Summary
Elektroden-vev grensesnitt av nevrale opptak elektroder kan karakteriseres med elektrisk impedans spektroskopi (EIS) og syklisk voltammetry (CV). Anvendelse av spenning biasing endringer de elektrokjemiske egenskaper elektrode-vev-grensesnitt og kan forbedre innspillingen evnen. Spenning administratorinnstilling, EIS, CV, og nevrale innspillinger er komplementære.
Abstract
Elektrisk impedans spektroskopi (EIS) og syklisk voltammetry (CV) måler egenskaper for elektrode-vev grensesnitt uten ytterligere invasive prosedyrer, og kan brukes til å overvåke elektrode ytelse over lang sikt. EIS måler elektrisk impedans på flere frekvenser, og økninger i impedans indikerer økt glial arrdannelse rundt enheten, mens syklisk voltammetry måler kostnad bæreevnen til elektroden, og viser hvordan ansvaret overføres på ulike spenningsnivåer. Som implanterte elektroder alder, EIS og CV data endres, og elektrodestedene som tidligere innspilte spiking nevroner viser ofte betydelig lavere effekt for nevrale opptak. Anvendelsen av en kort spenning puls til implantert elektroder matriser, kjent som foryngelse, kan bringe tilbake spiking aktivitet på ellers tause elektrodestedene for en periode. Foryngelse endrer EIS og CV, og kan overvåkes av disse komplementære metodene. Vanligvis er EIS måles daglig som en indikasjon på vev respons ved elektroden stedet. Hvis piggene er fraværende i en kanal som tidligere hadde pigger, så CV brukes til å avgjøre tiltalen bæreevnen til elektrode stedet, og foryngelse kan brukes til å forbedre grensesnittet effekt. CV og EIS blir deretter gjentas for å sjekke endringene på elektrode-vev-grensesnitt, og nevrale innspillinger er samlet. Det overordnede målet for foryngelse er å forlenge den funksjonelle levetiden implantert arrays.
Protocol
1. Sett opp Elektrokjemi Instrument
- Elektrokjemi instrumentering for eksempel en Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, NL) er nødvendig for EIS, CV og foryngelse. Den FRA2 add-on gjør EIS, og kanalen multiplekser (MUX) add-on er nyttig for å teste flerkanals elektroder.
- Bygg en headstage adapter for å koble kanalen MUX til headstage.
- Gjør de tilkoblinger. Koble arbeids-og sensing elektroder til kanalen MUX, og koble referanse og telleren elektroder til den delen av headstage adapteren er koblet til løpende avkastning banen, typisk en implantert i rustfritt stål eller titan bein skrue.
2. Elektrisk Impedans spektroskopi
- Start Frekvensrespons Analyzer (FRA) programvare, og verifisere Prosedyre filinnstillingene. Prosedyren bør settes for å teste to multi-sinus-kurver som hver består av 15 Sines samtidig fra 10 Hz til 30kHz. Spenningen bør være 25 mV eller mindre (se utfyllende metoder).
- Åpne og redigere prosjekt-filen. Prosjektet bruker Procedure filen, looper gjennom hver kanal, og lagrer resultatet (se utfyllende metoder).
- Koble dyr gjenstand med en passiv (ingen forsterkere) headstage. Aktive headstages vil ikke passere inngangssignaler.
- Gjennomføre prosjektet filen. Hver kanal tar titalls sekunder avhengig av innstillinger.
- Vise og tolke resultatet. Parse output tekstfiler med MATLAB (Boston, MA), og lage en Nyquist tomt. En halvsirkel ved høyere frekvenser indikerer en vev respons.
3. Syklisk Voltammetry
- Start General Purpose Elektrokjemi System (GPES) programvare, og verifisere Prosedyre filinnstillingene. Prosedyren bør settes til å feie spenningen ved 50 mV / s innenfor grensene av hydrolyse som er mellom 0,8 og -0,6 V for typiske nevrale elektrode materiale (Pt,Ir, IROX). Minst tre skanner skal kjøres for at systemet skal oppnå likevekt. Resultatene fra den endelige skanningen lagres (se utfyllende metoder). Skanningen kan økes til 1 V / s for å redusere måling tid, men vil formen på IV kurven sannsynlig endres hvis skannehastighet er raskere enn de charge overføre reaksjonene forekommer ved elektroden-vev-grensesnitt.
- Åpne og redigere prosjekt-filen. Prosjektet bruker Procedure filen, looper gjennom hver kanal, og lagrer resultatet (se utfyllende metoder).
- Koble dyr gjenstand med en passiv headstage.
- Gjennomføre prosjektet filen. Hver kanal tar ca tre minutter, avhengig av innstillingene. Økning av skannehastighet til 1 V / s reduserer måling tid til omtrent ti sekunder per kanal.
- Vise og tolke resultatet. Parse output tekstfiler med MATLAB, og plotte IV forholdet. Avgiften bæreevne kvantifiseres ved å integrere områdetav katodisk strøm i CV.
4. Foryngelse
- Start General Purpose Elektrokjemi System (GPES) programvare, og verifisere Prosedyre filinnstillingene. Bruke Trinn og feier metode, bør prosedyren settes til trinn spenningen til 1,5 V for en varighet på 4 sekunder (se utfyllende metoder).
- Åpne og redigere prosjekt-filen. Prosjektet bruker Procedure filen, looper gjennom hver kanal, og lagrer resultatet (se utfyllende metoder).
- Koble dyr gjenstand med en passiv headstage.
- Gjennomføre prosjektet filen. Hver kanal tar ca ti sekunder. 4.5) Samle EIS og CV data og tolke resultater.
5. Representative Resultater
En typisk arbeidsflyt, herunder opptak, EIS, CV og foryngelse, er vist i figur 1. Opptak og EIS samles oftest (daglig eller ukentlig) over alle kanaler, mens CV ogforyngelse kan brukes hvis spiking aktivitet er ikke lenger synlig.
EIS endringer i løpet av dager til uker etter en elektrode er implantert. Når EIS data vises som en Nyquist plott, en halvsirkel ved høyere frekvenser (nær opprinnelse) er et tegn på vevs reaksjon ved elektroden hotellet (Fig. 2).
CV produserer en strøm-spenning (IV) kurve viser noen hysterese. Den mest relevante CV statistikken er avgiften bæreevne, det innvendige arealet IV kurven normalisert ved elektroden tomtearealet (Fig. 3 a). Elektroder med stor ladekapasitet foretrekkes for mikro-stimulering.
Under foryngelse en spenning puls brukes som vanligvis resulterer i økt ansvar og redusert impedans magnitudes (fig 3a & b). Spiking kan også bli gjenopprettet i kanaler som tidligere hadde pigger (figur 4a). Mens foryngelse har kun kortsiktige effekter på impedans og signal-til-neiIse ratio (SNR), kan denne teknikken brukes daglig. Figur 4b & c viser daglig pre-og post-foryngelse 1 kHz impedans magnitude og SNR-data for en 16 kanals array implantert i marsvin cortex. Foryngelse har en robust effekt på å senke en kHz impedans størrelsesorden av en størrelsesorden etter hvert program. Som et resultat av gjenvunne signaler og lavere impedans, øker SNR etter hvert foryngelse økt. Til syvende og sist ble alle signaler tapt etter 160 dager etter implantering og foryngelse var ikke lenger effektiv.
Figur 1. EIS måles etter hver innspilling. Hvis ingen spikes blir registrert på en kanal som tidligere hadde pigger, og EIS viser en stor vev komponent som har økt over tid, så CV og foryngelse prøvd på denne kanalen. EIS og opptakene blir så brukt til å avgjøre om behandlingen var vellykket.
Figur 2. EIS data som vises i en Nyquist plot av en elektrode stedet umiddelbart etter implantasjonen (blå), og 4 måneder senere (grønn). Hvert punkt på Nyquist tomten representerer reelle og imaginære impedans på en enkel frekvens. En delvis halvsirkelen på grunn av vevet rundt området er tydelig på høyere frekvenser.
Figur 3. CV og EIS endringer av en implantert iridium oksid elektrode pre-og post-foryngelse. (A) Foryngelse øker arealet av IV kurven tilsvarer en økt kostnad bæreevne. (B) En vesentlig endring i impedans specra til lavere impedans nivåer sees vanligvis etter foryngelse.
Figur 4. EffeCTS for spenning biasing på innspillinger og impedans. (A) Pre-og post-rejuvenation opptak viser piggene kan utvinnes på kanaler som tidligere hadde vært taus. Daglig pre-og post-rejuvenation resulterer i en robust (B) dråpe i 1 kHz impedans magnitude og (C) økning i SNR i ca 150 dager etter operasjonen. Errorbars representere standard feil fra innsamlede data fra en 16-kanals array implantert i marsvin cortex.
Discussion
Neural opptak protese systemer vise et begrenset funksjonell levetid som innspillingen evnen avtar med tiden etter implantasjon. Den sannsynlige bidragsyter til avtagende ytelse er den reaktive vev reaksjon på den implanterte enheten som en kompakt glial skjede funksjonelt isolerer fremmedlegeme fra friskt vev en. Sammen med nevrale opptak, er elektrokjemiske målinger (EIS og CV) som vanligvis brukes for langsgående overvåking av elektroden-vev-grensesnitt 2,3. EIS er praktisk nyttig i vurderingen av innspillingen evnen av grensesnittet. Impedansen øker raskt med tiden etter implantasjon tyder det reaktive vev responsen endrer de elektriske egenskapene til grensesnittet tre. I tillegg kan EIS data brukes til å modellere den cellulære sammensetningen tilstøtende til den implanterte elektroden 3-5. Syklisk voltammetry kan brukes til å undersøke endringer i opptak og EIS. Den elektrOde materiale og ruhet samt elektrokjemiske reaksjoner og det omkringliggende vevet påvirke formen på IV kurven. Stor kostnad bæreevne, bestemmes ut fra området av IV kurven, er vanligvis å foretrekke, spesielt for elektrisk mikro-stimulering. Lav ladekapasitet er ofte forbundet med økt EIS. Potensialet brukt under CV kan selv endre ladningskapasitet og EIS, særlig hvis spenningsområdet er stor nok til å kjøre redoksreaksjoner.
Anvendelsen av spenning biasing, eller foryngelse, kan brukes med det formål å øke kostnad bæreevne, minkende impedans, og øke antall kanaler med innspilte toppene 5. Oksidasjon er sannsynligvis oppstått ved elektroden grensesnittet under foryngelse, og med iridium materialer, danner en hydrous oksid monolayer på anodiske potensialene av 1,2 V 6. Det har blitt foreslått at dannelsen av denne monolayer kan fjerne cellulært og acellular materiale festet til elektroden som resulterer i lavere impedans på grensesnittet 5. Mens foryngelse kan gjenopprette tapte nevrale signaler, er det mest effektivt hvis det brukes på kanaler som tidligere hadde pigger løpet av noen få dager før. Innspillinger, EIS, CV og foryngelse best kan brukes som komplementære verktøy i overvåkingen av nevrale grensesnittet og forbedre den langsiktige funksjonaliteten implanterte enheter.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklært.
Acknowledgments
Denne forskningen ble støttet av National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD) og ved Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), i regi av Dr. Jack W. Judy (jack.judy @ darpa.mil) som en del av Pålitelig Neural Technology Program, gjennom rommet og Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Pacific stipend No N66001-11-1-4013.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Electrochemistry Instrument | Metrohm Autolab | PGSTAT128N | add-ons: FRA2, channel MUX |
| Passive Headstage | Tucker-Davis Technologies | model depends on connector and channel count | |
| 26-pin female connector | AMPI | 5749069-2 | Headstage Adapter Or substitute appropriate connector for your headstage |
| Banana Jacks | Digi-Key | J151-ND | Headstage Adapter The Autolab channel MUX has banana plugs |
| null | |||
References
- Szarowski, D. H., Andersen, M. D., Retterer, S., Spence, A. J., Isaacson, M., Craighead, H. G., Turner, J. N., Shain, W. Brain responses to micro-machined silicon devices. Brain Res. 983, 23-35 (2003).
- Vetter, R. J., Williams, J. C., Hetke, J. F., Nunamaker, E. A., Kipke, D. R. Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. IEEE Trans. Biomed. Eng. 51, 896-904 (2004).
- Williams, J. C., Hippensteel, J. A., Dilgen, J., Shain, W., Kipke, D. R. Complex impedance spectroscopy for monitoring tissue responses to inserted neural implants. J. Neural Eng. 4, 410-423 (2007).
- Johnson, M. D., Otto, K. J., Kipke, D. R. Repeated voltage biasing improves unit recordings by reducing resistive tissue impedances. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 13, 160-165 (2005).
- Otto, K. J., Johnson, M. D., Kipke, D. R. Voltage pulses change neural interface properties and improve unit recordings with chronically implanted microelectrodes. IEEE Trans. Biomed. Eng. 53, 333-340 (2006).
- Pickup, P. G., Birss, V. I. A model for anodic hydrous oxide-growth at iridium. J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).
