Tensión de polarización, voltametría cíclica, y Espectroscopia de Impedancia Eléctrica para las interfaces neuronales

Summary

La interfase electrodo-tejido de electrodos de registro neural puede ser caracterizada con la espectroscopia de impedancia eléctrica (EIS) y voltametría cíclica (CV). Aplicación de máxima tensión de polarización de grabación cambios de las propiedades electroquímicas de la interfase electrodo-tejido y puede mejorar. Tensión de polarización, EIS, CV, y las grabaciones neuronales son complementarios.

Abstract

Espectroscopia de impedancia eléctrica (EIS) y voltametría cíclica (CV), las propiedades de medida de la interfase electrodo-tejido sin procedimientos invasivos adicionales, y puede ser usado para monitorear el desempeño del electrodo en el largo plazo. EIA mide la impedancia eléctrica en múltiples frecuencias, y los aumentos en la impedancia indican una mayor formación cicatriz glial alrededor del dispositivo, mientras que voltametría cíclica mide la capacidad de transporte de carga del electrodo, y se indica cómo carga se transfiere a diferentes niveles de tensión. Como electrodos implantados de edad, EIS y el cambio de residencia de datos y sitios de los electrodos que previamente grabadas las neuronas enriquecidas a menudo presentan una eficacia significativamente más baja para la grabación de los nervios. La aplicación de un pulso de voltaje breve a las matrices de electrodos implantados, conocidos como rejuvenecimiento, puede traer adición actividad en sitios de los electrodos de otro modo silencioso para un período de tiempo. Rejuvenecimiento altera la EIS y CV, y puede ser monitoreado por estos métodos complementarios. Típicamente, EIS se midieron diariamente como una indicación de la respuesta del tejido a la zona de los electrodos. Si los picos están ausentes en un canal que previamente tenía picos, entonces CV se utiliza para determinar la capacidad de transporte de carga de la zona de los electrodos, y el rejuvenecimiento puede ser aplicado para mejorar la eficacia de la interfaz. CV y EIS se repiten para comprobar los cambios en la interfase electrodo-tejido, y las grabaciones neuronales se recogen. El objetivo general de rejuvenecimiento es extender el tiempo de vida funcional de las matrices implantadas.

Protocol

1. Coloque el instrumento de Electroquímica

1. Instrumentación de Electroquímica, como un PGSTAT Methrohm Autolab (Utrecht, Países Bajos) es necesario para la EIS, CV y ​​el rejuvenecimiento. El FRA2 add-on permite a los EIS, y el canal de multiplexor (MUX) add-on es útil para probar múltiples canales de electrodos.
2. Construir un adaptador para conectar el cabezal de la platina canal MUX para el cabezal de la platina.
3. Realice las conexiones. Conectar el trabajo y electrodos sensores para el canal MUX, y conectar el contador de referencia y los electrodos a la parte del adaptador de cabezal de la platina conectado a la trayectoria de retorno de corriente, típicamente una implantado de acero inoxidable o titanio tornillo óseo.

2. Espectroscopia de Impedancia Eléctrica

1. Inicie el Analizador de Respuesta en frecuencia (FRA) de software, y verificar la configuración del archivo del procedimiento. El procedimiento se debe establecer para poner a prueba dos formas de onda sinusoidal de múltiples cada uno compuesto de 15 senos al mismo tiempo que van desde 10 Hz a 30kHz. El voltaje aplicado debe ser de 25 mV o menos (ver métodos complementarios).
2. Abrir y editar el archivo de proyecto. El proyecto utiliza el archivo de procedimiento, recorre cada canal, y guarda el resultado (ver métodos complementarios).
3. Conecte el sujeto animal con un pasivo (sin necesidad de amplificadores) cabezal de la platina. Cabezales activos no pasará las señales de entrada.
4. Ejecute el archivo de proyecto. Cada canal tiene decenas de segundos dependiendo de la configuración.
5. Mostrar e interpretar los resultados. Analizar los archivos de texto de salida con MATLAB (Natick, MA), y hacer un diagrama de Nyquist. Un semicírculo en frecuencias más altas indica una respuesta del tejido.

3. Voltametría cíclica

1. Inicie la Electroquímica de uso general del sistema (GPES) de software, y verificar la configuración del archivo del procedimiento. El procedimiento debe ser ajustado a barrer la tensión en 50 mV / s dentro de los límites de la hidrólisis, que es entre 0,8 y -0,6 V para típicos materiales de los electrodos neurales (Pt,Ir, IROX). Al menos tres exploraciones se debe ejecutar para que el sistema alcance el equilibrio. Los resultados de la exploración final se salva (ver métodos complementarios). La velocidad de exploración se puede aumentar a 1 V / s para reducir el tiempo de medición, sin embargo, la forma de la curva IV es probable que cambie, si la velocidad de exploración es más rápida que las reacciones de transferencia de carga que ocurren en la interfase electrodo-tejido.
2. Abrir y editar el archivo de proyecto. El proyecto utiliza el archivo de procedimiento, recorre cada canal, y guarda el resultado (ver métodos complementarios).
3. Conecte el sujeto animal con un cabezal pasivo.
4. Ejecute el archivo de proyecto. Cada canal tiene unos tres minutos, dependiendo de la configuración. El aumento de la velocidad de barrido a 1 V / s reduce el tiempo de medición a aproximadamente diez segundos por canal.
5. Mostrar e interpretar los resultados. Analizar los archivos de texto de salida con MATLAB, y trazar la relación IV. La carga capacidad de carga se cuantifica mediante la integración de la zonade la corriente catódica en el CV.

4. Rejuvenecimiento

1. Inicie la Electroquímica de uso general del sistema (GPES) de software, y verificar la configuración del archivo del procedimiento. Siguiendo los pasos y el método de barridos, el procedimiento se debe establecer en el paso de la tensión de 1,5 V con una duración de 4 segundos (ver métodos complementarios).
2. Abrir y editar el archivo de proyecto. El proyecto utiliza el archivo de procedimiento, recorre cada canal, y guarda el resultado (ver métodos complementarios).
3. Conecte el sujeto animal con un cabezal pasivo.
4. Ejecute el archivo de proyecto. Cada canal tiene unos diez segundos. 4.5) Recopilación de datos del EIS y el CV e interpretar los resultados.

5. Los resultados representativos

Un flujo de trabajo típico, incluyendo grabaciones, EIS, CV y ​​el rejuvenecimiento, se muestra en la figura 1. Grabaciones y EIS se recogen con más frecuencia (diaria o semanalmente) en todos los canales, mientras que CV yrejuvenecimiento se puede utilizar si spiking actividad ya no es detectable.

EIS cambios en el transcurso de días o semanas después se implanta un electrodo. Cuando EIA datos se muestra como un diagrama de Nyquist, un semicírculo en frecuencias más altas (cerca del origen) es indicativo de la respuesta del tejido a la zona de los electrodos (Fig. 2).

CV produce una corriente-tensión (IV), la curva que muestra algunas de histéresis. La estadística de CV más relevante es la carga de la capacidad de carga, el área dentro de la curva IV normalizado por el área de zona de los electrodos (Fig. 3 a). Los electrodos con capacidad de carga de grandes son los preferidos para la micro-estimulación.

Durante el rejuvenecimiento de un pulso de voltaje que se aplica por lo general resulta en la capacidad de carga mayor y menor magnitud de impedancia (Figura 3a yb). Un rápido aumento también puede ser restaurada en los canales que antes tenían los picos (Figura 4a). Mientras que el rejuvenecimiento sólo tiene efectos a corto plazo sobre la impedancia y la señal de no-ISE (SNR), esta técnica se puede aplicar a diario. Figura 4b y c muestra todos los días pre y post-rejuvenecimiento de una magnitud de la impedancia kHz y los datos de SNR para una amplia canal 16 implantados en la corteza conejillo de indias. Rejuvenecimiento tiene un fuerte efecto en la reducción de la magnitud de 1 kHz la impedancia en un orden de magnitud después de cada aplicación. Como resultado de las señales recuperadas y menor impedancia, SNR aumenta después de cada sesión de rejuvenecimiento. En última instancia, todas las señales se perdieron después de 160 días después de la implantación y el rejuvenecimiento ya no era efectiva.

Figura 1. EIS se mide después de cada sesión de grabación. Si no hay picos se registran en un canal que antes tenían los picos, y EIA muestra un componente de tejido, que ha aumentado con el tiempo, entonces CV y ​​el rejuvenecimiento son juzgados en este canal. EIA y grabaciones se utilizan entonces para determinar si el tratamiento tuvo éxito.

Figura 2. Los datos del EIS se muestran en un diagrama de Nyquist de una zona de los electrodos inmediatamente después de la implantación (azul), y 4 meses más tarde (verde). Cada punto en el diagrama de Nyquist representa la impedancia real y lo imaginario en una sola frecuencia. Un semicírculo parcial debido a que el tejido alrededor de la zona es evidente a frecuencias más altas.

Figura 3. CV y EIS cambios de un electrodo de óxido de iridio implantado pre-y post-renovación. (A) Rejuvenecimiento aumenta el área de la curva IV correspondiente a una carga mayor capacidad de carga. (B) Un cambio significativo en la specra impedancia a niveles más bajos de impedancia generalmente se observa después del rejuvenecimiento.

Figura 4. Effects de tensión de polarización en las grabaciones y la impedancia. (A) antes y después de rejuvenecimiento de las grabaciones muestran picos se puede recuperar en los canales que habían sido previamente silencio. Diario de pre y post-rejuvenecimiento de los resultados en un sólido (B) una caída de la magnitud de la impedancia kHz y (C) aumento de la SNR de aproximadamente 150 días después de la cirugía. Errorbars representan el error estándar de los datos recogidos a partir de un conjunto de 16 canales implantados en la corteza conejillo de indias.

Discussion

Neuronales grabación sistemas protésicos mostrar toda una vida funcional limitada como la capacidad de grabación disminuye con el tiempo después de la implantación. El contribuyente probable que el rendimiento disminuye es la respuesta del tejido reactiva al dispositivo implantado como una vaina glial compacto funcionalmente aísla el objeto extraño de tejido sano ^1. Junto con la grabación neuronal, las mediciones electroquímicas (EIA y CV) se utilizan normalmente para el seguimiento longitudinal de la interfase electrodo-tejido ^2,3. EIS es útil en la práctica en la evaluación de la capacidad de grabación de la interfaz. La impedancia aumenta rápidamente con el tiempo después de la implantación sugiriendo la respuesta del tejido reactivo altera las propiedades eléctricas de la interfaz ^3. Además, los datos del EIS se puede utilizar para modelar la composición celular adyacente al electrodo implantado ^3-5. Voltametría cíclica se puede utilizar para investigar más a fondo los cambios en las grabaciones y EIS. La electrmaterial de oda y rugosidad, así como las reacciones electroquímicas y el tejido circundante influir en la forma de la curva IV. Carga de gran capacidad de carga, determinada a partir del área de la curva IV, normalmente se prefiere, especialmente para eléctrico de micro-estimulación. Capacidad de carga baja se asocia a menudo con el aumento de EIS. El potencial aplicado durante CV puede alterar misma capacidad de carga y EIS, especialmente si el intervalo de tensión es lo suficientemente grande como para conducir reacciones redox.

La aplicación de la tensión de polarización, o rejuvenecimiento, se puede utilizar con el propósito de aumentar la capacidad de carga de carga, disminuyendo la impedancia, y el aumento de los canales número con picos grabados ^5. La oxidación se probable que ocurren en la interfase electrodo durante rejuvenecimiento, y con materiales de iridio, una monocapa de óxido hidratado se forma en los potenciales anódicos de 1,2 V ^6. Se ha sugerido que la formación de esta monocapa celular puede quitar y Acellular material de electrodo conectado a la resultante en la parte baja impedancia a la interfaz de ^5. Mientras que el rejuvenecimiento puede recuperar perdido las señales neuronales, es más eficaz si se utiliza en los canales que antes tenían los picos en unos pocos días antes. Grabaciones, EIS, CV, y el rejuvenecimiento puede ser mejor utilizados como herramientas complementarias en el control de la interfaz de los nervios y la mejora de la funcionalidad a largo plazo de los dispositivos implantados.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipo	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Electroquímica de instrumentos	Metrohm Autolab	PGSTAT128N	add-ons: FRA2, el canal MUX
Cabezal de la platina pasiva	Tucker-Davis Tecnologías		modelo depende de conector y el número de canales
26-pin conector hembra	AMP	5749069-2	Cabezal de la platina o el conector del adaptador sustituto adecuado para el cabezal de la platina
Banana Jacks	Digikey	J151-ND	Adaptador de cabezal de la platina El canal Autolab MUX tiene conectores banana