Versatile LCP surface microelectrodes for combining electrophysiology and in vivo two-photon imaging in the murine CNS

Abstract

Neurons and astrocytes are highly interconnected and form a complex cellular network for signal processing in the brain. The electrical activity of neurons and astroglial Ca2+ signals are tightly coupled. Parallel recording of electrical activity and Ca2+ signals can help to identify the molecular mechanisms of neuron-glia communications. In this work, flexible liquid crystal polymer microelectrode arrays for electrical recordings and stimulations during two-photon laser-scanning microscopy (2P-LSM) were developed. The arrays were designed for standard craniotomies used for cortical 2P-LSM in vivo imaging. Being of low weight, thin and flexible, they can be easily positioned between the dura mater and the glass coverslip. Three different designs were constructed: arrays (1) with eight circular electrodes (arranged in a matrix of three by three elements, sparing the center), (2) with sixteen circular electrodes (four by four matrix) and (3) with eight rectangular electrodes (placed in four groups of 2 single sites). The initial contact sites of gold were coated with nanoporous platinum to decrease the impedance of the electrode tissue contacts and to increase the charge transfer capability. The biocompatibility of the electrodes was confirmed by immuno-histochemistry. Electrical recordings and Ca2+-imaging were performed in mice with neuronal or astroglial expression of the genetically encoded Ca2+-sensor GCaMP3. With the sixteen channel electrode arrays, an estimation of the spatially resolved electrical activity pattern within the cranial window could be described. The eight channel arrays were used in studies for simultaneous acquisition of Ca2+ (using 2P-LSM) and electrical signals. In addition, Ca2+ signals could be elicited by electrical stimulation. Using different stimulation intensities and depth of anesthesia, the change of brain activity during transition from anesthetized to awake state was investigated. In addition, the LCP technology was transferred from the cortical to a spinal cord application.

Neurone und Astrozyten bilden ein komplexes interagierendes zellulares Netzwerk zur Signalverarbeitung im Gehirn. Dabei sind die elektrische Aktivitäten der Nervenzellen und die Ca2+ Signale der Astrozyten eng aneinander gekoppelt. Parallele Aufzeichnungen der elektrischen Aktivität und der Ca2+ Signale können helfen, die molekularen Mechanismen der Neuron-Glia-Kommunikation zu identifizieren. Innerhalb dieser Arbeit wurden flexible Flüssigkristall-Polymer-Mikroelektrodenarrays für elektrische Aufzeichnungen und Stimulationen für die Zwei-Photonen-Laserscan- Mikroskopie (2P-LSM) entwickelt. Die Elektrodenarrays wurden für Standard-Kraniotomien entwickelt, die für die kortikale in vivo 2P-LSM verwendet werden. Sie sind dünn, flexibel und von geringem Gewicht und können leicht auf der Dura positioniert werden. Drei verschiedene Designs wurden konstruiert: Arrays (1) mit acht runden Elektroden (angeordnet in einer drei mal drei Matrix, ohne die mittlere Elektrode), (2) mit sechzehn kreisförmigen Elektroden (vier mal vier Matrix) und (3) mit acht rechteckigen Elektroden (angeordnet in vier Gruppen von zwei einzelnen Standorten). Die ursprünglichen Elektrodenkontakte aus Gold wurden mit nanoporösem Platin beschichtet, um die Gewebekontaktimpedanz zu verringern und die Ladungsübertragungsfähigkeit zu erhöhen. Die Biokompatibilität der Elektroden immunhistochemisch getestet. Elektrische Aktivität und Ca2+ Signale wurden bei Mäusen mit neuronaler oder astroglialer Expression des Ca2+-Indikators GCaMP3 aufgezeichnet. Mit den sechzehn Kanal-Elektroden-Arrays konnten die elektrische Aktivität entlang der Kortexoberfläche innerhalb der Kraniotomie charakterisiert werden. Die achtkanaligen Arrays wurden zur gleichzeitigen Erfassung von Ca2+ (mit 2P-LSM) und elektrischen Signalen verwendet. Darüber hinaus konnten Ca2+ Signale durch elektrische Stimulation hervorgerufen werden. Mit verschiedenen Stimulationsintensitäten und der Tiefe der Anästhesie (Isofluran) wurde die Veränderung der Hirnaktivität beim Übergang von anästhesiert zu wach beobachtet. Zusätzlich konnte die Flüssigkristall-Polymer -Technologie von der kortikalen auf die spinale Anwendung übertragen werden.