Implantación Crónica de Múltiples Matrices de Electrodos Flexibles de Polímeros

A continuación se describe un método para la implantación de múltiples matrices de electrodos de polímeros en regiones cerebrales anatómicamente distantes para la grabación electrofisiológica crónica en ratas que se mueven libremente. La preparación y la implantación quirúrgica se describen en detalle, con énfasis en los principios de diseño para guiar la adaptación de estos métodos para su uso en otras especies.

El método permite el monitoreo de grandes poblaciones neuronales distribuidas a lo largo de días, semanas o meses, poniendo preguntas de cómo estas poblaciones cambian y apoyan las funciones cognitivas al alcance de la mano. La implantación de múltiples dispositivos de polímeros y la construcción de implantes relacionados se combinan para crear una plataforma de grabación capaz de contar canales de alta velocidad, multirminidad, a largo plazo, continuas y estables. Demostrando el procedimiento estará Clay Smyth, un técnico de mi laboratorio.

Para preparar las matrices de electrodos de polímero para la inserción, inserte un tornillo a través de orificios alineados orientados verticalmente en las dos piezas de inserción para fijarlas y mantener las piezas en un vicio. Fije la cinta de doble cara a la parte superior de la segunda pieza y conecte la pieza estabilizadora al final de la primera pieza. La pieza estabilizadora se mantendrá en su lugar por fricción.

Alinee manualmente la matriz de electrodos y conecte el volante de inserción al segmento de extremo estrecho de la primera pieza. Cuando la sonda esté alineada con el eje longitudinal de la pieza uno, adhiera el conector de la matriz a la cinta de doble cara de poliamida en la parte plana de la pieza dos. Con fórceps con punta de plástico, conectando sólo el ala de poliamida unida a la cinta de la matriz, levante la punta del dispositivo de matriz de electrodos del volante de inserción desde la pieza uno hasta el exterior de la pieza estabilizadora.

Aplique 10 microlitros de un adhesivo adecuado al final de la primera pieza. Usando los fórceps con punta de plástico para contactar sólo el ala de poliamida unida a la cinta de la matriz, utilice la pestaña cuadrada de la lanzadera de inserción para realinear el dispositivo con el segmento estrecho de la pieza uno. Manipular el lado de la lanzadera de silicio o la clavija para hacer pequeños ajustes de alineación, teniendo cuidado de evitar aplicar fuerza excesiva a la cinta o vástagos.

A continuación, utilice los fórceps para aplicar una suave presión hacia abajo en ambos lados de la pieza estabilizadora y retire la pieza estabilizadora del ensamblaje sin mover la matriz. A continuación, coloque el micromantenador de la primera pieza en una posición extendida. El pistón se deslizará a una profundidad terminal dentro de la pieza uno.

Cargue las piezas uno y dos en el pistón de retracción. Coloque el micromantenador de la tercera pieza en una posición retraída. Coloque la segunda pieza dentro de la parte superior de la pieza tres con los orificios alineados y cargue la pieza tres en el pistón del micromantelante de inserción.

Atornille las piezas en su lugar en la parte inferior de la pieza tres, y cargue y atornille las piezas dos y tres juntas para que mover el micro manipulador de inserción mueva todo el aparato de inserción. Retire el tornillo que sujeta las piezas uno y dos juntos. A continuación, inserte el tornillo en el orificio lateral de la pieza una perpendicular a la pista del pistón hasta que el tornillo aplique presión sobre el pistón para asegurarse de que la pieza se mueve de acuerdo con el pistón retráctil.

La pieza uno debe moverse independientemente de la pieza dos, permitiendo una retracción separada del volante de inserción del aparato. Una vez completada la construcción del dispositivo, al ver la inserción bajo un microscopio estéreo, baje rápidamente el instrumento estereotáctico a 25 micrómetros por segundo. El dispositivo no penetrará el cerebro inmediatamente.

El grado de resistencia y hoyuelos dependerá de la ubicación del objetivo y del diseño del dispositivo. Una vez que el dispositivo ha penetrado en el cerebro, cambie la velocidad del micro manipulador a 10 micrómetros por segundo y baje el dispositivo a uno a dos milímetros por encima de la profundidad objetivo, visualizando las alas del dispositivo y el punto de inserción durante la reducción para evitar el desprendimiento prematuro de la matriz del transbordador. Cuando el dispositivo alcance entre uno y 0,5 milímetros por encima de la profundidad de destino, ralenti la inserción a cinco micrómetros por segundo.

Y luego, cuando el dispositivo está a 500 micrómetros del objetivo, reduzca la inserción a uno a dos micrómetros por segundo. Cuando se alcance la profundidad objetivo, seque el punto de unión en la pieza base según sea necesario y, a continuación, ancle ambas alas de poliamida a los sitios de fijación de la pieza base con un adhesivo adecuado. Antes de la disolución, la clavija aparecerá como una masa globular sentada encima de la matriz y la interfaz del volante de inserción.

Para disolver la clavija, gotee suavemente la solución salina a temperatura corporal en la matriz en el punto en el que se adhiere la clavija al volante. Cuando la clavija se haya disuelto por completo, los límites de la matriz serán discernibles desde el volante y la primera pieza. Después de que la matriz se fije en su lugar, utilice el micromaniprógrafo de retracción para retirar lentamente el volante de inserción, continuando aplicando gotas individuales de solución salina en la matriz, ya que se está retrayendo a las mismas velocidades de retracción que se insertó el dispositivo, observando la interfaz entre la matriz y el volante de inserción durante la retracción.

A medida que se retrae, el volante se separará visiblemente de la matriz de polímeros, que aparecerá de color amarillo translúcido entre los vástagos de la lanzadera de inserción. Cuando el dispositivo se haya retraído completamente, mueva el conector de la matriz de la pieza dos a una ubicación que no interfiera con las inserciones posteriores. La matriz de electrodos de polímero se insertará en el cerebro y ya no se conectará al instrumento estereotáctico.

Retire la lanzadera de inserción y otro hardware de inserción. Si es necesario, realice inserciones adicionales. Para la construcción del implante, después de la inserción final de la matriz, vacía la solución salina de la pieza base, teniendo cuidado de no interrumpir las matrices o cintas implantadas.

Llene las craniectomies y la pieza base con un sellador dural artificial apropiado. Y deja que el sellador se cure. Coloque los conectores de hardware donde no interfieran y, si es necesario, realice varias inserciones.

Oriente y conecte adecuadamente los conectores de matriz al hardware de grabación, de modo que las cintas estén en la posición deseada final. Finalmente, encierra las cintas desde el punto en el que dejan el sellador dural artificial hasta los extremos del conector en un gel de silicona más viscoso. Siguiendo este protocolo, una grabación representativa de implantes neuronales de 1.024 canales produjo 375 unidades individuales.

En este experimento, la longevidad de grabación para una sola unidad se mantuvo durante al menos 160 días en datos de 19 dispositivos en tres ratas diferentes. De los 15 dispositivos funcionales, se adquirió un promedio de rendimiento de grabación de aproximadamente una sola unidad por canal, y los dispositivos individuales tenían rendimientos de unas pocas unidades de hasta aproximadamente dos unidades por canal. Durante la inserción del dispositivo, es importante asegurarse de que el transbordador de la matriz esté seco.

Si no es así, hay una alta probabilidad de que la matriz se desprenda de la lanzadera durante el intento de inserción. La técnica es compatible con otras modalidades de grabación, incluyendo micro hilos, así como con manipulaciones, incluyendo simulación eléctrica y optogenética. Esta técnica nos permite grabar desde las mismas neuronas a lo largo de muchos días, lo que permite entender cómo cambian las respuestas con el tiempo.