Konstruktion und Implementierung von Kohlefaser-Mikroelektroden-Arrays für chronische und akute In-vivo-Aufnahmen

Die hier beschriebene Bench-Top-Konstruktion ist eine der wenigen derzeit verfügbaren Elektrodentechnologien, die Aufnahmen aus dichten Clustern von Neuronen ermöglicht und vielen dieser Neuronen im Laufe der Zeit folgt. Kohlefaser-Mikroelektroden-Arrays sind kostengünstig zu bauen. Sie sind klein, biokompatibel und bewegen sich mit dem Gehirn, was gesunde und stabile Aufnahmen ermöglicht.

Kohlefasern sind extrem dünn und anfangs sehr schwer zu sehen. Nach ein paar Tagen der Arbeit mit ihnen werden sie jedoch leichter zu manipulieren. Legen Sie zunächst ein Stück doppelseitiges Klebeband auf zwei lange Seiten der Kassette und richten Sie den Rand des Bandes mit dem inneren Rand der Kassette aus.

Um ein Kohlefaser-Manipulationswerkzeug vorzubereiten, wickeln Sie ein kleines Stück Klebefolie um eine 30-Gauge-Nadel, um eine scharfe, aber flexible Spitze mit der Folie zu bilden. Als nächstes trennen Sie einzelne Fasern vom gebackenen Bündel und legen Sie sie parallel zur kurzen Seite der Kassette unter Einhaltung eines Abstands von zwei bis drei Millimetern. Nachdem Sie die Aufnahme von 20 bis 30 Fasern auf jede Kassette sichergestellt haben, versiegeln Sie die Fasern, indem Sie durchsichtiges Klebeband über das Doppelklebeband legen, und legen Sie die gefüllten Kassetten in den Kassettenhalter.

Um das Kohlefaser-Mikroelektroden-Array zusammenzubauen, beginnen Sie mit der Zuführung jedes Erdungsdrahtes durch den entsprechenden Kanal am Steckerende der Vorrichtung und fahren Sie fort, bis zwei Enden gleich lang sind. Dann drehen Sie sie zusammen, um sie auf der Vorrichtung zu befestigen. Tragen Sie UV-ausgehärteten Zahnzement auf, um den Draht zu sichern, während Sie sicherstellen, dass kein Zahnzement in den offenen Kanal gelangt, aus dem der Draht geleitet wird.

Verwenden Sie den UV-Härtungstab, um den Zahnzement für 20 Sekunden auszuhärten, und richten Sie die Vorrichtung und den Schraubstock so aus, dass das Steckerende, das Becken und die Trichterspitze sichtbar sind. Als nächstes richten Sie die Vorrichtung so aus, dass der Trichter vom Benutzer weg zeigt und die Steckerenden dem Benutzer zugewandt sind. Schieben Sie dann die 25-Gauge-Nadelspitze gegen die Kassette an der potenziellen Faserentfernungsstelle und schneiden Sie eine einzelne Kohlefaser aus der Kassette.

Halten Sie das frisch geschnittene freie Ende der Faser mit einem Kohlefaserwerkzeug und schneiden Sie mit der Nadel das andere Ende der Faser von der Kassette weg. Verwenden Sie dann wieder das Kohlefaserwerkzeug, um die Kohlefaser so aufzunehmen, dass ein Ende etwa einen Zentimeter lang vom Werkzeug entfernt ist. Verwenden Sie das an der Faser befestigte Kohlefaserwerkzeug, um das kürzere Ende der Faser durch das Trichterstück aus dem mittleren Becken der Vorrichtung zu führen.

Fahren Sie fort, die Faser durch den Vorrichtungstrichter zu führen, bis der größte Teil der Länge der Faser durch ist. Führen Sie den Rückteil der Faser mit dem Kohlefaserwerkzeug durch einen verfügbaren Kanal ein. Führen Sie die Zufuhr durch die Rückseite fort, bis etwa fünf Millimeter Ballaststoffe herausragen oder bei Bedarf zugeschnitten sind.

Um die Isolierung am Steckerende zu entfernen, verwenden Sie ein Standard-Funkenradfeuerzeug, um die Flamme über die freiliegenden Fasern zu leiten, und führen Sie dann die geflammte Faser durch die Vorrichtung, so dass sich der geflammte Faseranteil jetzt im Kanal befindet, während Sie sicherstellen, dass keine Fasern aus der Rückseite der Vorrichtung herausragen. Tragen Sie UV-härtenden Zahnzement auf die Beckenfasern der Vorrichtung auf, um das gesamte Becken zu füllen und die Öffnungen beider Kanäle und des Trichters abzudecken. Nachdem Sie die Vorrichtung vom Schraubstock entfernt und die Vorrichtung so ausgerichtet haben, dass der Trichter nach unten zeigt, sichern Sie die Vorrichtung mit dem Steckerende nach oben.

Füllen Sie die Nadel mit Silberdruck und führen Sie die Nadel vorsichtig in einen Kanal ein, bis sie vom Zahnzement gestoppt wird. Um den Kanal mit Farbe zu füllen, drücken Sie die Spritze langsam, während Sie die Nadel aus dem Kanal entfernen, tauchen Sie dann einen Baumwollspitzenapplikator in den Farbverdünner und reinigen Sie die Basis der Vorrichtungsoberfläche einer Farbe. Stecken Sie nun den Kopfstufenanschluss in die richtige Ausrichtung, indem Sie die Pins an den Kanälen ausrichten.

Sobald der Kopfstufenverbinder gerade, aufrecht und so weit wie möglich an die Vorrichtung gespült ist, befestigen Sie den Kopfstufenstecker an der Vorrichtung, indem Sie Zahnzement entlang der Kante auftragen, an der der Kopfstufenverbinder auf die Vorrichtung trifft, und dann 20 Sekunden lang UV-härten. Um die Elektrodenspitze auf die gewünschte Länge zu schneiden, lassen Sie die Elektrode in ein Becherglas mit entionisiertem oder destilliertem Wasser absenken, bis die Trichterspitze vollständig eingetaucht ist und senkrecht an der Oberfläche gehalten wird. Bringen Sie nun die einzelnen Kohlefasern zusammen, indem Sie die Elektrode aus dem Wasser entfernen.

Legen Sie die Elektrode so auf, dass die Fasern bündig auf der Führungsfläche liegen und schneiden Sie die Fasern mit einem Skalpell in einer Rollbewegung auf die gewünschte Länge, dann befestigen Sie die Elektrode mit dem entsprechenden Adapter am Multielektrodenimpedanztester und prüfen Sie die Impedanz. Senken Sie nun die Elektrodenspitze etwa zwei Millimeter in ein Mikrozentrifugenrohr mit 0,1 molarem PBS und führen Sie erdungsdraht in das Mikrozentrifugenrohr ein. Um die Impedanz der Elektrodenspitze zu reduzieren, injizieren Sie einen positiven Strom mit der gewählten Amplitude und Dauer und spülen Sie dann die Fasern in deionisiertem oder destilliertem Wasser ab, um sie zu reinigen.

Als nächstes, um die Galvanisierung in der Vergoldungslösung durchzuführen, senken Sie die Elektrodenbündelspitze etwa zwei Millimeter in das Mikrozentrifugenrohr in der Beschichtungsmischung und führen Sie den Erdungsdraht in das Mikrozentrifugenrohr ein. Stellen Sie dann die entsprechenden Parameter für die Galvanik ein. Spülen Sie die Fasern nach der Galvanisierung gründlich mit deionisiertem oder destilliertem Wasser ab.

Das repräsentative REM-Bild der präparierten Kohlefaser zeigte eine an der Spitze konzentrierte Vergoldungslösung. Die Fasergalvanik in Gold führte zu verminderten Impedanzen, die für die Aufnahme geeignet waren. Impedanzwerte aus 300 Kanälen nach dem ersten Schneiden, der positiven Stromeinspritzung und der Galvanisierung zeigten nach jedem Verarbeitungsschritt verringerte Impedanzwerte.

Moderate Goldgalvanikdauern erzeugten die kleinen und abgerundeten Ablagerungen auf den Kohlefaserbündelspitzen. Zusätzlich wurde die stabile 64-Kanal-elektrophysiologische Aktivität im retrosplenialen Kortex einer sich frei verhaltenden erwachsenen männlichen Maus analysiert. Die Ergebnisse zeigten die Konsistenz der Aufzeichnungsqualität, die robuste Erkennung einzelner Einheiten, die Konsistenz im Laufe der Zeit, wie sie durch nicht normalisierte Spike-Wellenformen gezeigt wird, und ein stabiles Grundrauschen.

Auch die 11 Monate nach der Implantation verfolgte Rohspannung zeigte ein robustes lokales Feldpotenzial. Ein repräsentatives Beispiel für eine akute 16-Kanal-Kohlefaser-Mikroelektroden-Array-Aufzeichnung, die vom primären visuellen Kortex eines erwachsenen weiblichen Frettchens aufgenommen wurde, ist ebenfalls hier gezeigt. Kohlefaser-Mikroelektroden-Arrays ermöglichen die kurzfristige oder chronische Aufzeichnung von nahe gelegenen Neuronen im Gehirn über lange Zeiträume, was für das Verständnis neuronaler Schaltkreise unerlässlich ist.