Name: 偏置电压，循环伏安，神经接口电阻抗光谱 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-02-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 51 s
Description: 学习利用电化学阻抗谱和循环伏安法监测神经电极-组织界面质量，通过施加偏置电压降低阻抗并恢复神经信号活性。该方法可延长植入式神经记录系统的功能寿命，为神经工程研究提供关键技术手段。

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本研究由美国国立卫生研究院（R03DC009339-02，NIDCD）以及国防高级研究计划局（DARPA）微系统技术办公室（MTO）资助，资助人是 Jack W. Judy 博士（jack.judy@darpa.mil），属于可靠神经技术项目的一部分，项目通过空间与海军作战系统司令部（SPAWAR）系统中心（SSC）太平洋分部授予编号为 N66001-11-1-4013 的基金。

1. 设置电化学仪器
<ol>
 <li>进行电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）和再生实验需要使用电化学仪器，例如 Methrohm Autolab PGSTAT（Utrecht, NL）。FRA2 附加组件可用于实现 EIS 功能，而通道多路复用器（MUX）附加组件则适用于多通道电极的测试。</li>
 <li>构建一个前置放大器适配器，用于将通道 MUX 连接到前置放大器。</li>
 <li>进行连接。将工作电极和传感电极连接至通道 MUX，将参比电极和对电极连接至前置放大器适配器中与电流回路路径相连的部分，通常为植入式的不锈钢或钛骨螺钉。</li>
</ol>
2. 电学阻抗谱
<ol>
 <li>启动频率响应分析仪（FRA）软件，并核对程序文件设置。程序应设置为测试两个多正弦波形，每个波形同时包含15个正弦波，频率范围从10 Hz到30 kHz。施加电压应为25 mV或更低（参见补充方法）。</li>
 <li>打开并编辑项目文件。该项目使用程序文件，依次循环每个通道，并保存结果（参见补充方法）。</li>
 <li>将动物受试者连接至被动式（无放大器）前置放大器。主动式前置放大器无法传递输入信号。</li>
 <li>执行项目文件。每个通道所需时间约为数十秒，具体取决于设置。</li>
 <li>显示并解读结果。使用MATLAB（Natick, MA）解析输出的文本文件，并绘制奈奎斯特图。高频区域出现的半圆表示组织响应。</li>
</ol>
3. 循环伏安法
<ol>
 <li>启动通用电化学系统（GPES）软件，并核对程序文件设置。程序应设定为在水解电位范围内以 50 mV/s 的速率扫描电压，典型神经电极材料（Pt、Ir、IrOx）的水解电位范围通常为 +0.8 至 -0.6 V。至少需运行三次扫描，以使系统达到平衡状态。保存最后一次扫描的结果（参见补充方法）。可将扫描速率提高至 1 V/s 以缩短测量时间；然而，若扫描速率快于电极-组织界面处的电荷转移反应速率，I-V 曲线的形状可能会发生变化。</li>
 <li>打开并编辑项目文件。该项目调用程序文件，依次循环遍历每个通道，并保存结果（参见补充方法）。</li>
 <li>将动物受试对象连接至被动式前置放大器头级。</li>
 <li>执行项目文件。每个通道的测量时间约为三分钟，具体取决于设置参数。若将扫描速率提高至 1 V/s，每个通道的测量时间可缩短至约十秒。</li>
 <li>显示并解读结果。使用 MATLAB 解析输出的文本文件，并绘制 I-V 关系曲线。电荷承载容量通过积分循环伏安图中阴极电流区域的面积来量化。</li>
</ol>
4. 重编程与细胞 rejuvenation
<ol>
 <li>启动通用电化学系统（GPES）软件，并核对程序文件设置。使用“步骤与扫描”方法，将程序设定为施加 1.5 V 电压，持续 4 秒（参见补充方法）。</li>
 <li>打开并编辑项目文件。该项目调用程序文件，依次循环每个通道，并保存结果（参见补充方法）。</li>
 <li>将动物受试对象连接至被动式头级放大器。</li>
 <li>运行项目文件。每个通道耗时约十秒。
 4.5) 采集 EIS 和 CV 数据，并解读结果。</li>
</ol>
5. 代表性结果
图1展示了一个典型的工作流程，包括记录、EIS、CV和 rejuvenation。记录和EIS在所有通道上最常进行（每日或每周），而当无法再检测到放电活动时，可使用CV和rejuvenation。
电极植入后数天至数周内，EIS 会发生变化。当以奈奎斯特图显示 EIS 数据时，高频区域（靠近原点处）出现的半圆代表电极植入部位的组织反应（图 2）。
循环伏安法（CV）产生一条显示一定滞后现象的电流-电压（I-V）曲线。最重要的CV参数是电荷承载容量，即I-V曲线内部面积除以电极位点面积进行归一化后的值（图3 a）。在微刺激应用中，优选具有较大电荷容量的电极。
在恢复过程中，施加一个电压脉冲，通常会导致电荷容量增加以及阻抗幅值降低（图 3a 和 3b）。对于先前曾记录到峰电位的通道，其峰电位活动也可在恢复后重新出现（图 4a）。尽管恢复处理对阻抗和信噪比（SNR）的影响仅为短期效应，但该技术可每日重复应用。图 4b 和 4c 展示了植入豚鼠皮层的16通道阵列在连续多日恢复处理前后1 kHz处的阻抗幅值和信噪比数据。每次应用恢复处理后，1 kHz阻抗幅值均显著降低一个数量级。由于神经信号的恢复及阻抗的降低，每次恢复处理后信噪比均有所提升。最终，在植入后第160天，所有信号均完全丧失，恢复处理不再有效。
<img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig1.jpg" alt="电化学阻抗谱示意图，循环伏安法过程循环，研究方法。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1. 每次记录会话后均测量EIS。若某一通道此前曾记录到尖峰信号，但当前无尖峰信号，且EIS显示组织组分显著增大并随时间增加，则对该通道尝试CV和再生处理。随后通过EIS和记录结果判断该处理是否成功。
<img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig2.jpg" alt="电抗与电阻关系图；频率变化；数据分析；电化学阻抗研究。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
图 2. 电极植入后立即（蓝色）和4个月后（绿色）的EIS数据在Nyquist图上的显示。Nyquist图上的每个点代表单一频率下的实部和虚部阻抗。在较高频率下，可明显观察到由电极周围组织引起的部分半圆。
<img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig3.jpg" alt="电化学分析；电流-电压曲线和奈奎斯特图；循环伏安法、阻抗谱。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. 植入式氧化铱电极在恢复处理前后的循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）变化。(A) 恢复处理后，电流-电压曲线的面积增大，表明电荷承载能力提高。(B) 恢复处理后，阻抗谱通常显著向更低阻抗水平偏移。
<img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig4.jpg" alt="手术前后神经信号对比、阻抗和信噪比变化；图形与波形分析。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 
图 4. 电压偏置对记录信号和阻抗的影响。(A) 复苏前后的记录显示，原本无信号的通道上神经峰电位可被恢复。每日进行复苏前后检测，结果显示术后约150天内，1 kHz频率下的阻抗模值显著(B)下降，信噪比(SNR)明显(C)上升。误差线表示从植入豚鼠皮层的16通道阵列采集数据所得的标准误。

<ol><li>Szarowski, D. H., Andersen, M. D., Retterer, S., Spence, A. J., Isaacson, M., Craighead, H. G., Turner, J. N., Shain, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+responses+to+micro-machined+silicon+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Brain responses to micro-machined silicon devices.</a> Brain Res. 983, 23-35 (2003).</li>
<li>Vetter, R. J., Williams, J. C., Hetke, J. F., Nunamaker, E. A., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chronic+neural+recording+using+silicon-substrate+microelectrode+arrays+implanted+in+cerebral+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 51, 896-904 (2004).</li>
<li>Williams, J. C., Hippensteel, J. A., Dilgen, J., Shain, W., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complex+impedance+spectroscopy+for+monitoring+tissue+responses+to+inserted+neural+implants%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Complex impedance spectroscopy for monitoring tissue responses to inserted neural implants.</a> J. Neural Eng. 4, 410-423 (2007).</li>
<li>Johnson, M. D., Otto, K. J., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Repeated+voltage+biasing+improves+unit+recordings+by+reducing+resistive+tissue+impedances%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Neural+Syst.+Rehabil.+Eng%22%5BJournal%5D)">Repeated voltage biasing improves unit recordings by reducing resistive tissue impedances.</a> IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 13, 160-165 (2005).</li>
<li>Otto, K. J., Johnson, M. D., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Voltage+pulses+change+neural+interface+properties+and+improve+unit+recordings+with+chronically+implanted+microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">Voltage pulses change neural interface properties and improve unit recordings with chronically implanted microelectrodes.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 53, 333-340 (2006).</li>
<li>Pickup, P. G., Birss, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+model+for+anodic+hydrous+oxide-growth+at+iridium%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electroanal.+Chem%22%5BJournal%5D)">A model for anodic hydrous oxide-growth at iridium.</a> J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).</li>
</ol>

无利益冲突声明。

神经记录假体系统的功能寿命有限，因为植入后随着时间推移，记录能力逐渐下降。导致性能衰退的主要原因可能是植入器件引发的反应性组织反应，致密的胶质鞘会将异物与健康组织在功能上隔离1。除了神经记录外，电化学测量（EIS 和 CV）通常也被用于对电极-组织界面进行长期监测2,3。EIS 在评估界面记录能力方面具有实际应用价值。植入后随着时间推移，阻抗迅速升高，表明反应性组织反应改变了界面的电学特性3。此外，EIS 数据还可用于建模分析植入电极周围邻近的细胞组成3-5。循环伏安法可用于进一步研究记录信号及 EIS 的变化。电极材料与表面粗糙度、电化学反应以及周围组织均会影响 I-V 曲线的形状。通常更倾向于具有较大的电荷承载能力（由 I-V 曲线的面积决定），尤其是在进行电微刺激时。较低的电荷容量常与升高的 EIS 相关。CV 过程中施加的电位本身可能改变电荷容量和 EIS，特别是当电压范围足够大以引发氧化还原反应时。
施加电压偏置（即恢复处理）可用于提高电荷承载能力、降低阻抗，并增加记录到动作电位的通道数量5。在恢复过程中，电极界面可能发生氧化反应；对于铱材料，在阳极电位为1.2 V时会形成一层水合氧化物单分子层6。有研究认为，该单分子层的形成可能清除附着在电极表面的细胞及非细胞物质，从而降低界面阻抗5。尽管恢复处理能够重建丢失的神经信号，但其效果在之前数天内仍有动作电位记录的通道中最为显著。记录信号、电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）和恢复处理可作为互补工具，用于监测神经界面状态，并提升植入器件的长期功能表现。

<table><tbody><tr><td>电化学仪器</td><td>Metrohm Autolab</td><td>PGSTAT128N</td><td>附加组件：FRA2，通道MUX</td></tr><tr><td>被动式前置放大器</td><td>Tucker-Davis Technologies</td><td></td><td>型号取决于连接器和通道数量</td></tr><tr><td>26针母头连接器</td><td>AMPI</td><td>5749069-2</td><td>前置放大器适配器，或根据您的前置放大器选用合适的连接器</td></tr><tr><td>香蕉插孔</td><td>Digi-Key</td><td>J151-ND</td><td>前置放大器适配器，Autolab通道MUX配备香蕉插头</td></tr><tr><td colspan="4">null</td></tr></tbody></table>

神经接口的电压偏置、循环伏安法与电化学阻抗谱

Voltage Biasing, Cyclic Voltammetry, &amp; Electrical Impedance Spectroscopy for Neural Interfaces

电学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）可在无需额外侵入性操作的情况下测量电极-组织界面的特性，可用于长期监测电极性能。EIS 在多个频率下测量电学阻抗，阻抗升高表明器件周围胶质瘢痕形成增加；而循环伏安法测量电极的电荷承载能力，反映在不同电压水平下电荷的转移情况。随着植入电极的老化，EIS 和 CV 数据会发生变化，此前能够记录到神经放电的电极位点常表现出显著降低的神经记录效能。对植入的电极阵列施加短暂的电压脉冲（称为 rejuvenation，复苏处理），可使原本无活动的电极位点在一段时间内恢复神经放电活动。复苏处理会改变 EIS 和 CV 的测量结果，并可通过这两种互补的方法进行监测。通常，每日测量 EIS 以反映电极位点处的组织反应。若某一通道此前曾记录到放电信号而目前缺失，则使用 CV 测量该电极位点的电荷承载能力，并可实施复苏处理以改善界面效能。随后重复进行 CV 和 EIS 测量，以检查电极-组织界面的变化，并采集神经记录信号。复苏处理的总体目标是延长植入电极阵列的功能寿命。

可通过电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）表征神经记录电极的电极-组织界面。施加电压偏置可改变电极-组织界面的电化学特性，并可能提升记录能力。电压偏置、EIS、CV 和神经记录互为补充。

电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）可在无需额外侵入性操作的情况下测量电极-组织界面的特性...

本实验的总体目标是监测植入式神经记录假体系统中电极与组织界面的质量，同时提高记录质量和长期功能。首先通过每日采集电化学阻抗谱和神经记录数据来实现该目标。对于未显示神经活动且阻抗较高的电极-组织界面，需进一步采集循环伏安遥测（CV）数据，以更详细地评估其界面质量。然后施加一个1.5伏的校正电压偏置，持续四秒。随后根据需要继续进行数据采集和额外的电压偏置。最终，使用这些方法有可能降低阻抗，并改善或恢复记录到的神经活动。与现有的药物递送或表面修饰等方法相比，该技术的主要优势在于，通过施加电压偏置，可在植入后数十至数百天内持续显著改善神经记录型假体系统的功能与性能。该方法有助于解答神经工程领域的一些关键问题，例如如何延长可植入电极系统的功能寿命。该技术的应用前景涵盖多种神经系统功能障碍的治疗与诊断。这一点非常重要，因为这些缺陷的发生率及其治疗选择在甲基苯丙胺自动化实验室中不断增加。PG统计模块已使用FA2和通道Mucks附加组件进行改装。构建一个头部固定装置适配器，以将通道Mucks连接至头部固定装置。现在将工作电极和传感电极连接到通道插件上。然后将连接至动物受试者的参比电极和对电极接到与电流回路路径相连的头端适配器部分。启动频率响应分析软件，并确认程序文件已设置为测试两个多频正弦波形，每个波形同时包含15个频率点，范围从10赫兹到30千赫兹。同时，确保施加的电压为25毫伏或更低。现在打开并编辑项目文件。该项目使用过程文件，循环遍历每个通道并保存结果。将动物受试者与一个无放大功能的被动头端连接。主动头端无法传递输入信号。根据设置执行项目文件。每个通道的记录持续时间为10秒到几分钟。现在显示并解读结果。使用MATLAB读取输出的文本文件，并绘制奈奎斯特图或伯德图。相位的频率依赖性变化表明组织产生了响应。启动通用电化学系统软件。确认程序文件设置为以每秒50毫伏的速率扫描电压，并确保该设置在水解反应的允许范围之内。至少运行三次扫描，使系统达到平衡，并保存最后一次扫描的结果。可将扫描速率提高至每秒1伏特，以缩短测量时间。然而，如果扫描速率快于电极-组织界面处发生的电荷转移反应速率，电流-电压（IV）曲线的形状可能会发生变化。接下来，打开并编辑项目文件。该项目使用过程文件，循环遍历每个通道并保存结果。将动物受试者连接至被动式头部固定装置，并以每秒一伏特的速率执行项目文件。使用每秒50毫伏的扫描速率时，每个通道的采集耗时约10秒，总共约需三分钟。最后，显示并解读结果。使用 MATLAB 处理输出的文本文件并绘制电流-电压（IV）关系曲线。通过积分循环伏安法（CV）中导管电流的面积来量化电荷承载能力。本方案中最关键的步骤是确定何时施加电压偏置，这一决策由阻抗周期性遥测和记录数据实现。启动通用电化学系统软件，并确认过程文件设置为使用步进和扫描方法。在 1.5 伏电压下进行步进，持续时间为四秒。接下来，打开并编辑项目文件，该文件使用过程文件循环遍历每个通道并保存结果。将动物受试者与被动式头件连接，并从每个通道执行项目文件记录。持续约10秒后，采集EIS、CV及记录数据，并在典型工作流程中解读结果。记录和EIS可在所有通道上每日或每周采集，同时可使用CV和恢复程序。如果尖峰活动不再可检测，则在电极植入后数天至数周内，EIS 会发生变化。蓝色数据是在植入后立即采集的，绿色数据则是在四个月后采集的。当 EIS 数据以奈奎斯特图显示时，高频区域靠近原点的半圆反映了电极位置处的组织反应。循环伏安分析产生一条显示一定滞回现象的电流-电压曲线。最重要的循环伏安统计参数是电荷承载容量，即电流-电压曲线内部面积经电极位点面积归一化后的值。在微刺激应用中，优先选用电荷容量较大的电极。在恢复过程中，施加一个电压脉冲。这通常会导致电荷容量增加，阻抗幅值降低，并且先前无峰形信号的通道中也可能恢复峰形放电。尽管恢复处理对阻抗和信噪比的影响仅为短期，但该技术可每日重复应用。从植入16通道阵列的豚鼠每日采集的数据表明，每次进行复苏处理后，1千赫兹阻抗幅值显著降低一个数量级。由于信号恢复且阻抗降低，每次复苏处理后信噪比（SNR）均有所提高。最终，在植入后160天所有信号完全丧失，复苏处理不再有效。一旦掌握，该技术可在大约一小时内完成。在实施该操作时，必须确保正确连接，并且在进行电压生物处理之前，阻抗谱结果应显示出明显的组织反应。

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偏置电压，循环伏安，神经接口电阻抗光谱

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