+

RU2653815C1 - Method of implanting optic fiber probe in animal brain to generate controlled feedback - Google Patents

Method of implanting optic fiber probe in animal brain to generate controlled feedback Download PDF

Info

Publication number
RU2653815C1
RU2653815C1 RU2017107013A RU2017107013A RU2653815C1 RU 2653815 C1 RU2653815 C1 RU 2653815C1 RU 2017107013 A RU2017107013 A RU 2017107013A RU 2017107013 A RU2017107013 A RU 2017107013A RU 2653815 C1 RU2653815 C1 RU 2653815C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
animal
tip
optical fiber
probe
Prior art date
Application number
RU2017107013A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Константин Владимирович Анохин
Алексей Михайлович Желтиков
Ольга Игоревна Ивашкина
Матвей Сергеевич Почечуев
Марина Анатольевна Рощина
Андрей Борисович Федотов
Илья Валерьевич Федотов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2017107013A priority Critical patent/RU2653815C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2653815C1 publication Critical patent/RU2653815C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G09EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09BEDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61MDEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M25/00Catheters; Hollow probes
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00Radiation therapy
    • A61N5/06Radiation therapy using light

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Anesthesiology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Educational Technology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

FIELD: optical fiber.
SUBSTANCE: invention relates to the field of optogenetics. Fiber-optic probe contains optical fiber and a fixed tip. Length of the optical fiber that is necessary to reach a given area of the brain is determined. Optical fiber is fixed on the tip so that the specified length of the optical fiber protrudes from the tip. Animal is anesthetized, a part of the skin of the skull is removed, a hole is made in the skull using the stereotaxic coordinates, and the fiber optic probe is inserted into the hole. At the same time with the introduction of the probe and in the feedback mode, laser radiation is generated; it has the power and wavelength that are sufficient to activate the optical signal in the brain cells of the animal. Laser radiation is transmitted along the optical fiber of the probe to its distal end and the optical signal from the brain cells is registered. When a specified amplitude of the optical signal or a specified image of the brain cells is obtained, the tip is fixed directly on the skull or on an external holder that has been pre-mounted on the skull relatively to the tip.
EFFECT: method provides for accurate positioning of the distal end of the optical fiber within the animal's brain, the attachment reliability and the ability to conduct observations for a long time, which is achieved by the above methods of the method.
9 cl, 7 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Предлагаемое техническое решение относится к области оптогенетики, а именно к способам вживления оптического зонда в мозг лабораторного животного.The proposed technical solution relates to the field of optogenetics, and in particular to methods of implanting an optical probe into the brain of a laboratory animal.

Уровень техникиState of the art

Современные оптические методы и волоконно-оптические технологии играют все более заметную роль в исследованиях нейрофизиологических и когнитивных функций, что связано с их малой инвазивностью, эффективностью, высоким пространственным (вплоть до субклеточного) разрешением. Использование волоконных зондов (часто также употребляется термин волоконные нейроинтерфейсы) является одним из магистральных направлений в задачах нейрофотоники и оптогенетики: A.M. Aravanis, et al., J. Neural Eng. 4, S143 (2007); D.R. Sparta, et al., Nature Protocols 7, 12 (2012); G D. Stuber, et al., Nature 475, 377 (2011); L.V. Doronina-Amitonova, Scientific Reports 3, 3265 (2013). Волоконно-оптические нейроинтерфейсы обеспечивают уникальные возможности для оптогенетического нейростимулирования на различные фармакологические и физиологические стимулы, а также долговременной регистрации процессов в глубоких слоях мозга свободнодвижущихся животных. Важной задачей, решаемой с помощью волоконных нейроинтерфейсов, является оптическая регистрация функциональной активности отдельных групп или отдельных прицельно выбранных нейронов головного мозга, что требует точного адресного позиционирования волоконного зонда в нужную область мозга с точностью порядка размера одного нейрона (5-10 мкм).Modern optical methods and fiber-optic technologies play an increasingly prominent role in studies of neurophysiological and cognitive functions, which is associated with their low invasiveness, efficiency, and high spatial (up to subcellular) resolution. The use of fiber probes (the term fiber neurointerfaces is also often used) is one of the main directions in the tasks of neurophotonics and optogenetics: A.M. Aravanis, et al., J. Neural Eng. 4, S143 (2007); D.R. Sparta, et al., Nature Protocols 7, 12 (2012); G D. Stuber, et al., Nature 475, 377 (2011); L.V. Doronina-Amitonova, Scientific Reports 3, 3265 (2013). Fiber-optic neurointerfaces provide unique opportunities for optogenetic neurostimulation for various pharmacological and physiological stimuli, as well as long-term registration of processes in the deep layers of the brain of free-moving animals. An important task to be solved with the help of fiber neural interfaces is the optical registration of the functional activity of individual groups or individual targeted neurons of the brain, which requires precise addressing of the fiber probe to the desired area of the brain with an accuracy of the order of the size of one neuron (5-10 μm).

Для реализации задачи точного позиционирования волоконного зонда необходимо зафиксировать голову животного и надежно закрепить зонд (нейроинтерфейс) на черепе животного, при этом необходимо обеспечить условие, чтобы дистальный конец оптического волокна был расположен в выбранной части мозга. Основной проблемой является точность позиционирования, поскольку, несмотря на известные анатомические особенности структуры мозга, вживление осуществляется с ошибками, в частности, определяемыми индивидуальными особенностями животных, что в результате не позволяет гарантированно вживлять зонд к определенному нейрону.To accomplish the task of accurately positioning the fiber probe, it is necessary to fix the animal’s head and securely attach the probe (neurointerface) to the animal’s skull, while ensuring that the distal end of the optical fiber is located in the selected part of the brain. The main problem is the accuracy of positioning, because, despite the known anatomical features of the structure of the brain, implantation is carried out with errors, in particular, determined by the individual characteristics of the animals, which as a result does not guarantee the implantation of a probe to a specific neuron.

Способы установки оптического зонда описаны, например, в патенте US 9238150 (абз. 0065). Вживление зонда включает анестезию животного, удаление шерсти, сверление отверстий с помощью стереотаксических приспособлений, введение зонда заранее выбранной длины и закрепление зонда. Точность установки дистального конца волокна играет ключевую роль в правильном выборе исследуемого участка мозга. Однако из-за индивидуальных особенностей строения и развития животных дистальные концы зондов одинаковой длины могут оказаться в различных слоях мозга.Methods for installing an optical probe are described, for example, in US Pat. No. 9,238,150 (para. 0065). Implantation of the probe includes anesthesia of the animal, removal of wool, drilling holes using stereotactic devices, insertion of the probe of a pre-selected length and fixing the probe. The accuracy of the installation of the distal end of the fiber plays a key role in the correct choice of the studied area of the brain. However, due to the individual characteristics of the structure and development of animals, the distal ends of the probes of the same length can be in different layers of the brain.

Известен способ установки оптоволоконного зонда с помощью специального крепления, патент US 9107575. При таком способе на череп животного крепят специальное приспособление, через отверстие в котором вводят оптическое волокно. Приспособление позволяет направить волокно под углом, выбранным с помощью стереотаксической методики. Однако глубина размещения дистального конца волокна может варьироваться. Кроме того, при проведении экспериментов через длительный промежуток времени оптическое волокно необходимо будет вставлять в приспособление на ту же глубину, что трудно осуществить. Кроме того, возможна ошибка эксперимента, связанная с повреждениями мозга при повторной установке оптического волокна.A known method of installing a fiber optic probe using a special mount, patent US 9107575. With this method, a special device is mounted on the animal’s skull, through which an optical fiber is introduced. The device allows you to direct the fiber at an angle selected using the stereotactic technique. However, the depth of placement of the distal end of the fiber may vary. In addition, when conducting experiments over a long period of time, the optical fiber will need to be inserted into the device to the same depth, which is difficult to implement. In addition, an experimental error may occur due to brain damage during reinstallation of the optical fiber.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей изобретения является разработка способа вживления оптоволоконного зонда в мозг животного для реализации долговременных экспериментов по оптической регистрации функциональной активности выбранной группы нейронов (или одного нейрона). Способ должен обеспечить точное адресное и малоинвазивное позиционирование дистального конца оптического волокна внутри мозга животного.The objective of the invention is to develop a method of implanting a fiber probe into the brain of an animal for the implementation of long-term experiments on the optical recording of the functional activity of a selected group of neurons (or one neuron). The method should provide accurate targeted and minimally invasive positioning of the distal end of the optical fiber inside the brain of the animal.

Для решения поставленной задачи предложен способ вживления в мозг генно-модифицированного животного с встроенными светочувствительными белками оптоволоконного зонда, содержащего оптическое волокно и фиксируемый наконечник, при котором рассчитывают длину оптического волокна, необходимую для достижения заданной области мозга, закрепляют оптическое волокно в наконечнике так, чтобы из наконечника выступало оптическое волокно рассчитанной длины, животное наркотизируют, снимают скальп с части черепа животного, достаточной для закрепления оптоволоконного зонда, формируют отверстие в черепе по стереотаксическим координатам, вводят волокно оптоволоконного зонда в отверстие, одновременно с введением зонда в режиме обратной связи генерируют лазерное излучение с мощностью и длиной волны, достаточными для активации оптического сигнала в клетках мозга животного, передают лазерное излучение по оптическому волокну зонда к его дистальному концу и регистрируют оптический сигнал от клеток мозга животного, наконечник фиксируют непосредственно на черепе животного или на предварительно закрепленном на черепе внешнем относительно наконечника держателе при получении заданной амплитуды оптического сигнала или заданного изображения клеток мозга. Фиксация наконечника с помощью клея может происходить как непосредственно на черепе животного (Фиг 1а), так и во внешнем держателе, заранее прикрепленном на череп животного (Фиг. 1б). При креплении наконечника (ферулы) непосредственно на череп животного возможна лишь небольшая корректировка по глубине вживления - порядка 200-300 мкм - за счет формирования тонкого слоя клея между наконечником и черепом (ограничение по толщине в данном случае диктуется требованием надежности фиксации ферулы с волокном на черепе животного, а также избеганием попадания клея внутрь отверстия). При фиксации наконечника в предварительно закрепленном внешнем держателе возможна значительно большая корректировка по глубине вживления. В этом случае предварительно приклеивают внешний держатель к черепу животного, при этом ось отверстия внешнего держателя и ось отверстия в черепе должны совпадать. Подобная схема может обеспечить гораздо большую амплитуду корректировки положения дистального конца волокна - до двух миллиметров. При достижении необходимого уровня измеряемого сигнала наконечник фиксируют и приклеивают непосредственно к внешнему держателю. Предлагаемый способ вживления зонда в заданную область мозга обеспечивает точное позиционирование зонда, которое достигается за счет обратной связи, позволяющей контролировать положение дистального конца волокна относительно нейронных клеток, и прецизионной корректировкой глубины проникновения зонда. Этот способ позволяет исключить влияние индивидуальных фенотипических особенностей животного, а также дает возможность получить дополнительную информацию, например, о распределении в головном мозге животного с измененным геномом светочувствительных нейронов уже в процессе установки зонда. Но самое важное то, что способ позволяет позиционировать дистальный конец волокна именно в заданную область с точностью до размеров одного отдельного нейрона с заранее известными характеристиками оптического отклика.To solve this problem, a method of implanting a genetically modified animal with integrated photosensitive proteins of an optical fiber probe containing an optical fiber and a fixed tip, which calculates the length of the optical fiber necessary to reach a given area of the brain, is used to fix the optical fiber in the tip so that an optical fiber of a calculated length protruded, the animal was anesthetized, scalp was removed from the part of the animal’s skull, sufficient to fix fiber optic probe, form a hole in the skull along stereotactic coordinates, insert the fiber of the fiber probe into the hole, simultaneously with the introduction of the probe in feedback mode, generate laser radiation with a power and wavelength sufficient to activate the optical signal in the animal’s brain cells, transmit laser radiation through optical fiber of the probe to its distal end and register the optical signal from the brain cells of the animal, the tip is fixed directly on the skull of the animal or on the attentively attached to the skull external to the tip of the holder when receiving a given amplitude of the optical signal or a given image of brain cells. The fixation of the tip with glue can occur both directly on the skull of the animal (Fig. 1a), and in an external holder pre-attached to the skull of the animal (Fig. 1b). When attaching the tip (ferula) directly to the animal’s skull, only a small adjustment is possible according to the implantation depth - of the order of 200-300 μm - due to the formation of a thin layer of glue between the tip and the skull (the thickness limit in this case is dictated by the requirement for reliable fixation of the ferula with fiber on the skull animal, as well as avoiding glue getting inside the hole). When fixing the tip in a pre-fixed external holder, a much larger adjustment is possible according to the depth of implantation. In this case, the external holder is pre-glued to the skull of the animal, while the axis of the holes of the external holder and the axis of the holes in the skull must match. Such a scheme can provide a much larger amplitude for adjusting the position of the distal end of the fiber - up to two millimeters. Upon reaching the required level of the measured signal, the tip is fixed and glued directly to the external holder. The proposed method of implanting a probe into a predetermined region of the brain provides accurate probe positioning, which is achieved through feedback, which allows you to control the position of the distal end of the fiber relative to neural cells, and precise adjustment of the probe penetration depth. This method eliminates the influence of individual phenotypic characteristics of the animal, and also makes it possible to obtain additional information, for example, on the distribution in the brain of an animal with a modified genome of photosensitive neurons already in the process of installing the probe. But the most important thing is that the method allows you to position the distal end of the fiber precisely in a given area up to the size of one individual neuron with the previously known characteristics of the optical response.

Необходимым условием проведения подобных исследований является использование генно-модифицированных животных, обладающих встроенными светочувствительными флуоресцирующими белками. Современная генная инженерия обеспечивает широкий спектр возможностей для генетического маркирования функционально значимых нейронных клеток не только для оптической регистрации активности клеток, но также и для оптического управления функциональной активностью животных, в частности, при использовании оптических волоконных зондов.A necessary condition for such studies is the use of genetically modified animals with built-in photosensitive fluorescent proteins. Modern genetic engineering provides a wide range of possibilities for the genetic labeling of functionally important neural cells, not only for optical recording of cell activity, but also for optical control of the functional activity of animals, in particular, when using optical fiber probes.

Сигнал от клеток мозга животного наблюдают посредством системы оптической регистрации и контроля на основе компьютера, которая может содержать элементы оптической фильтрации (пассивные фильтры или спектрометр), одноканальные (фотоэлектронные умножители, фотодиоды) или многоканальные (ПЗС камеры) детекторы, компьютер для анализа сигнала или изображений. Способ позволяет наблюдать оптический отклик флуоресценции клеток головного мозга животного непосредственно в процессе установки зонда (нейроинтерфейса), что обеспечивает высокую точность (до нескольких микрометров) позиционирования дистального конца оптического волокна.The signal from animal brain cells is observed through a computer-based optical recording and control system, which may contain optical filtering elements (passive filters or spectrometer), single-channel (photoelectronic multipliers, photodiodes) or multi-channel (CCD cameras) detectors, a computer for signal or image analysis . The method allows to observe the optical fluorescence response of the brain cells of the animal directly during the installation of the probe (neural interface), which provides high accuracy (up to several micrometers) of positioning of the distal end of the optical fiber.

Волокно оптоволоконного зонда (нейроинтерфейса) вводят с помощью автоматизированного препаратоводителя стереотаксиса, соединенного с компьютером, что позволяет автоматически позиционировать дистальный конец волокна. Так как система оптической регистрации и контроля и автоматизированный препаратоводитель стереотаксиса соединены с компьютером, в процессе введения оптоволоконного зонда реализуется обратная связь за счет получения информации о распределении светочувствительных клеток в головном мозге животного вблизи дистального конца волокна и соответствующей прецизионной корректировки его положения.The fiber of the optical fiber probe (neural interface) is injected using an automated stereotaxis preparation agent connected to a computer, which allows the distal end of the fiber to be automatically positioned. Since the optical recording and control system and the automated stereotaxis preparation agent are connected to a computer, feedback is implemented during the introduction of the fiber probe by obtaining information about the distribution of photosensitive cells in the animal’s brain near the distal end of the fiber and the corresponding precise adjustment of its position.

Наконечник фиксируют в два этапа, на первом этапе закрепляют наконечник быстросохнущим клеем, на втором этапе через промежуток от 2 до 8 минут фиксируют наконечник смесью быстросохнущего клея и зубного цемента. В качестве быстросохнущего клея может быть использован цианоакрилатный клей. При креплении наконечника непосредственно на черепе животного приготовленную смесь цемента с клеем наносят таким образом, чтобы как минимум 1/3 наружной части ферулы была покрыта клеем. На черепе цемент должен покрывать всю область оголенной кости, но не заходить на края кожных лоскутов вокруг операционного поля. Клей позволяет быстро закрепить наконечник (ферулу) на черепе животного в выбранном положении, что обеспечивает точность фиксации зонда, смесь клея с цементом обеспечивает надежность крепления в течение длительного времени и длительность проводимых экспериментов. В случае использования внешнего держателя вначале процедуры его закрепляют на черепе животного с помощью смеси цемента с клеем. Необходимая соосность отверстия в черепе и нейроинтрефеса обеспечивается за счет удержания наконечника с волокном в держателе во время процедуры приклеивания. Далее порядок крепления повторяет предыдущий случай, только вклеивание наконечника происходит не к черепу животного, а к внешнему держателю.The tip is fixed in two stages, at the first stage, the tip is fixed with quick-drying glue, in the second stage, after a period of 2 to 8 minutes, the tip is fixed with a mixture of quick-drying glue and dental cement. As a quick-drying adhesive, cyanoacrylate adhesive can be used. When attaching the tip directly to the animal’s skull, the prepared mixture of cement with glue is applied so that at least 1/3 of the outer part of the ferula is covered with glue. On the skull, cement should cover the entire area of the exposed bone, but not go to the edges of the skin flaps around the surgical field. The glue allows you to quickly fix the tip (ferula) on the skull of the animal in the selected position, which ensures the accuracy of the probe fixation, the mixture of glue and cement ensures reliable fastening for a long time and the duration of the experiments. In the case of using an external holder at the beginning of the procedure, it is fixed on the skull of the animal using a mixture of cement with glue. The necessary alignment of the hole in the skull and the neural interface is ensured by holding the tip with the fiber in the holder during the bonding procedure. Further, the attachment procedure repeats the previous case, only gluing the tip does not occur to the skull of the animal, but to the external holder.

Оптическое волокно оптоволоконного зонда является многосердцевинным оптическим волокном с тысячами отдельных световодов микронного размера, что позволяет получать флуоресцентные изображения от дистального конца волокна непосредственно в процессе его установки, и наконечник фиксируют при получении выбранного изображения. Использование многоканального оптического волокна позволяет уже на этапе установки волокна получить подробную информацию о структуре выбранной области.The optical fiber of the optical fiber probe is a multi-core optical fiber with thousands of individual micron-sized optical fibers, which makes it possible to obtain fluorescence images from the distal end of the fiber directly during its installation, and the tip is fixed when the selected image is obtained. The use of multichannel optical fiber allows one to obtain detailed information on the structure of the selected area already at the stage of fiber installation.

Оптическое волокно является односердцевинным волокном с внешним диаметром не более 250 мкм, наконечник фиксируют при получении выбранной интенсивности оптического сигнала от клеток мозга животного. В случае использования односердцевинного волокна измеряется интегральный сигнал флуоресценции от одной или группы клеток мозга животного, и наконечник фиксируют при получении заданной интенсивности оптического сигнала флуоресценции или функции интенсивности при сканировании зондом сигнала от клеток мозга животного. Для уменьшения области мозга, облучаемой излучением накачки, и соответственно более точной адресации к одному нейрону диаметр сердцевины волокна должен быть сравним (или меньше) с размером области локализации одного нейрона порядка 5-30 микрометров. Современные оптические технологии позволяют изготавливать волокна с подобными параметрами, при этом структура волокна может изменяться в широких пределах для обеспечения оптимальных значений параметров возбуждения и сбора сигнала флуоресценции от нейронов мозга животного. В случае использования волокон с малой сердцевиной с большой долей вероятности будет наблюдаться сигнал от одного нейрона, тогда при перемещении дистального конца оптоволоконного зонда в глубину мозга интенсивность оптического отклика будет аналогична функции, представленной на Фиг. 3. В случае использования волокон с большой сердцевиной увеличивается общий уровень получаемого сигнала флуоресценции, но в данном случае высока вероятность регистрации сигнала от нескольких нейронов, и зависимость интенсивности флуоресценции от положения дистального конца волокна может быть более сложной.An optical fiber is a single-core fiber with an external diameter of not more than 250 μm, the tip is fixed when the selected optical signal intensity is obtained from animal brain cells. In the case of using a single core fiber, the integral fluorescence signal from one or a group of animal brain cells is measured, and the tip is fixed when a given optical fluorescence signal intensity or intensity function is obtained when the probe scans the signal from animal brain cells. In order to reduce the area of the brain irradiated by pump radiation and, accordingly, more accurately address one neuron, the diameter of the fiber core should be comparable (or less) with the size of the localization area of one neuron of the order of 5-30 micrometers. Modern optical technologies make it possible to produce fibers with similar parameters, while the structure of the fiber can vary over a wide range to ensure optimal values of the excitation parameters and the collection of the fluorescence signal from animal brain neurons. In the case of using fibers with a small core, a signal from a single neuron will most likely be observed, then when the distal end of the fiber probe is moved deeper into the brain, the intensity of the optical response will be similar to the function shown in FIG. 3. In the case of using fibers with a large core, the overall level of the obtained fluorescence signal increases, but in this case the probability of signal registration from several neurons is high, and the dependence of the fluorescence intensity on the position of the distal end of the fiber can be more complex.

В зависимости от задачи исследований фиксируют оптоволоконный зонд на черепе животного при получении максимального оптического сигнала (или определенной функции при сканировании волокна «вверх-вниз») от клеток мозга, или фиксируют оптоволоконный зонд при возникновении оптического сигнала от клеток мозга животного, или фиксируют оптоволоконный зонд при уменьшении оптического сигнала от клеток мозга животного. Поскольку нейроны головного мозга расположены слоями, предлагаемый способ позволяет установить зонд на внешней границе слоя (при возникновении сигнала), в области с максимальным количеством светочувствительных клеток (при получении максимального сигнала), на внутренней границе слоя (при уменьшении сигнала).Depending on the research task, an optical fiber probe is fixed on the animal’s skull when it receives the maximum optical signal (or a specific function when scanning the fiber “up and down”) from brain cells, or a fiber probe is fixed when an optical signal arises from the animal’s brain cells, or a fiber optic probe is fixed with a decrease in the optical signal from animal brain cells. Since brain neurons are located in layers, the proposed method allows you to install the probe on the outer boundary of the layer (when a signal occurs), in the area with the maximum number of photosensitive cells (when receiving the maximum signal), on the inner border of the layer (when the signal decreases).

Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение высокой точности позиционирования порядка нескольких микрометров дистального конца оптоволоконного зонда за счет обеспечения обратной связи, заключающейся в непрерывной регистрации оптического сигнала флуоресценции от исследуемого нейрона (группы нейронов) или получении изображения исследуемой части мозга во время процедуры вживления, возможность получения дополнительной информации в процессе установки зонда, надежность крепления зонда.The technical result of the proposed technical solution is to ensure high positioning accuracy of the order of several micrometers of the distal end of the fiber probe by providing feedback consisting in the continuous recording of the optical fluorescence signal from the neuron under study (a group of neurons) or obtaining an image of the part of the brain under study during the implantation procedure, the possibility of obtaining additional information during the installation of the probe, the reliability of mounting the probe.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг. 1. Способы фиксации нейроинтерфейса: непосредственно на черепе животного (а), с использованием внешнего направляющего держателя (б).FIG. 1. Methods of fixation of the neurointerface: directly on the skull of the animal (a), using an external guide holder (b).

Фиг. 2. Схема установки, позволяющая осуществить предлагаемый способ.FIG. 2. Installation diagram, allowing the implementation of the proposed method.

Фиг. 3. Изображение трансгенной мыши (а) с вживленными волокнами с диаметром сердцевины 50 мкм (б) и 300 мкм (с).FIG. 3. Image of a transgenic mouse (a) with implanted fibers with a core diameter of 50 μm (b) and 300 μm (s).

Фиг. 4. Пример локализации одного нейрона вблизи дистального конца односердцевинного оптического волокна (слева) и оптический отклик в случае различного положения нейрона относительно дистального конца волокна.FIG. 4. An example of the localization of one neuron near the distal end of a single core optical fiber (left) and the optical response in the case of different positions of the neuron relative to the distal end of the fiber.

Фиг. 5. Изображение нейрона на глубине 600 мкм, полученное с помощью многоканального волокна.FIG. 5. Image of a neuron at a depth of 600 microns, obtained using multichannel fiber.

Фиг. 6. Изображения, полученные с помощью многоканального волокна, нейронов на глубине около 800 мкм до фиксации наконечника (а) и после нанесения клея (б).FIG. 6. Images obtained using multichannel fiber, neurons at a depth of about 800 microns before fixing the tip (a) and after applying glue (b).

Фиг. 7. Фотографии, иллюстрирующие проверку надежности и работоспособности зонда и способа его вживления в серии нейрофизиологических тестов: общий вид с размещением животного в тесте «открытое поле» (а); тест «приподнятый крестообразный лабиринт» для исследования поведения мышей с вживленным зондом (б); тест «ротарод» с исследуемым и контрольным животными (в).FIG. 7. Photos illustrating the verification of the reliability and operability of the probe and the method of implantation in a series of neurophysiological tests: general view of the placement of the animal in the open field test (a); test "elevated cruciform labyrinth" to study the behavior of mice with an implanted probe (b); test "rotarod" with the studied and control animals (c).

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Для проведения экспериментов был осуществлен подбор координат ряда анатомических структур мозга трансгенных мышей, у которых искусственно экспрессируются маркерные флуоресцентные белки, в частности EGFP (enhanced green fluorescence protein). При проведении операции проводили стереотаксическое позиционирование зонда. После подготовки поверхности черепа определяли место на черепе, где должно располагаться трепанационное отверстие для вживления оптоволокна зонда. Для этого использовали атлас мозга мыши в стереотаксических координатах. С помощью атласа определяли положение интересующей анатомической структуры в трехмерной системе декартовых координат, нулевой точкой отсчета которой является точка Брегма - место схождения сагиттального и коронарного швов. Координаты определяли в рострокаудальном направлении (в направлении к носу - «+», в направлении затылка - «-»), в медиолатеральном (в направлении правого уха - «+», в направлении левого уха - «-»), и в дорсовентральном (глубина залегания структуры относительно поверхности мозга на уровне Брегмы). Для соответствия вживляемого нейроинтерфейса выбранной структуре мозга в дорсовентральном направлении выбиралось оптическое волокно необходимой длины.For the experiments, the coordinates of a number of anatomical brain structures of transgenic mice were selected, in which marker fluorescent proteins, in particular EGFP (enhanced green fluorescence protein), are artificially expressed. During the operation, the probe was stereotactically positioned. After preparing the surface of the skull, the place on the skull was determined where the trepanation hole should be located for implantation of the probe optical fiber. For this, an atlas of the mouse brain was used in stereotactic coordinates. Using the atlas, the position of the anatomical structure of interest in the three-dimensional system of Cartesian coordinates was determined, the zero point of reference of which is the Bregma point - the place of convergence of the sagittal and coronary sutures. The coordinates were determined in the rostrocaudal direction (towards the nose - “+”, in the back of the head - “-”), in the mediolateral (in the direction of the right ear - “+”, in the direction of the left ear - “-”), and in the dorsoventral ( the depth of the structure relative to the surface of the brain at the level of Bregma). To match the implantable neural interface to the selected brain structure in the dorsoventral direction, an optical fiber of the required length was chosen.

В соответствии с заявляемым решением возможно использование двух схем крепления волоконно-оптического зонда (нейроинтерфеса) непосредственно на черепе животного. Первая схема представлена на Фиг. 1а и заключается в креплении наконечника/ферулы (1) с оптоволокном (2) непосредственно на черепе (4) животного с помощью смеси цианоакрилатного клея и цемента (3). Вторая схема представлена на Фиг. 1б и заключается в первоначальном креплении внешнего держателя (5) посредством смеси цианоакрилатного клея и зубного цемента (3) на череп (4) животного при соблюдении соосности отверстия в черепе и внешнего держателя и последующей фиксации наконечника (2)) с оптоволокном (1) на внешний держатель (5) с помощью смеси (3).In accordance with the claimed solution, it is possible to use two schemes for attaching a fiber optic probe (neurointerface) directly to the skull of an animal. The first circuit is shown in FIG. 1a and consists in attaching the tip / ferula (1) with optical fiber (2) directly to the skull (4) of the animal using a mixture of cyanoacrylate adhesive and cement (3). The second circuit is shown in FIG. 1b and consists in the initial fastening of the external holder (5) by means of a mixture of cyanoacrylate adhesive and dental cement (3) on the skull (4) of the animal, observing the alignment of the hole in the skull and the external holder and subsequent fixation of the tip (2)) with the optical fiber (1) on external holder (5) using mixture (3).

В работе были использованы размыкаемые оптоволоконные зонды, содержащие первую часть, закрепляемую на черепе животного, с оптоволокном и керамическим цилиндрическим наконечником/ферулой, вторую часть зонда (6) с длинным отрезком аналогичного оптоволокна, содержащую ответную керамическую ферулу и коннектор, обеспечивающий плотное прилегание и надежное крепление первой и второй частей оптоволоконного зонда. Длина дистального конца оптического волокна первой части, выступающего из наконечника, определялась как сумма толщины черепной кости животного 250 мкм и глубины необходимого проникновения в мозг животного относительно внутренней поверхности кости черепа. Следуя этому определению, длина оптического волокна для зоны бочонковых полей первичной соматосенсорной коры должна составлять 1000 мкм; для области СА1 гиппокампа - 1750 мкм; для миндалины, базального ядра - 4000 мкм. Выбор данных структур головного мозга был обусловлен их локализацией и необходимостью оценки в дальнейшем эффективности функционирования оптоволоконного зонда на различной глубине вживления оптоволокна. Оптическое волокно зачищали от внешней пластиковой оплетки на некоторую длину, затем на нужном расстоянии от конца на оптоволокне делалась засечка с помощью специального резака. После этого оптоволокно аккуратно скалывали на месте засечки. С помощью микроскопа дополнительно измеряли длину полученного дистального конца волокна и визуально определяли качество торцов (отсутствие сколов и загрязнений). Оптоволокно первой части зонда заданной длины фиксировали в керамическом наконечнике так, чтобы с лицевой стороны наконечника торец волокна находился в плоскости наконечника, а с обратной выступал на необходимую длину, соответствующую глубине залегания выбранной структуры мозга и толщине кости черепа. Вторая часть зонда содержит длинный отрезок оптоволокна, обеспечивающий соединение с лазерной системой возбуждения, системой измерения и контроля, а также обеспечивает свободное перемещение животного во время экспериментов. Вторая часть зонда прикрепляется к первой только в процессе установки зонда и далее во время проведения экспериментов с животными.We used disconnectable fiber-optic probes containing the first part, mounted on the skull of an animal, with optical fiber and a ceramic cylindrical tip / ferrule, the second part of the probe (6) with a long segment of a similar optical fiber, containing a reciprocal ceramic ferrule and connector providing a snug fit and reliable fastening the first and second parts of the fiber optic probe. The length of the distal end of the optical fiber of the first part protruding from the tip was determined as the sum of the thickness of the animal’s cranial bone 250 μm and the depth of necessary penetration into the animal’s brain relative to the inner surface of the skull bone. Following this definition, the length of the optical fiber for the area of the barrel fields of the primary somatosensory cortex should be 1000 μm; for the CA1 region of the hippocampus - 1750 μm; for tonsils, basal nucleus - 4000 microns. The choice of these brain structures was due to their localization and the need to further evaluate the effectiveness of the functioning of the optical fiber probe at various depths of implantation of the optical fiber. The optical fiber was smoothed out from the external plastic sheath for a certain length, then, at the right distance from the end, the optical fiber was serrated with a special cutter. After that, the optical fiber was neatly cleaved at the notch. Using a microscope, the length of the obtained distal end of the fiber was additionally measured and the quality of the ends (absence of chips and dirt) was visually determined. The optical fiber of the first part of the probe of a given length was fixed in a ceramic tip so that the end face of the fiber was in the plane of the tip on the front side of the tip and protruded to the required length corresponding to the depth of the selected brain structure and the thickness of the skull bone. The second part of the probe contains a long segment of optical fiber, which provides connection with a laser excitation system, a measurement and control system, and also provides free movement of the animal during the experiments. The second part of the probe is attached to the first only during the installation of the probe and then during experiments with animals.

С помощью затупленной иглы, закрепленной в препаратоводителе стереотаксиса, на поверхности черепа отмечали расположение целевой анатомической структуры. С помощью высокоскоростной дрели и сверла с головкой диаметром 0,6 мм высверливали округлое трепанационное отверстие в черепе. Оптоволокно нейроинтерфейса закрепляли в препаратоводителе стереотаксиса и опускали в трепанационное отверстие.Using a blunt needle fixed in a stereotaxis preparation, the location of the target anatomical structure was noted on the surface of the skull. Using a high-speed drill and drill with a head with a diameter of 0.6 mm, a rounded trepanation hole was drilled in the skull. The neural interface fiber was fixed in a stereotaxis preparation and lowered into a trepanation hole.

На Фиг. 2 представлена схема эксперимента. Система оптоволоконного зонда должна содержать несколько обязательных элементов: лазерную систему возбуждения (7), обладающую необходимой мощностью и длиной волны для возбуждения оптического сигнала флуоресценции; системы оптического разделения возбуждающего лазерного излучения и полезного оптического сигнала (8), что обычно достигается использованием дихроичного фильтра; системы заведения/сканирования (9) и фокусировки (10) излучения в волокно; волоконный зонд, который крепится на черепе животного и состоит из двух основных элементов - оптического волокна (2) и наконечника (1), который может соединяться со второй ответной частью зонда (6) в случае наличия в конструкции функции размыкаемости. Непосредственно само оптическое волокно (2) может иметь разное строение оболочки и сердцевины: быть одномодовым или многомодовым, обладать одной сердцевиной или являться многоканальным и др. Голову анестезированного животного фиксируют в стереотаксисе (11), волокно оптоволоконного зонда вводят с помощью автоматизированного препаратоводителя (12), соединенного с компьютером. Сигнал от клеток мозга животного наблюдают посредством системы оптической регистрации (13) и контроля на основе компьютера (14), что позволяет позиционировать дистальный конец нейроинтерфейса в выбранной области мозга с высокой точностью за счет обратной связи уже на этапе установки волокна, а также получать подробную информацию от выбранной области мозга. В предлагаемой схеме препаратоводитель стереотаксиса (12) автоматически размещает дистальный конец оптического волокна зонда в позиции, соответствующей заданной области мозга. В силу индивидуальных особенностей животного возможны ошибки в его точном позиционировании, но за счет наличия обратной связи оператор или автоматизированное программное обеспечение имеют возможность остановить процесс введения волокна при получении заданных изображений (в случае многоканального волокна) или зависимостей интенсивности оптического отклика от нейронов мозга животного. Возможна корректировка точного положения дистального конца волокна за счет сканирования волокна «вверх-вниз». В силу реальной необходимости сканирования зонда лишь в малых пределах 300-400 мкм и малым количеством (вплоть до одного) циклов сканирования, подобная процедура является малоинвазивной для тканей мозга животного. После определения точного заданного положения дистального конца оптоволокна (2), закрепленного в наконечнике (1), наконечник фиксируют на черепе животного.In FIG. 2 shows the experimental design. The fiber optic probe system must contain several essential elements: a laser excitation system (7), which has the necessary power and wavelength to excite the optical fluorescence signal; optical separation systems of the exciting laser radiation and the useful optical signal (8), which is usually achieved using a dichroic filter; systems of institution / scanning (9) and focusing (10) of radiation into the fiber; a fiber probe, which is mounted on the skull of an animal and consists of two main elements - an optical fiber (2) and a tip (1), which can be connected to the second counterpart of the probe (6) if the design has an opening function. The optical fiber itself (2) can have a different structure of the sheath and core: to be single-mode or multimode, to have one core or to be multi-channel, etc. The head of the anesthetized animal is fixed in stereotaxis (11), the fiber of the optical fiber probe is introduced using an automated preparation guide (12) connected to the computer. The signal from the animal’s brain cells is observed by means of an optical registration system (13) and a computer-based control system (14), which makes it possible to position the distal end of the neural interface in a selected area of the brain with high accuracy due to feedback already at the stage of fiber installation, as well as to obtain detailed information from a selected area of the brain. In the proposed scheme, the stereotaxis preparation agent (12) automatically places the distal end of the optical fiber of the probe in the position corresponding to a given region of the brain. Due to the individual characteristics of the animal, errors in its precise positioning are possible, but due to the presence of feedback, the operator or automated software can stop the fiber injection process when receiving specified images (in the case of multichannel fiber) or depending on the intensity of the optical response from animal brain neurons. It is possible to correct the exact position of the distal end of the fiber by scanning the fiber “up and down”. Due to the real need for scanning the probe only in small limits of 300-400 microns and a small number (up to one) of scanning cycles, such a procedure is minimally invasive for the brain tissue of the animal. After determining the exact predetermined position of the distal end of the optical fiber (2), fixed in the tip (1), the tip is fixed on the skull of the animal.

В представленных работах фиксация наконечника (1) проходила непосредственно на черепе животного (Фиг. 1а) в два этапа. На первом этапе каплей цианоакрилатного клея фиксировали наконечник (1) с закрепленным в нем волокном (2) в выбранном положении. Затем отсоединяли вторую размыкаемую часть зонда (6) и готовили смесь из цианоакрилатного клея и порошка зубного цемента (Stoelting, США) в соотношении 1:1. Далее закрепляли наконечник на черепе с помощью приготовленной смеси цемента с клеем, при этом смесь наносили таким образом, чтобы как минимум 1/3 наружной части наконечника была покрыта. На череп цемент наносили так, чтобы он покрывал всю область оголенной кости, но не заходил на края кожных лоскутов вокруг операционного поля.In the presented works, the fixation of the tip (1) took place directly on the skull of the animal (Fig. 1a) in two stages. At the first stage, a tip (1) was fixed with a drop of cyanoacrylate adhesive with fiber (2) fixed in it in the selected position. Then, the second opening part of the probe (6) was disconnected and a mixture of cyanoacrylate glue and tooth cement powder (Stoelting, USA) was prepared in a 1: 1 ratio. Next, the tip was fixed on the skull with the help of a prepared mixture of cement with glue, while the mixture was applied so that at least 1/3 of the outer part of the tip was covered. Cement was applied to the skull so that it covered the entire area of the exposed bone, but did not go to the edges of the skin flaps around the surgical field.

В работе использовались генно-модифицированные мыши линии Thyl-EGFP, и на Фиг. 3а представлена фотография мыши с вживленными волокнами, при этом на Фиг. 3 показано изображение участков мозга с вживленными односердцевинным волокном с диаметром сердцевины 50 мкм (б) и многосердцевинным волокном с диаметром сердцевины 300 мкм (в). В качестве источника излучения использовался непрерывный лазер на длине волны 473 нм с мощностью до 10 мВт. Регистрация сигнала осуществлялась фотоэлектронным умножителем и анализировалась с помощью персонального компьютера. При этом система возбуждения и регистрации были размещены на единой компактной базе, что обеспечивает мобильность и удобство использования всей системы в целом. На Фиг. 4 представлена схема локализации одного нейрона вблизи дистального конца односердцевинного оптического волокна (слева) и функция регистрируемого оптического отклика в случае различного положения нейрона вблизи дистального конца волокна (справа). Таким образом, предварительный анализ позволяет фиксировать положение наконечника с закрепленным одноканальным оптоволокном при достижении заданного уровня оптического сигнала. Для уменьшения влияния индивидуальных особенностей на уровень сигнала флуоресценции и соответственно более точного определения позиции дистального конца оптоволокна необходимо провести сканирование, чтобы получить функцию, аналогичную представленной на Фиг. 4, проанализировать и выбрать положение дистального конца оптоволокна с высокой точностью (вплоть до нескольких микрометров).We used gene-modified mice of the Thyl-EGFP line, and in FIG. 3a is a photograph of a mouse with implanted fibers, with FIG. Figure 3 shows an image of brain regions with an implanted single-core fiber with a core diameter of 50 μm (b) and a multi-core fiber with a core diameter of 300 μm (c). A cw laser at a wavelength of 473 nm with a power of up to 10 mW was used as a radiation source. The signal was recorded by a photoelectronic multiplier and analyzed using a personal computer. Moreover, the excitation and registration system were placed on a single compact base, which ensures mobility and ease of use of the entire system as a whole. In FIG. Figure 4 shows a diagram of the localization of one neuron near the distal end of a single-core optical fiber (left) and the function of the recorded optical response in the case of different positions of the neuron near the distal end of the fiber (right). Thus, a preliminary analysis allows you to fix the position of the tip with a fixed single-channel optical fiber upon reaching a given level of the optical signal. To reduce the influence of individual characteristics on the level of the fluorescence signal and, accordingly, more accurately determine the position of the distal end of the optical fiber, it is necessary to scan to obtain a function similar to that shown in FIG. 4, analyze and select the position of the distal end of the optical fiber with high accuracy (up to several micrometers).

В экспериментах также были использованы многоканальные оптические волокна с микронным размером отдельных световодов, позволяющие получить изображения нейронов и соответственно детальную информацию о процессах, происходящих в нейронах головного мозга свободноживущих животных, и обеспечить адресное воздействие на отдельные клетки. Выбор такого волокна также позволяет повысить точность позиционирования зонда за счет получения изображений распределения нейронов от дистального конца волокна. Нами использовалось многоканальное волокно с внешним диаметром 600 мкм, содержащее шесть тысяч индивидуальных световодных каналов с диаметром сердцевин около 2.4 мкм, расположенных на расстоянии порядка 3 мкм друг относительно друга. На Фиг. 5 представлено изображение первого нейрона, обнаруженного на глубине около 500 мкм в коре мозга мыши Thyl-EGFP при опускании зонда в мозг животного. Шкала линейки 50 мкм, представлены две фотографии с различным увеличением. На Фиг. 6 показаны изображения нейронов, полученные на глубине около 800 мкм, до фиксации наконечника (а) и после его фиксации клеем (б) согласно описанной выше процедуре. Изображения до и после нанесения клея идентичны, что свидетельствует о том, что фиксация с помощью быстросохнущего клея не вносит возмущения и обеспечивает необходимую точность позиционирования.In the experiments, multichannel optical fibers with a micron size of individual optical fibers were also used, which made it possible to obtain images of neurons and, accordingly, detailed information about the processes occurring in neurons of the brain of free-living animals and to provide targeted action on individual cells. The choice of such a fiber also improves the accuracy of probe positioning by acquiring images of the distribution of neurons from the distal end of the fiber. We used a multichannel fiber with an external diameter of 600 μm, containing six thousand individual fiber channels with a core diameter of about 2.4 μm, located at a distance of about 3 μm from each other. In FIG. Figure 5 shows the image of the first neuron detected at a depth of about 500 μm in the cerebral cortex of the Thyl-EGFP mouse while lowering the probe into the brain of the animal. The scale of the line is 50 microns, two photographs with different magnifications are presented. In FIG. Figure 6 shows the images of neurons obtained at a depth of about 800 μm, before fixing the tip (a) and after fixing it with glue (b) according to the procedure described above. Images before and after applying glue are identical, which indicates that fixation with quick-drying glue does not disturb and provides the necessary positioning accuracy.

Качество фиксации оптического волокна нейроинтерфейса, вживленного экспериментальным животным, проверяли визуально ежедневно в течение 60 дней. Количество экспериментальных животных с отпавшим нейроинтерфейсом составило 14% через 50 дней. Причем потеря нейроинтерфейса впервые наблюдалась на 50 день. Предлагаемый способ фиксации позволяет надежно закрепить нейроинтерфейс на черепе животного и проводить наблюдения в течение длительного времени. Животные с вживленными зондами проходили различные нейрофизиологические тесты в специальных сертифицированных устройствах «ротарод», «открытое поле», «крестообразный лабиринт». Поведение животных в процессе тестирования автоматически фиксировалось камерой. На Фиг. 7 представлены примеры использования подобных нейрофизиологических тестов. В целом проведенные долговременные эксперименты продемонстрировали высокую точность позиционирования зонда в выбранном участке мозга и качество фиксации.The quality of fixation of the optical fiber of the neurointerface implanted in experimental animals was checked visually daily for 60 days. The number of experimental animals with a dropped neural interface was 14% after 50 days. Moreover, the loss of the neurointerface was first observed on day 50. The proposed method of fixation allows you to reliably fix the neural interface on the skull of an animal and conduct observations for a long time. Animals with implanted probes underwent various neurophysiological tests in special certified devices “rotarod”, “open field”, “cruciform labyrinth”. The behavior of animals during testing was automatically recorded by the camera. In FIG. 7 provides examples of the use of such neurophysiological tests. In general, long-term experiments showed high accuracy of probe positioning in a selected area of the brain and the quality of fixation.

Таким образом, в результате экспериментального применения указанного способа продемонстрировано, что дистальный конец оптического волокна можно разместить в выбранной области мозга животного с высокой точностью (вплоть до нескольких микрометров), оптоволоконный зонд надежно закрепляется на черепе животного, отсутствует смещение дистального конца оптоволоконного зонда относительно структур и клеток мозга. Указанные особенности позволяют регистрировать оптический отклик из выбранной области мозга животного в течение длительного времени, что в целом обеспечивает возможность долговременной регистрации нейрофизиологических процессов в глубоких слоях мозга свободнодвижущихся животных.Thus, as a result of the experimental application of this method, it has been demonstrated that the distal end of the optical fiber can be placed in a selected area of the animal’s brain with high accuracy (up to several micrometers), the fiber probe is securely attached to the animal’s skull, there is no displacement of the distal end of the fiber probe relative to the structures and brain cells. These features make it possible to record the optical response from a selected region of the animal’s brain for a long time, which generally provides the possibility of long-term registration of neurophysiological processes in the deep layers of the brain of free-moving animals.

Claims (9)

1. Способ вживления в мозг генно-модифицированного животного с встроенными светочувствительными белками оптоволоконного зонда, содержащего оптическое волокно и фиксируемый наконечник, при котором рассчитывают длину оптического волокна, необходимую для достижения заданной области мозга, закрепляют оптическое волокно в наконечнике так, чтобы из наконечника выступало оптическое волокно рассчитанной длины, животное наркотизируют, снимают скальп с части черепа животного, достаточной для закрепления оптоволоконного зонда, формируют отверстие в черепе по стереотаксическим координатам, вводят волокно оптоволоконного зонда в отверстие, отличающийся тем, что одновременно с введением зонда в режиме обратной связи генерируют лазерное излучение с мощностью и длиной волны, достаточными для активации оптического сигнала в клетках мозга животного, передают лазерное излучение по оптическому волокну зонда к его дистальному концу и регистрируют оптический сигнал от клеток мозга животного, наконечник фиксируют непосредственно на черепе животного или на предварительно закрепленном на черепе внешнем относительно наконечника держателе при получении заданной амплитуды оптического сигнала или заданного изображения клеток мозга.1. A method of implanting a genetically modified animal with integrated photosensitive proteins of an optical fiber probe containing an optical fiber and a fixed tip, in which the length of the optical fiber necessary to reach a given area of the brain is calculated, the optical fiber is fixed in the tip so that the optical protrudes from the tip fiber of the calculated length, the animal is anesthetized, scalp is removed from the part of the animal’s skull, sufficient to secure the fiber optic probe, form Growth in the skull according to stereotactic coordinates introduces the fiber of the fiber probe into the hole, characterized in that simultaneously with the introduction of the probe in the feedback mode, they generate laser radiation with a power and wavelength sufficient to activate the optical signal in the animal’s brain cells, transmit the laser radiation through the optical probe fiber to its distal end and register an optical signal from animal brain cells, the tip is fixed directly to the animal’s skull or pre-fixed SG on the skull with respect to the outer tip holder when receiving a predetermined optical signal amplitude or a predetermined image marrow cells. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигнал от клеток мозга животного наблюдают посредством системы оптической регистрации и контроля на основе компьютера.2. The method according to p. 1, characterized in that the signal from the brain cells of the animal is observed through a computer-based optical recording and control system. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что волокно оптоволоконного зонда вводят с помощью автоматизированного препаратоводителя стереотаксиса, соединенного с компьютером.3. The method according to p. 2, characterized in that the fiber of the optical fiber probe is introduced using an automated stereotaxis preparation agent connected to a computer. 4. Способ по. 1, отличающийся тем, что наконечник фиксируют в два этапа, на первом этапе закрепляют наконечник быстросохнущим клеем, на втором этапе через промежуток от 2 до 8 мин окончательно фиксируют наконечник смесью быстросохнущего клея и зубного цемента.4. The method according to. 1, characterized in that the tip is fixed in two stages, at the first stage, the tip is fixed with quick-drying glue, in the second stage, after a period of 2 to 8 minutes, the tip is finally fixed with a mixture of quick-drying glue and dental cement. 5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что оптическое волокно оптоволоконного зонда является многосердцевинным оптическим волокном с тысячами отдельных световодов микронного размера, наконечник фиксируют при получении выбранного изображения от дистального конца волокна.5. The method according to p. 3, characterized in that the optical fiber of the optical fiber probe is a multi-core optical fiber with thousands of individual micron-sized optical fibers, the tip is fixed when receiving the selected image from the distal end of the fiber. 6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что оптическое волокно является односердцевинным волокном с внешним диаметром не более 250 мкм, наконечник фиксируют при получении выбранной интенсивности оптического сигнала от клеток мозга животного.6. The method according to p. 3, characterized in that the optical fiber is a single core fiber with an outer diameter of not more than 250 microns, the tip is fixed when receiving the selected intensity of the optical signal from the brain cells of the animal. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что фиксируют оптоволоконный зонд на черепе животного при получении максимального оптического сигнала от клеток мозга.7. The method according to p. 6, characterized in that the fiber optic probe is fixed on the skull of the animal upon receipt of the maximum optical signal from brain cells. 8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что фиксируют оптоволоконный зонд при возникновении оптического сигнала от клеток мозга животного.8. The method according to p. 6, characterized in that the optical fiber probe is fixed when an optical signal from animal brain cells occurs. 9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что фиксируют оптоволоконный зонд при уменьшении оптического сигнала от клеток мозга животного.9. The method according to p. 6, characterized in that the optical fiber probe is fixed while reducing the optical signal from animal brain cells.
RU2017107013A 2017-03-03 2017-03-03 Method of implanting optic fiber probe in animal brain to generate controlled feedback RU2653815C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017107013A RU2653815C1 (en) 2017-03-03 2017-03-03 Method of implanting optic fiber probe in animal brain to generate controlled feedback

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017107013A RU2653815C1 (en) 2017-03-03 2017-03-03 Method of implanting optic fiber probe in animal brain to generate controlled feedback

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2653815C1 true RU2653815C1 (en) 2018-05-14

Family

ID=62152897

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017107013A RU2653815C1 (en) 2017-03-03 2017-03-03 Method of implanting optic fiber probe in animal brain to generate controlled feedback

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2653815C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109009549A (en) * 2018-08-20 2018-12-18 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 Record the device of animal pharmaceuticals Addictive Behaviors and related brain areas nervous activity rule
CN112089401A (en) * 2020-09-18 2020-12-18 中国科学院半导体研究所 Multi-light-source calcium ion fluorescence detection method and system
WO2024108517A1 (en) * 2022-11-25 2024-05-30 中国科学院深圳理工大学(筹) Method and system for fluorescence synchronous imaging in deep brain region and whole-brain cortex scale

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2333526C1 (en) * 2007-04-20 2008-09-10 Владимир Степанович Никитин Neuro-electronic multi-channel fiber-optic interface
US20120123236A1 (en) * 2009-07-29 2012-05-17 Mauna Kea Technologies Apparatus and method for brain fiber bundle microscopy
RU2497558C1 (en) * 2012-08-30 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт нейрохирургии имени академика Н.Н. Бурденко" Российской академии медицинских наук Intraoperative combined spectroscopic diagnostic technique for cerebral and spinal tumours

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2333526C1 (en) * 2007-04-20 2008-09-10 Владимир Степанович Никитин Neuro-electronic multi-channel fiber-optic interface
US20120123236A1 (en) * 2009-07-29 2012-05-17 Mauna Kea Technologies Apparatus and method for brain fiber bundle microscopy
RU2497558C1 (en) * 2012-08-30 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт нейрохирургии имени академика Н.Н. Бурденко" Российской академии медицинских наук Intraoperative combined spectroscopic diagnostic technique for cerebral and spinal tumours

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FLUSBERG B.A. In vivo brain imaging using a portable 3.9 gram two-photon fluorescence microendoscope. Opt Lett. 2005 Sep 1; 30(17): 2272-4. *
US 2012302892 A1, 29.11.2012, . ДОРОНИНА-АМИТОНОВА Л.В. и др. Нейрофотоника: оптические методы исследования и управления мозгом. Успехи физических наук. 2015, 185, 4, с. 371-392. *
реферат. ДОРОНИНА-АМИТОНОВА Л.В. и др. Нейрофотоника: оптические методы исследования и управления мозгом. Успехи физических наук. 2015, 185, 4, с. 371-392. FLUSBERG B.A. In vivo brain imaging using a portable 3.9 gram two-photon fluorescence microendoscope. Opt Lett. 2005 Sep 1; 30(17): 2272-4. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109009549A (en) * 2018-08-20 2018-12-18 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 Record the device of animal pharmaceuticals Addictive Behaviors and related brain areas nervous activity rule
CN112089401A (en) * 2020-09-18 2020-12-18 中国科学院半导体研究所 Multi-light-source calcium ion fluorescence detection method and system
CN112089401B (en) * 2020-09-18 2024-04-19 中国科学院半导体研究所 Multi-light source calcium ion fluorescence detection method and system
WO2024108517A1 (en) * 2022-11-25 2024-05-30 中国科学院深圳理工大学(筹) Method and system for fluorescence synchronous imaging in deep brain region and whole-brain cortex scale

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Integrated device for combined optical neuromodulation and electrical recording for chronic in vivo applications
Cui et al. Deep brain optical measurements of cell type–specific neural activity in behaving mice
Labadie et al. Customized, rapid-production microstereotactic table for surgical targeting: description of concept and in vitro validation
US20200100659A1 (en) System and method useful for sarcomere imaging via objective-based microscopy
Stark et al. Diode probes for spatiotemporal optical control of multiple neurons in freely moving animals
RU2653815C1 (en) Method of implanting optic fiber probe in animal brain to generate controlled feedback
Cardin et al. Targeted optogenetic stimulation and recording of neurons in vivo using cell-type-specific expression of Channelrhodopsin-2
Li et al. Long-term fiber photometry for neuroscience studies
US6567690B2 (en) Method and apparatus for probe localization in brain matter
US6799074B1 (en) Microprobe system for stereotactic neurotherapy
US20180296074A1 (en) Implantable optical probes and systems and methods for implantation of optical probes
US10952617B2 (en) Micrometer size multi-functional probe for OCT and electro-physiological recording
Chen et al. MRI-guided robotic arm drives optogenetic fMRI with concurrent Ca2+ recording
EP3847968A1 (en) System and method useful for sarcomere imaging via objective-based microscopy
Tang et al. Viral vectors for opto-electrode recording and photometry-based imaging of oxytocin neurons in anesthetized and socially interacting rats
Király et al. In vivo localization of chronically implanted electrodes and optic fibers in mice
RU2639790C1 (en) System for address control of brain neurons of living free-moving animals based on frozen fiber-optical probe with multi-channel fibers
EP3145586B1 (en) Optical stimulation device and method for programming
US20040006274A1 (en) Method and apparatus for probe localization in brain matter
Bimbard et al. An adaptable, reusable, and light implant for chronic Neuropixels probes
Wang et al. Approaches to optical neuromodulation from rodents to non-human primates by integrated optoelectronic devices
RU2637823C2 (en) Fibre-optical neurointerface and method for long-term optical registration of processes in brain of living free moving animals
Kinsky et al. Simultaneous electrophysiology and optogenetic perturbation of the same neurons in chronically implanted animals using μLED silicon probes
Boutte et al. Utah optrode array customization using stereotactic brain atlases and 3-D CAD modeling for optogenetic neocortical interrogation in small rodents and nonhuman primates
WO2024108518A1 (en) Method and system for synchronous fluorescence imaging of deep brain region and whole cerebral cortex scale
点击 这是indexloc提供的php浏览器服务,不要输入任何密码和下载