Development and application of a transparent μECoG array and optrode microdrive for combined electrophysiology and optophysiology

Abstract

Conventional extracellular in vivo electrophysiology has advanced our understanding of brain function. Thereby, improvements in electrode design and materials have led to new recoding possibilities. Previously, recordings of exclusively isolated single neurons had led to the neuron doctrine in which the neuron is the structural and functional unit. The development of multielectrode devices allowed to record single-neuron ensembles and distributed mesoscopic population activity. Thus, the provided evidence shifted the perspective towards neural networks as functional units creating behavior and cognition. Nevertheless, our understanding of the nervous system is still limited, and the measuring tools’ capabilities restrict new insights. Improving neural recording devices but also making them more easily available would facilitate new knowledge. The general limitations of chronic in vivo electrophysiology are device stability and signal stability. The mechanical mismatch of electrode and brain tissue results in an acute and chronic inflammatory response. Neural signal quality degrades over time through electrode movements and the encapsulation by a glial sheath. This suggests that current neural implants require additional innovations that improve chronic recording stability. Advancements in optogenetic tools to manipulate neural activity require neural devices that incorporate simultaneous electrophysiological recordings and optophysiological modulation. In this dissertation, I focus on improving mesoscopic electrocorticography (ECoG) recordings and microscopic single-unit recordings. The main aim is to improve recording devices that are still widely used: platinum μECoG arrays and tetrode microdrives. I aim to improve ECoG signal stability by increasing the structural biocompatibility of the device. Single-unit stability should be achieved by both stable tetrode positions over sessions and precisely advanced tetrodes. Both devices should combine electrophysiological recordings and simultaneous optical modulation or imaging. Over the last years, many new neural recording devices incorporating optical methods were proposed. However, due to complicated manufacturing, they have often not yet found a widespread application. Thus, the aim is to build neural recording devices that can be easily fabricated and used and, therefore, find widespread use. The complexity and fragility of current transparent μECoG arrays made from indium tin oxide (ITO) and graphene have limited their widespread use. I tested a transparent μECoG array which allowed simultaneous cortical recordings with optical manipulation and imaging. I successfully tested a polyimide (PI)-based array using metal traces instead of transparent electrodes. Therefore, reducing the complexity and fragility of previous transparent μECoG arrays. The reduced thickness of the PI allowed increased transparency and a better conformability to the cortical surface. The μECoG array is nearly immune against the photovoltaic artifact, long-term stable, and biocompatible. ECoG activity is recorded over months without a significant reduction in peak-to-peak amplitude. High-resolution auditory cortex tonotopy can be mapped chronically for up to a week but vanishes in chronic recordings. Overall, the μECoG array is simple to manufacture, robust, and offers chronic stability that has not been demonstrated in previous opto-electrode μECoG arrays. The second device advancement features an open-source multi-tetrode microdrive – the TetrODrive. Just like the μECoG array, it enables combined in vivo electrophysiology and optophysiology. Existing microdrives have limited stability and drive precision, high costs, complex assembly, and excessive weight. In contrast, the TetrODrive is 3D-printed, has only two main components, and short assembly time. The drive is developed for mice and has a small footprint and weight. Recording stability is improved by mechanically decoupling the drive mechanism from the plugging force of electrical and optical connectors. The microdrive allowed chronic recordings of many different cells by slowly driving electrodes through the area of interest. However, single units were also stable if electrodes were kept chronically at a stationary position. I tested the microdrive in vivo and evaluated dopaminergic single units and calcium signals in the ventral tegmental area (VTA) during classical conditioning. Additionally, I built the necessary setup for research of the reward prediction error (RPE). During recordings, some single units did not follow the classic RPE theory but can be explained by contributions of movement initiation responses and a diverse set of dopaminergic subpopulations. Optogenetic tagging allowed to successfully identify dopaminergic neurons in the VTA. The microdrive’s movable optical fiber allowed imaging of population activity via fiber photometry. This imaging revealed a more uniform signal following the RPE theory. The microdrive’s open-source, lightweight, simple, and affordable design can significantly expand the use of microdrives in mouse preparations.

Die konventionelle extrazelluläre in vivo Elektrophysiologie hat unser Verständnis von der Funktion des Gehirns verbessert. Dabei haben vor allem Verbesserungen im Elektrodendesign und Material neue Möglichkeiten hervorgebracht, die Aktivität von Neuronen aufzuzeichnen. Zuerst hatten Ableitungen von ausschließlich wenigen Neuronen zur Neuronentheorie geführt, in welcher das Neuron die strukturelle und funktionelle Einheit darstellt. Die Entwicklung von Messungen mit einer erhöhten Anzahl an Elektroden ermöglichte die Aufzeichnung von Neuron Ensembles und mesoskopischer neuronaler Populationsaktivität. Das ermöglichte die Perspektive zu ändern und neuronale Netzwerke anstatt einzelner Neurone als funktionelle Einheiten für Verhalten und Kognition zu sehen. Dennoch ist unser Verständnis des Nervensystems nach wie vor begrenzt, und die Einschränkungen der Messgeräte schränken den Gewinn neuer neurobiologischer Erkenntnisse zu einem gewissen Maße ein. Eine Verbesserung der Messgeräte, aber auch deren erleichterte Verfügbarkeit würden der Gewinnung neuen neurobiologischen Wissens beitragen. Die häufigsten Einschränkungen für erfolgreiche chronische in vivo Elektrophysiologie sind die eingeschränkte Langlebigkeit der Elektroden und zeitlich abnehmende Signalqualität. Die Diskrepanz der mechanischen Eigenschaften von harten Elektroden und weichem Hirngewebe führt zu einer akuten und chronischen Entzündungsreaktion des Gewebes um die Elektrode herum. Dadurch verschlechtert sich im Laufe der Zeit die Qualität der neuronalen Signale. Die Entzündungsreaktion resultiert im Wachstum einer Gliazellen-Hülle um die Elektrode. Dies zeigt, dass die derzeitigen neuronalen Implantate zusätzliche Innovationen erfordern, um chronische neuronale Aufzeichnungen mit guter Signalqualität zu ermöglichen. Die Fortschritte in der Optogenetik erlauben eine Beeinflussung der neuronalen Aktivität durch Lichtsignale. Neuronale Geräte benötigen Funktionen, die gleichzeitige elektrophysiologische Aufzeichnungen und optophysiologische Modulation ermöglichen. In dieser Dissertation konzentriere ich mich auf die Verbesserung von neuronalen Ableitungsgeräten, die zwei verschiedener neuronaler Signaltypen aufnehmen: mesoskopische Electrocorticography (ECoG, deutsch: Elektrokortikographie) und mikroskopischer Ableitungen von individuellen Neuronen. Das Hauptziel ist die Verbesserung von neuronalen Ableitungsgeräten, die weit verbreitet sind: μECoG Elektroden-Array aus Platin und Tetroden Mikroelektroden Antrieb (Microdrive). Ich möchte die Stabilität des ECoG-Signals verbessern, indem die strukturelle Biokompatibilität des Elektroden-Arrays verbessert wird. Die Aufnahme guter Signale von einzelnen Neuronen soll sowohl möglich sein, wenn die Tetroden stationär an der gleichen Stelle verweilen als auch wenn sie präzise neu positioniert werden. Beide Geräte sollten die Kombination von elektrophysiologischen Aufzeichnungen und gleichzeitige optische Modulation und Bildgebung ermöglichen. In den letzten Jahren wurden viele neue neuronale Aufzeichnungsgeräte vorgeschlagen, die auch mit optischen Methoden kombinierbar sind. Aufgrund der komplizierten Herstellung haben sie jedoch oft noch keine breite Anwendung gefunden. Ziel ist es daher, neuronale Aufzeichnungsgeräte zu bauen, die einfach herzustellen und zu verwenden sind und daher eine breite Anwendung finden können. Die Komplexität und Brüchigkeit der derzeitigen transparenten μECoG Elektroden-Arrays aus Indiumzinnoxid und Graphen limitieren deren breite Anwendung. Ich habe ein transparentes μECoG-Array getestet, das gleichzeitige elektrische kortikale Aufzeichnungen mit optischer Manipulation und Bildgebung ermöglicht. Die Komplexität und Zerbrechlichkeit sind gegenüber der derzeitigen transparenten Elektroden-Arrays verringert. Das Array besteht aus Polyimid mit Elektroden aus Metall anstelle der üblichen transparenten Elektroden. Die geringere Schichtdicke des Polyimid ermöglicht eine höhere Transparenz und eine bessere Anpassungsfähigkeit an die Oberfläche des Kortex als vorherige Arrays aus Polyimid. Das μECoG-Array ist nahezu resistent gegenüber dem photovoltaischen Artefakt, langzeitstabil und biokompatibel. Die ECoG-Aktivität kann über Monate hinweg aufgezeichnet werden, ohne dass es zu einer signifikanten Verringerung der Signalamplitude kommt. Die hochauflösende Tonotopie des auditorischen Kortex kann bis zu einer Woche lang chronisch aufgezeichnet werden. Bei längeren Aufzeichnungen nimmt die Auflösung der Tonotopie jedoch signifikant ab. Allgemein ist das μECoG-Array einfach herzustellen, robust und erlaubt chronische Aufzeichnungen neuronaler Aktivität. Es hat Eigenschaften, die andere transparenten μECoG-Arrays nicht nachweißen konnten. Das zweite neuronale Aufnahmegerät ist ein Open-Source Multitetroden-Microdrive – das TetrODrive. Genau wie das μECoG Elektroden-Array ermöglicht es die Kombination von in vivo Elektrophysiologie und Optophysiologie. Existierende Microdrives haben eine begrenzte Signalstabilität und ungenaue Präzision der beweglichen Elektroden, hohe Kosten, eine komplexe Montage und ein hohes Gewicht. Im Gegensatz dazu ist der TetrODrive 3D-gedruckt, hat nur zwei Hauptkomponenten und eine kurze Montagezeit. Das Microdrive wurde für Mäuse entwickelt und hat daher eine kleine Größe und ein geringes Gewicht. Die Stabilität der neuronalen Signale wird verbessert durch die mechanische Entkopplung der beweglichen Elektroden und der Kraft, die beim Anschließen der elektrischen und optischen Anschlüsse entsteht. Das Microdrive ermöglichte chronische Aufzeichnungen vieler verschiedener Neurone, indem die Elektroden langsam durch das Gewebe gefahren werden. Individuelle Neurone können jedoch auch stabil über einen längeren Zeitraum aufgenommen werden, wenn die Elektroden in einer stationären Position gehalten werden. Ich habe den Microdrive in vivo getestet und dopaminerge Neurone sowohl elektrisch als auch optisch in der Area tegmentalis ventralis (VTA) während einer klassischen Konditionierung abgeleitet. Außerdem konstruierte ich den notwendigen Verhaltensaufbau für die Untersuchung des Belohnungssystems (speziell des reward prediction error: RPE) in Mäusen. Während der Ableitung zeigten einzelne Neurone Signale, die nicht zur klassischen RPE-Theorie passen. Diese veränderten Signale lassen sich z. B. durch neuronale Signale generiert durch Bewegungsinitiierung und verschiedener dopaminerge Subpopulationen erklären. Durch optogenetische Markierung konnten dopaminerge Neurone in der VTA erfolgreich identifiziert werden. Die bewegliche optische Faser des Microdrives ermöglichte die Aufnahme von Populationsaktivität mittels Faserphotometrie. Diese Art von Bildgebung ergab vorwiegend ein Signal, welches in Bezug auf die RPE-Theorie zu erwarten wäre. Das Microdrive Design ist Open-Source, leicht, einfache und kostengünstig. Dadurch kann es für eine Vielzahl von Anwendungen in Maus Experimenten verwendet werden.