Method Article

Vorspannschaltung, Cyclovoltammetrie, Impedanzspektroskopie & Elektrotechnik für Neuronale Interfaces

DOI:

10.3791/3566

⸱

February 24th, 2012

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1Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, 2Biomedical Engineering, University of Wisconsin-Madison, 3Biomedical Engineering, University of Michigan , 4Department of Biological Sciences, Purdue University

In This Article

Summary

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Die Elektrode-Gewebe-Grenzfläche von neuronalen Aufnahme Elektroden können mit elektrischen Impedanzspektroskopie (EIS) und Cyclovoltammetrie (CV) charakterisiert werden. Anwendung der Vorspannschaltung Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode-Gewebe-Grenzfläche und verbessert werden können Aufnahmefähigkeit. Spannung Vorspannung, sind EIS, CV-und neuronalen Aufnahmen ergänzen.

Abstract

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Elektrische Impedanz-Spektroskopie (EIS) und Cyclovoltammetrie (CV) Maßnahme Eigenschaften der Elektroden-Gewebe-Schnittstelle ohne zusätzliche invasive Verfahren, und kann verwendet werden, um Elektrodenleistung langfristig zu überwachen. EIS misst die elektrische Impedanz bei mehreren Frequenzen und einen Anstieg der Impedanz zeigen erhöhte gliale Narbenbildung um das Gerät herum, während Cyclovoltammetrie misst die Aufladung Tragfähigkeit der Elektrode, und gibt an, wie Ladung auf verschiedenen Spannungsebenen übertragen wird. Als implantierten Elektroden Alter, EIS und CV-Daten ändern, und Elektrode Websites, die zuvor aufgezeichneten neuronaler Elemente zeigen oft deutlich niedrigere Wirksamkeit für neuronale Aufnahme. Die Anwendung einer kurzen Spannungsimpuls zu implantierten Elektroden-Arrays, wie Verjüngung bekannt ist, kann zurückbringen Spike-Aktivität auf andere Weise stillen Elektrode Standorte für einen bestimmten Zeitraum. Verjüngung ändert EIS und CV, und kann durch diese komplementäre Methoden überwacht werden. Typischerweise ist die EIS täglich als Hinweis auf die Reaktion des Gewebes an der Elektrode vor Ort gemessen. Wenn Spitzen vorhanden in einem Kanal, auf dem zuvor Spitzen sind, dann ist CV wird verwendet, um die Ladung tragende Kapazität der Elektrode Standort zu bestimmen, und Verjüngung angewendet werden, um die Schnittstelle Wirksamkeit zu verbessern. CV und EIS werden dann wiederholt, um die Änderungen an der Elektrode-Gewebe-Grenzfläche zu prüfen und neuronalen Aufnahmen gesammelt werden. Das übergeordnete Ziel der Verjüngung ist es, die funktionelle Lebensdauer von implantierten Arrays zu erweitern.

Protocol

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1. Richten Sie das Instrument Elektrochemie

  1. Elektrochemie Instrumentierung wie ein Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, NL) ist für die EIS-, CV-und Verjüngungskur nötig. Die FRA2 Add-on ermöglicht EIS, und der Kanal Multiplexer (MUX)-Add-on ist zum Testen von Multi-Channel-Elektroden.
  2. Bauen Sie ein headstage Adapter, um den Kanal MUX zum headstage verbinden.
  3. Nehmen Sie die Anschlüsse. Verbinden der Arbeits-und Abfühlelektroden an den Kanal MUX und eine Verbindung der Referenz-und Gegenelektroden auf den Teil des headstage Adapter an den aktuellen Rückkanal, typischerweise eine implantierte rostfreiem Stahl oder Titan Knochenschraube.

2. Elektrische Impedanzspektroskopie

  1. Starten Sie das Frequency Response Analyzer (FRA)-Software, und überprüfen Sie die Einstellungen in der Datei Vorgehensweise. Das Verfahren sollte auf zwei Multi-Sinus-Wellenformen aus je 15 Sines gleichzeitig im Bereich von 10 Hz bis 30 testenkHz. Die angelegte Spannung sollte 25 mV oder weniger (siehe ergänzende Methoden) sein.
  2. Öffnen und bearbeiten Sie die Projektdatei. Das Projekt verwendet die Prozedur-Datei, durchläuft jedes Kanals, und speichert das Ergebnis (siehe ergänzende Methoden).
  3. Verbinden tierischen Patienten mit einem passiven (ohne Verstärker) headstage. Aktive headstages wird nicht passieren Eingangssignale.
  4. Führen Sie die Project-Datei. Jeder Kanal dauert zehn Sekunden je nach Einstellungen.
  5. Anzeigen und interpretieren Ergebnis. Parsen der Ausgabe von Textdateien mit MATLAB (Natick, MA), und machen eine Ortskurve. Ein Halbkreis bei höheren Frequenzen weist auf eine Reaktion des Gewebes.

3. Cyclovoltammetrie

  1. Starten Sie den General Purpose Elektrochemie System (GPES)-Software, und überprüfen Sie die Einstellungen in der Datei Vorgehensweise. Das Verfahren sollte, um die Spannung bei 50 kehren mV / s innerhalb der Grenzen der Hydrolyse, die zwischen + 0,8 und -0,6 V für typische neuronalen Elektrodenmaterialien ist (Pt,Ir, IrOx). Mindestens drei Scans sollte für das System ausgeführt werden, um Gleichgewicht zu erreichen. Die Ergebnisse aus dem endgültigen Scan gespeichert werden (siehe ergänzende Methoden). Die Abtastrate kann Anspruch 1 V / s erhöht werden, um die Messzeit zu reduzieren, aber die Form der IV-Kurve wird wahrscheinlich ändern, wenn die Abtastrate schneller als die Charge-Transfer-Reaktionen an der Elektrode-Gewebe-Grenzfläche.
  2. Öffnen und bearbeiten Sie die Projektdatei. Das Projekt verwendet die Prozedur-Datei, durchläuft jedes Kanals, und speichert das Ergebnis (siehe ergänzende Methoden).
  3. Verbinden tierischen Patienten mit einer passiven headstage.
  4. Führen Sie die Project-Datei. Jeder Kanal dauert etwa drei Minuten, je nach Einstellungen. Eine Erhöhung der Abtastrate Anspruch 1 V / s verkürzt die Messzeit ungefähr zehn Sekunden pro Kanal.
  5. Anzeigen und interpretieren Ergebnis. Parsen der Ausgabe von Textdateien mit MATLAB, und skizzieren Sie die IV Beziehung. Die Aufladung Tragfähigkeit wird durch Integrieren der Fläche quantifiziertdes kathodischen Stroms innerhalb des Lebenslaufs.

4. Verjüngung

  1. Starten Sie den General Purpose Elektrochemie System (GPES)-Software, und überprüfen Sie die Einstellungen in der Datei Vorgehensweise. Mit den Schritten und Sweeps Methode sollte das Verfahren eingestellt, um die Spannung auf 1,5 V Schritt für eine Dauer von 4 Sekunden (siehe ergänzende Methoden) werden.
  2. Öffnen und bearbeiten Sie die Projektdatei. Das Projekt verwendet die Prozedur-Datei, durchläuft jedes Kanals, und speichert das Ergebnis (siehe ergänzende Methoden).
  3. Verbinden tierischen Patienten mit einer passiven headstage.
  4. Führen Sie die Project-Datei. Jeder Kanal dauert etwa 10 Sekunden. 4.5) sammeln EIS und CV-Daten und Ergebnisse interpretieren.

5. Repräsentative Ergebnisse

Ein typischer Workflow, darunter Aufnahmen, EIS, Lebenslauf und Verjüngung, ist in Abbildung 1 dargestellt. Recordings und EIS werden am häufigsten (täglich oder wöchentlich) über alle Kanäle gesammelt, während CV undVerjüngung kann verwendet werden, wenn Spike-Aktivität ist nicht mehr nachweisbar sein.

EIS Veränderungen im Laufe von Tagen bis Wochen nach einer Elektrode implantiert. Wenn EIS Daten als Ortskurve angezeigt wird, kann bei höheren Frequenzen (in der Nähe des Ursprungs), welches die Reaktion des Gewebes an der Elektrode zur Verfügung (Abb. 2) Halbkreis.

CV erzeugt einen Strom-Spannungs (IV)-Kurve zeigt eine Hysterese. Die wichtigsten CV Statistik ist die Aufladung Tragfähigkeit, der Bereich innerhalb des IV-Kurve von der Elektrode Areals normalisiert (Abb. 3 a). Elektroden mit großen Ladekapazität sind für Micro-Stimulations bevorzugt.

Während Verjüngung eine Spannung angelegt wird, die normalerweise zu einer erhöhten Ladekapazität und die Impedanz Größen (Fig. 3a & b) verringert. Spiking kann auch in Kanälen, die zuvor Spikes (Abbildung 4a) wiederhergestellt werden. Während Verjüngung hat nur kurzfristige Auswirkungen auf die Impedanz-und Signal-zu-ohneISE-Verhältnis (SNR), kann diese Technik täglich angewendet werden. Abbildung 4b & C zeigt täglich Pre-und Post-Verjüngung 1 kHz Impedanz Größe und SNR-Daten für einen 16-Kanal-Array in Meerschweinchen Kortex implantiert. Verjüngung 'verfügt über eine robuste Wirkung auf die Senkung der 1 kHz Impedanz Größenordnung von einer Größenordnung nach jeder Anwendung. Als ein Ergebnis von wiedergewonnenen Signalen und eine geringere Impedanz erhöht SNR nach jeder Verjüngung Sitzung. Letztlich wurden alle Signale nach 160 Tage nach der Implantation und der Verjüngung nicht mehr wirksam war verloren.

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Abbildung 1. EIS wird nach jeder Aufnahme-Session gemessen. Wenn keine Spikes auf einem Kanal, auf dem zuvor Spikes werden aufgezeichnet, und EIS zeigt eine große Gewebe-Komponente, die im Laufe der Zeit zugenommen hat, dann CV und Verjüngung sind auf diesem Kanal versucht. EIS und Aufnahmen werden dann verwendet, um festzustellen, ob die Behandlung erfolgreich war.


Abbildung 2. EIS Daten in einer Ortskurve einer Elektrode unmittelbar nach der Implantation (blau), und 4 Monate später (grün) angezeigt. Jeder Punkt auf der Ortskurve repräsentiert die realen und imaginären Impedanz bei einer einzigen Frequenz. Eine partielle Halbkreis durch das Gewebe um die Webseite bei höheren Frequenzen deutlich.

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Abbildung 3. CV und EIS Änderungen einer implantierten Elektrode Iridiumoxid Pre-und Post-Verjüngung. (A) Verjüngung erhöht den Bereich der IV-Kurve entsprechend einer erhöhten Aufladung Tragfähigkeit. (B) eine erhebliche Verschiebung in der Impedanz specra auf niedrigere Impedanz Ebenen wird in der Regel nach Verjüngung beobachtet.

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Abbildung 4. Effects von Spannung Vorspannung auf den Aufzeichnungen und Impedanz. (A) Pre-und Post-Verjüngung Aufnahmen zeigen Spikes auf den Kanälen, die zuvor stille wiederhergestellt werden können. Täglich Pre-und Post-Verjüngung führt zu einem robusten (B) Tropfen auf 1 kHz Impedanz Betrag und (C) Erhöhung der SNR für ca. 150 Tage nach der Operation. Fehlerbalken repräsentieren Standardfehler von Daten aus einer 16-Kanal-Array in Meerschweinchen Kortex implantiert gesammelt.

Discussion

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Neuronale Aufnahme prothetische Systeme zeigen eine begrenzte funktionale Lebensdauer als Aufnahme-Fähigkeit nimmt mit der Zeit nach der Implantation. Die wahrscheinlichste Spender eine abnehmende Leistung ist die reaktive Gewebereaktion auf der implantierten Vorrichtung eine kompakte glialen Hülle funktional isoliert die Fremdkörper von gesunden Gewebe 1. Zusammen mit neuronalen Aufnahme werden elektrochemischen Messungen (EIS und CV) typischerweise für Längs-Überwachung der Elektrode-Gewebe-Grenzfläche 2,3 verwendet. EIS ist praktisch nützlich, um die Aufnahme-Fähigkeit der Schnittstelle. Die Impedanz erhöht schnell mit der Zeit nach der Implantation was auf die reaktiven Reaktion des Gewebes auf die elektrischen Eigenschaften der Schnittstelle 3 ändert. Darüber hinaus kann EIS-Daten verwendet, um die zelluläre Zusammensetzung angrenzend an die implantierte Elektrode 3-5 modellieren. Cyclovoltammetrie kann verwendet werden, um weiter zu untersuchen Veränderungen in Aufnahmen und EIS werden. Die elektrode Material und Rauhigkeit sowie die elektrochemischen Reaktionen und das umgebende Gewebe beeinflussen die Form der IV-Kurve. Große Aufladung Tragfähigkeit aus dem Bereich der IV-Kurve bestimmt wird, wird üblicherweise bevorzugt, insbesondere für elektrische Mikro-Stimulation. Niedrige Ladekapazität wird oft mit einer erhöhten EIS assoziiert. Das Potential während CV angewandt verändern können selbst Ladekapazität und EIS, vor allem wenn der Spannungsbereich, groß genug, um Redoxreaktionen zu fahren ist.

Das Anlegen von Spannung Vorspannen oder Verjüngung, mit dem Zweck der Erhöhung Aufladung Tragfähigkeit verwendet werden, verringert die Impedanz und die Steigerung der Anzahl von Kanälen mit aufgezeichneten Spitzen 5. Die Oxidation wird wahrscheinlich an der Elektrode auftreten Schnittstelle während Verjüngung, und mit Iridium-Materialien, bildet ein wasserhaltiges Oxid Monoschicht an anodischen Potentiale von 1,2 V 6. Es wurde vorgeschlagen, dass die Bildung dieser Monoschicht können, zu entfernen zellulären und ACELlulären Material der Elektrode, was zu niedrigeren Impedanz an der Grenzfläche 5 befestigt. Während Verjüngung neuronale Signale verloren wiederherstellen können, ist es am effektivsten, wenn auf den Kanälen, die zuvor Spikes innerhalb weniger Tage vor verwendet. Recordings, EIS, CV, und Verjüngung kann am besten als ergänzende Instrumente bei der Überwachung der neuronale Schnittstelle und die Verbesserung der langfristigen Funktionalität der implantierten Geräten verwendet werden.

Disclosures

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgements

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Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD) und von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), unter der Schirmherrschaft von Dr. Jack W. Judy (unterstützt jack.judy @ darpa.mil) als Teil des Zuverlässige Neural Technology Program, durch das Space and Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Pacific Stipendium Nr. N66001-11-1 bis 4013.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Ausrüstung Firma Katalog-Nummer Kommentare
Elektrochemie Instrument Metrohm Autolab PGSTAT128N Add-ons: FRA2-, Kanal-MUX
Passive Headstage Tucker-Davis Technologies Modell hängt davon ab, Stecker und Kanalanzahl
26-polige Buchse AMP 5749069-2 Headstage Adapter oder Ersatzlieferung entsprechenden Anschluss für Ihre headstage
Banana Jacks Digikey J151-ND Der Adapter Headstage Autolab Kanal MUX hat Bananenstecker

References

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Electrical Impedance SpectroscopyCyclic VoltammetryVoltage BiasingNeural Interface MonitoringElectrode Tissue InterfaceCharge Carrying CapacityImpedance Spectroscopy AnalysisVoltage Pulse RejuvenationFrequency Response AnalysisHead Stage Adapter

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