研究目的
研究GNR辅助光热刺激技术在无需基因改造的情况下调控单个神经元活动的潜力,重点关注抑制效应、热损伤阈值、时空分辨率及网络影响。
研究成果
研究表明,在适当激光功率下,GNR辅助的光热刺激能有效抑制单个神经元活动,具有高时间分辨率(可达20毫秒脉冲)和可重复性且不会造成热损伤。该技术通过改变放电模式实现神经网络功能图谱绘制,显示出体内应用和环路分析的潜力。未来工作应聚焦于电生理机制研究和体内验证。
研究不足
该技术需要神经元与石墨烯纳米带之间紧密接触,在所有实验装置中可能难以实现。较高激光功率下(阈值约16毫瓦)会产生热损伤,限制了安全操作范围。本研究采用体外培养神经元进行,其对体内系统的适用性尚需进一步验证??占浞直媛适芙焱夤饩劢钩叽缦拗疲ㄖ本对?0微米)。
1:实验设计与方法选择:
采用金纳米棒(GNRs)与多电极阵列(MEA)芯片集成的纳米等离子体方法,结合聚焦近红外(NIR)光进行局部光热刺激以抑制单个神经元活动。设计包括优化GNR长径比以实现NIR吸收,并使用PEG涂层防止团聚和细胞摄取。
2:样本选择与数据来源:
培养于GNR-MEA芯片上的E18大鼠胚胎海马神经元,设置低密度(100个细胞/mm2)和高密度(600个细胞/mm2)以研究孤立神经元和网络神经元。通过细胞外锋电位记录获取数据。
3:实验设备与材料清单:
通过种子介导法合成的GNRs;MEA芯片(60通道,TiN电极,直径30微米,间距200微米,绝缘层Si3N4,厚度500纳米);倒置显微镜(Olympus IX71);NIR激光器(785纳米,450毫瓦,B&W Tek);准直器(THORLABS,焦距8.0毫米,数值孔径0.5);物镜(Olympus,50倍,数值孔径0.65);sCMOS相机(HAMAMATSU C11440);功率计(Gentec-EO XLP12-3S-H2);刺激器(STG 2004,Multi Channel Systems);放大器(Multi Channel Systems);用于数字化的USB-ME64系统;用于数据分析的NeuroExplorer和MATLAB;用于活力检测的Calcein A.M.试剂盒。
4:0毫米,数值孔径5);物镜(Olympus,50倍,数值孔径65);sCMOS相机(HAMAMATSU C11440);功率计(Gentec-EO XLP12-3S-H2);刺激器(STG 2004,Multi Channel Systems);放大器(Multi Channel Systems);用于数字化的USB-ME64系统;用于数据分析的NeuroExplorer和MATLAB;用于活力检测的Calcein A.M.试剂盒。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:神经元培养于GNR-MEA上;通过显微镜将NIR光聚焦于目标神经元;调节激光功率(4-19毫瓦)进行刺激;记录刺激期间及之后的电信号;刺激后进行活力测试;分析锋电位率和连接性数据。
5:数据分析方法:
使用阈值方法过滤和检测细胞外锋电位;量化锋电位率变化;进行统计分析(方差分析、配对T检验)以评估抑制效应和连接性;基于相关活动绘制功能连接图谱。
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inverted microscope
IX71
Olympus
Used for live imaging of neurons and focusing NIR light onto target cells.
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collimator
f=8.0 mm, NA=0.5
THORLABS
Collimates the NIR laser light for guidance into the microscope.
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sCMOS camera
C11440
HAMAMATSU
Captures bright-field images of neurons during experiments.
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stimulator
STG 2004
Multi Channel Systems
Controls the switching of the NIR laser via TTL pulses.
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amplifier
Customized, gain 1000, bandwidth 150 Hz to 4 kHz
Multichannel systems
Amplifies extracellular electrical signals from neurons.
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digitizer
USB-ME64-system
Multi Channel Systems
Digitizes amplified neural signals for analysis.
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NIR laser
785 nm, 450 mW
B&W Tek
Light source for photothermal stimulation, emitting near-infrared light at 785 nm wavelength.
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power meter
XLP12-3S-H2
Gentec-EO
Measures the output power of the focused NIR light.
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ultrasonication bath
BRANSON 5510
US
Used in the synthesis of gold nanorods for mixing solutions.
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MEA chip
60 channels, TiN electrode, diameter 30 μm, spacing 200 μm, insulation: Si3N4, 500 nm
Platform for culturing neurons and integrating GNRs, used for electrical recording and photothermal stimulation.
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