
- Shein Idelson, M., Ben-Jacob, E., Hanein, Y. Innate synchronous oscillations in freely-organized small neuronal circuits. PloS One. 5, e14443 (2010).
- Shein-Idelson, M., Ben-Jacob, E., Hanein, Y. Engineered neuronal circuits: a new platform for studying the role of modular topology. Frontiers in Neuroengineering. 4, 10 (2011).
- Bonifazi, P., et al. In vitro large-scale experimental and theoretical studies for the realization of bi-directional brain-prostheses. Front Neural Circuits. 7, 40 (2013).
- Jungblut, M., Knoll, W., Thielemann, C., Pottek, M. Triangular neuronal networks on microelectrode arrays: an approach to improve the properties of low-density networks for extracellular recording. Biomedical Microdevices. 11, 1269-1278 (2009).
- Marconi, E., et al. Emergent functional properties of neuronal networks with controlled topology. PloS One. 7, e34648 (2012).
- Taylor, A. M., Jeon, N. L. Microfluidic and compartmentalized platforms for neurobiological research. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 39, 185-200 (2011).
- Sorkin, R., et al. Compact self-wiring in cultured neural networks. J Neural Eng. 3, 95-101 (2006).
- Mata, A., Fleischman, A. J., Roy, S. Characterization of polydimethylsiloxane (PDMS) properties for biomedical micro/nanosystems. Biomedical Microdevices. 7, 281-293 (2005).
- Campo, A. G. C. SU-8: a photoresist for high-aspect-ratio and 3D submicron lithography. Journal of Micromechanics and MicroengineeringEmail alert RSS feed. 17, 81-95 (2007).
- Liu, G. T. Y. Kan Y Fabrication of high-aspect-ratio microstructures using SU8 photoresist. Microsystem Technologies. 11, 343-346 (2005).
- Jackman, R. J., Duffy, D. C., Cherniavskaya, O., Whitesides, G. M. Using elastomeric membranes as dry resists and for dry lift-off. Langmuir. 15, 2973-2984 (1999).
- Pine, J. Recording action potentials from cultured neurons with extracellular microcircuit electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 2, 19-31 (1980).
- Gross, G. W., Rieske, E., Kreutzberg, G. W., Meyer, A. New Fixed-Array Multi-Microelectrode System Designed for Long-Term Monitoring of Extracellular Single Unit Neuronal-Activity In vitro. Neuroscience Letters. 6, 101-105 (1977).
- Gross, G. W., Williams, A. N., Lucas, J. H. Recording of spontaneous activity with photoetched microelectrode surfaces from mouse spinal neurons in culture. Journal of Neuroscience Methods. 5, 13-22 (1982).
- Thomas, C. A., Springer, P. A., Loeb, G. E., Berwald-Netter, Y., Okun, L. M. A miniature microelectrode array to monitor the bioelectric activity of cultured cells. Experimental Cell Research. 74, 61-66 (1972).
- Herzog, N., Shein-Idelson, M., Hanein, Y. Optical validation of in vitro extra-cellular neuronal recordings. J Neural Eng. 8, 056008 (2011).
- Maccione, A., et al. A novel algorithm for precise identification of spikes in extracellularly recorded neuronal signals. Journal of Neuroscience Methods. 177, 241-249 (2009).
- Dworak, B. J., Wheeler, B. C. Novel MEA platform with PDMS microtunnels enables the detection of action potential propagation from isolated axons in culture. Lab Chip. 9, 404-410 (2009).
- Georger, J. H., et al. Coplanar Patterns of Self-Assembled Monolayers for Selective Cell-Adhesion and Outgrowth. Thin Solid Films. 210, 716-719 (1992).
- Torimitsu, K., Kawana, A. Selective Growth of Sensory Nerve-Fibers on Metal-Oxide Pattern in Culture. Developmental Brain Research. 51, 128-131 (1990).
- Branch, D. W., Corey, J. M., Weyhenmeyer, J. A., Brewer, G. J., Wheeler, B. C. Microstamp patterns of biomolecules for high-resolution neuronal networks. Medical & Biological Engineering & Computing. 36, 135-141 (1998).
- Petrelli, A., et al. Nano-volume drop patterning for rapid on-chip neuronal connect-ability assays. Lab on a Chip. 13, 4419-4429 (2013).
- Boehler, M. D., Leondopulos, S. S., Wheeler, B. C., Brewer, G. J. Hippocampal networks on reliable patterned substrates. Journal of Neuroscience Methods. 203, 344-353 (2012).
