Article de méthode

Tension de polarisation, voltampérométrie cyclique, et la spectroscopie d'impédance électrique pour des interfaces neuronales

DOI :

10.3791/3566

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24 février 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

Dans cet article

Résumé

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L'interface électrode-tissu d'électrodes d'enregistrement de neurones peut être caractérisée par spectroscopie d'impédance électrique (SIE) et la voltamétrie cyclique (CV). Application de la capacité d'enregistrement des changements de tension de polarisation des propriétés électrochimiques de l'interface électrode-tissu et peut améliorer. Tension de polarisation, EIS, CV, et des enregistrements de neurones sont complémentaires.

Résumé

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Spectroscopie d'impédance électrique (SIE) et cyclique voltamétrie (CV) mesurent les propriétés de l'interface électrode-tissu, sans autres procédures invasives, et peut être utilisé pour surveiller la performance d'électrode sur le long terme. EIS mesure l'impédance électrique à des fréquences multiples, et l'augmentation de l'impédance indiquent augmenté la formation de cicatrices gliales autour de l'appareil, tandis que voltamétrie cyclique mesure la charge la capacité de charge de l'électrode, et indique comment charge est transférée à différents niveaux de tension. Comme électrodes implantées âge, EIS et CV de changement de données et des sites d'électrodes qui précédemment enregistrées neurones impulsionnels présentent souvent l'efficacité significativement plus faible pour l'enregistrement de neurones. L'application d'une impulsion de tension brève réseaux d'électrodes implantées, connus sous le nom de rajeunissement, elle peut ramener dopage activité sur les sites d'électrodes sinon silencieuses pour une période de temps. Rajeunissement modifie l'EIE et CV, et peut être contrôlé par ces méthodes complémentaires. En règle générale, l'EIE est mesurée quotidiennement comme une indication de la réponse tissulaire à l'emplacement de l'électrode. Si les pointes sont absents dans un canal, qui avait auparavant pointes, puis CV est utilisé pour déterminer la charge la capacité de charge de l'emplacement de l'électrode, et le rajeunissement peut être appliquée pour améliorer l'efficacité d'interface. CV et l'EIS sont ensuite répétées pour vérifier les changements à l'interface électrode-tissu, et des enregistrements de neurones sont collectées. L'objectif global de rajeunissement est d'étendre la durée de vie fonctionnelle de tableaux implantés.

Protocole

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1. Mettre en place l'instrument Electrochimie

  1. L'instrumentation Electrochimie comme un PGSTAT Methrohm Autolab (Utrecht, Pays-Bas) est nécessaire pour l'EIE, CV et de rajeunissement. Le FRA2 add-on permet l'EIE, et le multiplexeur de canal (MUX) add-on est utile pour tester multi-canaux électrodes.
  2. Construire un adaptateur headstage pour raccorder le canal MUX à l'headstage.
  3. Effectuez les connexions. Connecter le travail et des électrodes de détection sur le canal MUX, et connecter la référence et contre-électrodes à la partie de l'adaptateur headstage connecté au trajet de retour de courant, typiquement une vis osseuse implanté en acier inoxydable ou en titane.

2. Spectroscopie d'impédance électrique

  1. Démarrez le réponse de l'analyseur de fréquence (FRA) du logiciel, et de vérifier les paramètres du fichier de procédure. La procédure devrait être mis à l'essai deux multi-sine des formes d'onde de chaque composé de 15 sinus simultanément allant de 10 Hz à 30kHz. La tension appliquée doit être de 25 mV ou moins (voir les méthodes complémentaires).
  2. Ouvrez et modifiez le fichier de projet. Le projet utilise le fichier de procédure, une boucle à travers chaque canal, et enregistre le résultat (voir les méthodes complémentaires).
  3. Connectez sujet animal avec un passif (pas d'amplificateurs) headstage. Headstages actifs ne passera pas les signaux d'entrée.
  4. Exécutez le fichier de projet. Chaque canal prend des dizaines de secondes en fonction de paramètres.
  5. Affichage et interpréter les résultats. Analyser les fichiers texte de sortie avec MATLAB (Cambridge, MA), et de faire un diagramme de Nyquist. Un demi-cercle à des fréquences plus élevées indique une réaction tissulaire.

3. Voltampérométrie cyclique

  1. Démarrez le système général de But Electrochimie (GPES) logiciel, et de vérifier les paramètres du fichier de procédure. La procédure doit être mis à balayer la tension de 50 mV / s dans les limites de l'hydrolyse, qui est entre 0,8 et -0,6 V pour les matériaux d'électrodes typiques neuronaux (Pt,Ir, IrOx). Au moins trois balayages doit être exécuté pour le système pour atteindre l'équilibre. Les résultats de l'analyse finale sont enregistrés (voir les méthodes complémentaires). La vitesse de balayage peut être augmentée à 1 V / s pour réduire le temps de mesure, mais la forme de la courbe IV sera susceptible de changer si la vitesse de balayage est plus rapide que les réactions de transfert de charge se produisant à l'interface électrode-tissu.
  2. Ouvrez et modifiez le fichier de projet. Le projet utilise le fichier de procédure, une boucle à travers chaque canal, et enregistre le résultat (voir les méthodes complémentaires).
  3. Connectez sujet animal avec un headstage passive.
  4. Exécutez le fichier de projet. Chaque canal prend environ trois minutes en fonction de paramètres. L'augmentation de la vitesse de balayage à 1 V / s réduit le temps de la mesure à une dizaine de secondes par canal.
  5. Affichage et interpréter les résultats. Analyser les fichiers texte de sortie avec MATLAB, et de tracer la relation IV. La charge la capacité de charge est quantifiée par l'intégration de la régiondu courant cathodique dans le CV.

4. Rajeunissement

  1. Démarrez le système général de But Electrochimie (GPES) logiciel, et de vérifier les paramètres du fichier de procédure. En utilisant les étapes et la méthode de Sweeps, la procédure devrait être réglée à l'étape de la tension à 1,5 V pour une durée de 4 secondes (voir les méthodes complémentaires).
  2. Ouvrez et modifiez le fichier de projet. Le projet utilise le fichier de procédure, une boucle à travers chaque canal, et enregistre le résultat (voir les méthodes complémentaires).
  3. Connectez sujet animal avec un headstage passive.
  4. Exécutez le fichier de projet. Chaque canal prend une dizaine de secondes. 4.5) Recueillir des données relatives à l'EIE et de CV et interpréter les résultats.

5. Les résultats représentatifs

Un flux de travail typique, y compris les enregistrements, EIS, CV et de rajeunissement, est montré dans la figure 1. Enregistrements et SIE sont recueillis le plus souvent (quotidienne ou hebdomadaire) sur tous les canaux, tandis que CV etle rajeunissement peut être utilisé si l'activité de dopage n'est plus détectable.

Changements EIS au cours de jours à quelques semaines après une électrode est implantée. Lorsque l'EIE de données est affiché comme un diagramme de Nyquist, un demi-cercle à des fréquences plus élevées (près de l'origine) est indicative de la réponse tissulaire à l'emplacement de l'électrode (figure 2).

CV produit un courant-tension (IV) affichant une courbe d'hystérésis. Le chiffre le plus pertinent CV est la charge de la capacité de charge, la zone comprise entre la courbe IV normalisée par la surface du site d'électrode (figure 3a). Électrodes avec capacité de charge importante sont préférés pour les micro-stimulation.

Au cours de rajeunissement une impulsion de tension est appliqué, qui entraîne habituellement la capacité de charge accrue et une diminution des grandeurs d'impédance (figure 3a et b). Dopage peut aussi être rétabli dans les canaux qui avaient auparavant des pointes (figure 4a). Alors que le rajeunissement ne dispose que de court terme des effets sur l'impédance et le signal-à-pasise (SNR), cette technique peut être appliquée quotidiennement. Figure 4b & c montre tous les jours pré-et post-rajeunissement 1 magnitude kHz Impédance et les données SNR pour un tableau de 16 canaux implantés en Guinée porc cortex. Rajeunissement a un effet robuste sur l'abaissement de l'ampleur à 1 kHz Impédance par un ordre de grandeur après chaque application. À la suite de signaux récupérés et une impédance plus faible, SNR augmente après chaque séance de rajeunissement. En fin de compte, tous les signaux ont été perdus à la suite de 160 jours après l'implantation et le rajeunissement n'était plus efficace.

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Figure 1. EIS est mesurée après chaque session d'enregistrement. Si aucune des pointes sont enregistrées sur un canal, qui avait auparavant pointes, et l'EIS représente une composante du tissu grande qui a augmenté au fil du temps, puis CV et le rajeunissement sont jugés sur ce canal. EIE et les enregistrements sont ensuite utilisés pour déterminer si le traitement a réussi.


Figure 2. Données de l'EIS affichées dans un diagramme de Nyquist d'un site de l'électrode immédiatement après l'implantation (en bleu), et 4 mois plus tard (en vert). Chaque point sur la parcelle de Nyquist représente l'impédance réelle et imaginaire à une seule fréquence. Un demi-cercle partielle due au tissu autour du site est évidente à des fréquences plus élevées.

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Figure 3. CV et l'EIS changements d'une électrode d'oxyde d'iridium implanté pré-et post-rajeunissement. (A) augmente la surface de rajeunissement de la courbe IV correspondant à une charge de capacité de transmission accrue. (B) Un changement significatif dans la specra impédance de la baisse des niveaux d'impédance est généralement observée après le rajeunissement.

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Figure 4. Effects de tension de polarisation sur les enregistrements et d'impédance. (A) pré-et post-rajeunissement enregistrements montrent des pics peuvent être récupérés sur les canaux qui étaient auparavant silencieuse. Daily pré-et post-rajeunissement se traduit par une robuste (B) baisse de 1 magnitude impédance kHz et (C) augmentation de la SNR d'environ 150 jours après la chirurgie. Errorbars représentent l'erreur-type à partir des données recueillies à partir d'un tableau à 16 canaux implantés en Guinée porc cortex.

Discussion

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Neural systèmes d'enregistrement prothèses afficher une durée de vie limitée fonctionnelle que la capacité d'enregistrement diminue avec le temps post-implantation. Le facteur susceptible d'exécution est diminuant la réponse tissulaire réactif sur le dispositif implanté comme une gaine compacte gliale isole fonctionnellement le corps étranger à partir des tissus sains 1. Avec l'enregistrement de neurones, des mesures électrochimiques (EIS et CV) sont généralement utilisés pour le suivi longitudinal de l'interface électrode-tissu 2,3. EIS est pratiquement utile dans l'évaluation de la capacité d'enregistrement de l'interface. L'impédance augmente rapidement avec le temps post-implantation suggérant la réponse tissulaire réactive modifie les propriétés électriques de l'interface 3. En outre, les données relatives à l'EIE peut être utilisé pour modéliser la composition cellulaire adjacente à l'électrode implantée 3-5. Voltamétrie cyclique peut être utilisé pour étudier plus avant les changements dans les enregistrements et les EIE. Le électrode matériau et la rugosité ainsi que les réactions électrochimiques et les tissus environnants influencer la forme de la courbe IV. De charge à grande capacité de charge, déterminé à partir de la zone de la courbe IV, est généralement préférée, en particulier pour la stimulation électrique des micro-. Capacité de charge faible est souvent associée à une augmentation EIE. Le potentiel appliqué au cours de CV peut se modifier la capacité de charge et l'EIS, surtout si la plage de tension est assez grande pour conduire des réactions d'oxydo-réduction.

L'application de tension de polarisation, ou le rajeunissement, peut être utilisé dans le but de la charge croissante capacité de transport, la baisse d'impédance, et en augmentant le nombre des canaux avec des pointes enregistrées 5. L'oxydation est susceptible se produisant à l'interface électrode pendant le rajeunissement, et avec des matériaux d'iridium, d'une monocouche d'oxyde hydraté forme à des potentiels anodiques de 1,2 V 6. Il a été suggéré que la formation de cette monocouche cellulaire et peut enlever ACELlume matériau fixée à l'électrode résultant en une impédance plus faible à l'extrémité 5 'interface. Alors que le rajeunissement peut récupérer perdu des signaux neuronaux, il est plus efficace s'il est utilisé sur les chaînes qui avaient auparavant des pointes dans les quelques jours avant. Enregistrements, EIS, CV, et de rajeunissement peut être mieux utilisés comme des outils complémentaires dans le suivi de l'interface neurale et l'amélioration de la fonctionnalité à long terme des dispositifs implantés.

Déclarations de divulgation

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Pas de conflits d'intérêt déclarés.

Remerciements

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Cette recherche a été financée par le National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD) et par la défense Projets de recherche avancée Agence (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), sous les auspices de M. Jack W. Judy (jack.judy @ darpa.mil) dans le cadre du programme de technologie Neural fiable, à travers l'espace et Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) du Pacifique subvention n ° N66001-11-1-4013.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Équipement Entreprise Numéro de catalogue Commentaires
Instrument Electrochimie Metrohm Autolab PGSTAT128N add-ons: FRA2, le canal MUX
Headstage passive Tucker-Davis Technologies modèle dépend de connecteur et le nombre de voies
26 broches de connecteur femelle AMP 5749069-2 Adaptateur Headstage Ou substitut connecteur approprié pour votre headstage
Fiches bananes Digikey J151-ND Adaptateur Headstage Le canal Autolab MUX a fiches bananes

Références

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

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Mots-clés

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

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