Ultrasoft and Highly Stretchable Hydrogel Optical Fibers for In Vivo Optogenetic Modulations,Advanced Optical Materials

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Ultrasoft and Highly Stretchable Hydrogel Optical Fibers for In Vivo Optogenetic Modulations
Advanced Optical Materials ( IF 8.0 ) Pub Date : 2018-06-10 , DOI: 10.1002/adom.201800427
Lulu Wang _{1,

2} , Cheng Zhong ₁ , Dingning Ke ₃ , Fengming Ye _{1,

2} , Jie Tu ₁ , Liping Wang ₁ , Yi Lu ₁

Affiliation

Optogenetics has been widely applied as a cell‐specific technique with high temporal resolution for the modulation of neural circuitry in vivo, offering potential novel treatments for neuropsychiatric diseases. However, to date, the most widely used optogenetics waveguides remain silica optical fibers, which may lead to a mismatch in the mechanical properties between the implants and neural tissues. To resolve this issue, alginate‐polyacrylamide hydrogel optical fibers can be fabricated in a simplified one‐step process, and they show significantly improved characteristics for the in vivo optogenetic applications, including low light‐propagation loss and Young's modulus, and high stretchability. After the expression of AAV‐CaMKIIα‐ChR2‐mCherry, blue light pulses are delivered into hippocampus using a hydrogel‐optrode array, and frequency‐dependent neural responses can be observed. Moreover, optogenetic stimulation through the chronic implanted hydrogel optical fibers in the primary motor cortex can considerably modulate the animal's behavior. Hydrogel fibers significantly alleviate tissue response at the implant/neural interface, compared with that observed using the silica optical fibers. Taken together, the results of this study demonstrate the feasibility and advantages of the hydrogel optical fiber use for chronic optogenetic modulation in free‐moving animals. Hydrogel implant use may allow the development of novel therapeutic strategies for the treatment of neuropsychiatric disorders.

中文翻译：

用于体内光遗传学调制的超柔软和高拉伸性水凝胶光纤

光遗传学已作为一种具有高时间分辨率的特定于细胞的技术被广泛应用于体内神经回路的调节，为神经精神疾病提供了潜在的新型治疗方法。但是，迄今为止，使用最广泛的光遗传学波导仍然是二氧化硅光纤，这可能导致植入物和神经组织之间的机械性能不匹配。为了解决这个问题，藻酸盐-聚丙烯酰胺水凝胶光纤可以通过简化的一步法制造，它们在体内光遗传学应用中显示出显着改善的特性，包括低的光传播损耗和杨氏模量，以及高拉伸性。在表达AAV-CaMKIIα-ChR2-mCherry之后，使用水凝胶-电极阵列将蓝光脉冲传递到海马体中，可以观察到与频率有关的神经反应。此外，通过在初级运动皮层中长期植入水凝胶光纤进行光遗传学刺激可以显着调节动物的行为。与使用二氧化硅光纤观察到的相比，水凝胶纤维显着减轻了植入物/神经界面处的组织反应。两者合计，这项研究的结果证明了水凝胶光纤用于自由活动动物的慢性光遗传学调制的可行性和优势。使用水凝胶植入物可以允许开发用于治疗神经精神疾病的新颖治疗策略。通过在初级运动皮层中长期植入水凝胶光纤进行光遗传学刺激可以极大地调节动物的行为。与使用二氧化硅光纤观察到的相比，水凝胶纤维显着减轻了植入物/神经界面处的组织反应。两者合计，这项研究的结果证明了水凝胶光纤用于自由活动动物的慢性光遗传学调制的可行性和优势。使用水凝胶植入物可以允许开发用于治疗神经精神疾病的新颖治疗策略。通过在初级运动皮层中长期植入水凝胶光纤进行光遗传学刺激，可以极大地调节动物的行为。与使用二氧化硅光纤观察到的相比，水凝胶纤维显着减轻了植入物/神经界面处的组织反应。两者合计，这项研究的结果证明了水凝胶光纤用于自由活动动物的慢性光遗传学调制的可行性和优势。使用水凝胶植入物可以允许开发用于治疗神经精神疾病的新颖治疗策略。这项研究的结果证明了水凝胶光纤在自由活动的动物中进行慢性光遗传学调制的可行性和优势。使用水凝胶植入物可以允许开发用于治疗神经精神疾病的新颖治疗策略。这项研究的结果证明了水凝胶光纤在自由活动的动物中进行慢性光遗传学调制的可行性和优势。使用水凝胶植入物可以允许开发用于治疗神经精神疾病的新颖治疗策略。

更新日期：2018-06-10

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