CMOS-MEA5000システム

 

細胞の伝播速度、ネットワークを見たいという方へお勧めです。MCS社CMOS-MEAは、4000個以上の記録電極、1000個以上の刺激電極を搭載し、空間分解能を限界まで高めたシステムです。高密度に配列された電極アレイは細胞間のシグナルの伝播やネットワークを観察するのに適しており、まるで電気生理イメージングのようにグラフィカルなデータを得ることができます。

アプリケーション例:

○神経培養細胞

○網膜スライス

○脳スライス

○iPS細胞など、、、

PCとの接続を仲介するインターフェースボードとヘッドステージのみで動作するため、動作環境は非常にシンプルです。ソフトウェアは無償アップデート可能なCMOS-MEA-Tools / Controlが付属しております。


CMOS-MEAs


CMOS-MEA
 

専用チップは、CMOS (Complemetary Metal Oxide Semiconductor) 技術を基盤としており、電気生理の高解像度イメージングを容易にしています。

CMOSチップは培養ディッシュとしても活用できますので、急性実験だけでなく、慢性的な長期培養にも有効です。

  • TiO2/ZrO2半導体を採用
  • 電極は、高度な耐久性と良好なS/N比が得られるTiNを採用
  • 記録電極:4225ch (65ch x 65ch レイアウト)
  • 刺激電極:1024ch (32ch x 32ch レイアウト)
  • 電極直径 8 µm
  • 電極間隔 16 µm (@1 mm2) or 32 µm (@4 mm2)

培養用 CMOS-MEA16/32-CC

直径Φ6mmの窪みに細胞を培養します

スライス用 CMOS-MEA16/32-SCB

エリア8 x 8.5mmにスライスを固定します。通常のフロー系に用いることができます。

スライス用(層流) CMOS-MEA16/32-SCA

エリア8 x 8.5mmにスライスを固定します。層流チャンバー構造になっています。



電気生理イメージングデータ


軸索のシグナル伝播計測
 

ラット網膜の神経節細胞に光刺激を行ない、軸索上にシグナルが伝播していく様子を観察したものです。

 
参考文献:H.Stutzki et al 2014
 

ソフトウェアのCMOS-MEA-ToolsのSpike Triggered Averagesを使用すると、特定のチャンネルに記録されたスパイクに関連するイベントを分離することができます。 この方法は、ノイズに隠れている小さな信号を強化し、例えば、軸索および樹状突起に沿って移動する信号を可視化することができます。そのため、右の動画のようにセンサー領域に沿った信号をイメージングのように映し出すことができます。

軸索のシグナルが直線的に伝播していく様子



神経培養細胞のネットワーク
 
神経細胞をCMOS-MEA上に培養したケースです。CMOS-MEAが有する電極サイズは8 µmと細胞と同程度のサイズであることと、電極数が4000個以上をあることで、数100個以上の細胞間のシグナル伝播を観測することができます。

左:神経培養細胞 右:電気生理イメージング



スパイクソーティング
 
CMOS-MEA Toolsソフトウェアで実装されたスパイクソートは、個々の細胞の信号を記録する複数のセンサーによって収集された情報を利用します。 これにより、完全自動化されたスパイクソートが可能になります。 アルゴリズムのすべてのパラメータを手動で変更したり、簡単なスライダーインターフェイスで感度を調整したりすることができます。

CMOS-MEA-Toolsのスパイクソーティング画面



器官培養系海馬スライス
 
スパイクだけでなく、LFPも正確にマッピングすることができ、記録された活動から解剖学的構造を推測することが可能です。
右図は海馬の器官培養スライスにビククリンを作用させたデータです。

海馬LFPのシグナル



ソフトウェア -CMOS-MEA-Control/Tools


CMOS-MEAシステムには4000電極のシグナルを同時に記録するためにパワフルなソフトウェアが用意されています。メイン画面に電気生理イメージングを据えて、活動電位が起こっている場所やシグナルの伝播をオンラインで表示されます。

ソフトウェアの詳細はこちらまで



仕様と構成

 
チャンネル数 4225
刺激電極数 1024
サンプリングレート 最大25 kHz/ch
刺激制御 3パターン独立
温度制御 ヒーター内蔵, 室温 ~ 50℃
PCインターフェース USB3.0
I/O アナログ入力8ch, 16bitデジタルI/O
対応ソフトウェア CMOS-MEA-Control (記録)
CMOS-MEA-Tools (解析)
型式 品名
CMOS-MEA5000-System CMOS-MEA5000システム
  • CMOSヘッドステージ
  • インターフェース
  • 温度コントローラ
  • PC
  • ソフトウェア
CMOS-MEA32-XX
※培養細胞はCC、スライスはSCBまたはSCAを
型式末尾に入れてください。
CMOSチップ, 電極間隔32 µm
CMOS-MEA16-XX
※培養細胞はCC、スライスはSCBまたはSCAを
型式末尾に入れてください。
CMOSチップ, 電極間隔16 µm

文献リスト

 

Yger P, Spampinato GL, Esposito E, Lefebvre B, Deny S, Gardella C, Stimberg M, Jetter F, Zeck G, Picaud S, Duebel J, Marre O (2018) A spike sorting toolbox for up to thousands of electrodes validated with ground truth recordings in vitro and in vivo. Elife 7.

Bertotti G, Jetter F, Keil S, Dodel N, Schreiter M, Wolansky D, Boucsein C, Boven KH, Zeck G (2017) Optical Stimulation Effects on TiO2 Sensor Dielectric Used in Capacitively-Coupled High-Density CMOS Microelectrode Array. IEEE Electron Device Letters 38.

Zeck G, Jetter F, Channappa L, Bertotti G, Thewes R (2017) Electrical Imaging: Investigating Cellular Function at High Resolution. Advanced Biosystems:1700107-n/a.

Leibig C, Wachtler T, Zeck G (2016) Unsupervised neural spike sorting for high-density microelectrode arrays with convolutive independent component analysis. Journal of Neuroscience Methods 271:1-13.

Yger P, Spampinato GLB, Esposito E, Lefebvre B, Deny S, Gardella C, Stimberg M, Jetter F, Zeck G, Picaud S, Duebel J, Marre O (2016) Fast and accurate spike sorting in vitro and in vivo for up to thousands of electrodes. bioRxiv.

Bertotti G, Velychko D, Dodel N, Keil S, Wolansky D, Tillak B, Schreiter M, Grall A, Jesinger P, Möller A, Boven KH, Röhler S, Eickenscheidt M, Stett A, Zeck G, Thewes R (2014) A CMOS-Based Sensor Array for In-Vitro Neural Tissue Interfacing with 4225 Recording Sites and 1024 Stimulation Sites. In: BioCAS. Lausanne.

Eickenscheidt M, Zeck G (2014) Action potentials in retinal ganglion cells are initiated at the site of maximal curvature of the extracellular potential. J Neural Eng 11:036006.

Stutzki H, Leibig C, Andreadaki A, Fischer D, Zeck G (2014) Inflammatory stimulation preserves physiological properties of retinal ganglion cells after optic nerve injury. Front Cell Neurosci 8:38.

Eickenscheidt M, Jenkner M, Thewes R, Fromherz P, Zeck G (2012) Electrical stimulation of retinal neurons in epiretinal and subretinal configuration using a multicapacitor array. J Neurophysiol 107:2742-2755.

Zeck G, Lambacher A, Fromherz P (2011) Axonal transmission in the retina introduces a small dispersion of relative timing in the ganglion cell population response. PLoS ONE 6:e20810.