Method Article

הטיית מתח, Voltammetry מחזורי, & ספקטרוסקופיה חשמל התנגדות עבור ממשקי עצביות

DOI:

10.3791/3566

⸱

February 24th, 2012

 ,  ,  ,  ,  , 
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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ממשק האלקטרודה, רקמות של אלקטרודות הקלטה עצביים ניתן לאפיין עם ספקטרוסקופית עכבה חשמלית (EIS) ו voltammetry מחזורית (CV). יישום יכולת הקלטה מתח הטיית שינויים במאפייני אלקטרוכימיים של ממשק אלקטרודה-רקמות והוא יכול להשתפר. מתח הטיית, EIS, קורות חיים, הקלטות עצביים משלימים.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עכבה ספקטרוסקופיה חשמל (EIS) ו voltammetry מחזורית (CV) למדוד תכונות של ממשק אלקטרודה, רקמות, ללא הליכים פולשניים נוספים, וניתן להשתמש בו כדי לעקוב אחר ביצועי האלקטרודה לאורך זמן. EIS מודד עכבה חשמל בתדרים רבים, מצביעים על עלייה עכבה גדלו היווצרות צלקת גליה סביב המכשיר, בעוד voltammetry מחזורית מודד את תשלום כושר הנשיאה של האלקטרודה, ומציין כיצד תשלום מועבר מתח ברמות שונות. כמו אלקטרודות מושתלות גיל, EIS ושינוי קורות חיים נתונים ואתרי אלקטרודה כי בעבר נרשמו נוירונים תוקעים לעתים קרובות מציגים יעילות נמוכה באופן משמעותי להקלטה עצבית. היישום של הדופק מתח קצר מערכי אלקטרודות מושתלות, המכונה והתחדשות, יכול להחזיר להתחדד פעילות אחרת אתרי אלקטרודה שתק פרק זמן מסוים. עדנה משנה EIS ו קורות חיים, והוא יכול להיות פיקוח על ידי שיטות אלה משלימים. בדרך כלל, EIS נמדד מדי יום כאינדיקציה התגובה רקמת באתר האלקטרודה. אם קוצים נעדרים בערוץ היה בעבר בעל קוצים, ואז קורות חיים משמש כדי לקבוע את החיוב כושר הנשיאה של האתר האלקטרודה, והתחדשות ניתן ליישם על מנת לשפר את יעילות ממשק. קורות חיים EIS חוזרים על עצמם אז כדי לבדוק את השינויים בממשק האלקטרודה, רקמות, הקלטות עצביים נאספים. המטרה הכללית של התחדשות היא להאריך את חייו פונקציונלי של מערכי מושתלים.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הגדרת כלי אלקטרוכימיה

  1. מכשור אלקטרוכימיה כגון Autolab Methrohm PGSTAT (אוטרכט, NL) דרוש EIS, קורות חיים והתחדשות. FRA2 ההרחבה מאפשרת EIS, ואת ערוץ מרבב (MUX) ההרחבה שימושית לבדיקת הרב ערוצית אלקטרודות.
  2. בניית מתאם headstage להתחבר לערוץ MUX כדי headstage.
  3. ליצור את החיבורים. חבר את העבודה חישה אלקטרודות לערוץ MUX, ולחבר את ההתייחסות אלקטרודות נגדיות מצד מתאם headstage מחובר בדרך חזרה הנוכחי, בדרך כלל מושתל נירוסטה או טיטניום הבורג העצם.

2. התנגדות חשמלית ספקטרוסקופיה

  1. הפעל את תגובת תדר Analyzer (FRA) תוכנה, ולוודא את הגדרות קובץ סדר הדין. ההליך צריך להיות מוגדר לבדוק 2 רב צורות גל סינוס כל אחד בן 15 sines במקביל החל הרץ 10-30קילוהרץ. מתח צריך להיות מיושם 25 mV או פחות (ראו שיטות משלימות).
  2. לפתוח ולערוך את קובץ הפרוייקט. הפרויקט עושה שימוש בקובץ נוהל, לולאות דרך כל ערוץ, ושומר את התוצאה (ראו שיטות משלימות).
  3. חיבור הנושא עם בעלי חיים headstage (לא מגברים) פסיבי. Headstages פעילים לא יעבור אותות קלט.
  4. להפעיל את קובץ הפרוייקט. כל ערוץ לוקח עשרות שניות בהתאם להגדרות.
  5. להציג ולפרש מכך. לנתח את הטקסט קבצי פלט עם MATLAB (Natick, MA), ולהפוך את העלילה Nyquist. בחצי עיגול בתדרים גבוהים יותר מציין בתגובה רקמות.

3. מחזורי Voltammetry

  1. הפעל את מטרת כללי אלקטרוכימיה מערכת (GPES) תוכנה, ולוודא את הגדרות קובץ סדר הדין. ההליך צריך להיות מוגדר לטאטא את המתח 50 mV / s בגבולות הידרוליזה אשר בין 0.8 ו -0.6 V עבור טיפוסי אלקטרודה חומרים עצביים (PT,עיר, IrOx). לפחות שלוש סריקות יש להפעיל למערכת להגיע לשיווי משקל. התוצאות של סריקה סופית נשמרים (ראה שיטות משלימות). קצב הסריקה ניתן להגדיל עד 1 V / s כדי לצמצם את זמן המדידה, אך הצורה של עקומת IV צפוי להשתנות אם קצב סריקה מהיר יותר של העברת מטען תגובות המתרחשים בממשק אלקטרודה-רקמות.
  2. לפתוח ולערוך את קובץ הפרוייקט. הפרויקט עושה שימוש בקובץ נוהל, לולאות דרך כל ערוץ, ושומר את התוצאה (ראו שיטות משלימות).
  3. חיבור הנושא עם בעלי חיים headstage פסיבי.
  4. להפעיל את קובץ הפרוייקט. כל ערוץ לוקח בערך שלוש דקות בהתאם להגדרות. הגברת קצב סריקה עד 1 V / s מקטין את זמן המדידה כ 10 שניות לכל ערוץ.
  5. להציג ולפרש מכך. לנתח את הטקסט קבצי פלט עם MATLAB ו להתוות את מערכת היחסים IV. תשלום כושר הנשיאה היא לכמת ידי שילוב באזורהזרם קתודית בתוך קורות חיים.

4. עדנה

  1. הפעל את מטרת כללי אלקטרוכימיה מערכת (GPES) תוכנה, ולוודא את הגדרות קובץ סדר הדין. שימוש במדרגות שיטת מטאטא, ההליך צריך להיות מוגדר לשלב מתח V 1.5 למשך 4 שניות (ראה שיטות משלימות).
  2. לפתוח ולערוך את קובץ הפרוייקט. הפרויקט עושה שימוש בקובץ נוהל, לולאות דרך כל ערוץ, ושומר את התוצאה (ראו שיטות משלימות).
  3. חיבור הנושא עם בעלי חיים headstage פסיבי.
  4. להפעיל את קובץ הפרוייקט. כל ערוץ לוקח בערך 10 שניות. 4.5) איסוף נתונים EIS ו קורות חיים ולפרש תוצאות.

5. נציג תוצאות

עבודה אופיינית, כולל הקלטות, EIS, קורות חיים והתחדשות, מוצג באיור 1. הקלטות EIS נאספים בתדירות הגבוהה ביותר (יומי או שבועי) על פני כל הערוצים, בעוד קורות חייםהתחדשות ניתן להשתמש אם תוקעים הפעילות כבר לא ניתן לגילוי.

שינויים EIS במשך ימים עד שבועות לאחר אלקטרודה המושתל. כאשר EIS הצגת הנתונים כפי העלילה נייקוויסט, בחצי עיגול בתדרים גבוהים יותר (ליד המקור) מעיד על תגובה הרקמה באתר האלקטרודה (איור 2).

קורות חיים מייצר זרם מתח (IV) עקומת מראה כמה hysteresis. הנתון הרלוונטי ביותר הוא תשלום קורות חיים כושר נשיאה, אזור בתוך עקומת IV מתוקנן לפי אזור באתר האלקטרודה (איור 3). אלקטרודות עם קיבולת מטען גדולה עדיפים לגירוי המיקרו.

במהלך התחדשות הדופק מתח חשמלי זה בדרך כלל גורמת יכולת תשלום מוגברת וירידה הבהירויות עכבה (איור 3 א & B). תוקעים ניתן גם לשחזר בערוצים שהייתה להם בעבר קוצים (איור 4 א). בעוד התחדשות יש רק לטווח קצר ההשפעות על עכבה ו אות לא ISE תפעוליות (SNR), טכניקה זו יכולה להיות מיושם מדי יום. איור 4 ב & C מציג מדי יום לפני ואחרי, התחדשות 1 עכבה kHz גודל ונתונים SNR עבור מערך 16 ערוץ מושתל חזיר ים קליפת המוח. עדנה יש השפעה חזקה על הפחתת 1 עכבה kHz גודל על ידי סדר גודל אחרי כל יישום. כתוצאה אותות התאושש עכבה נמוכה, יחס אות לרעש מגביר התחדשות אחרי כל פגישה. בסופו של דבר, כל אותות אבדו לאחר 160 ימים לאחר ההשתלה והתחדשות כבר לא יעיל.

figure-protocol-1
באיור 1. EIS נמדד לאחר כל פגישה ההקלטה. אם אין קוצים, נרשם בערוץ היה בעבר בעל קוצים, ו - EIS מראה מרכיב רקמות גדול גדל עם הזמן, ואז קורות חיים והתחדשות נשפטים על הערוץ הזה. EIS והקלטות משמשות לאחר מכן כדי לקבוע אם הטיפול הצליח.

"Jove_content"> figure-protocol-2
איור 2. הנתונים המוצגים EIS בעלילה נייקוויסט של האתר מיד לאחר השתלת האלקטרודה (כחול), ו -4 חודשים לאחר מכן (ירוק). כל נקודה על מגרש Nyquist מייצגת עכבה אמיתי דמיוני בתדר אחד. בחצי מעגל חלקית בשל הרקמה סביב האתר בא לידי ביטוי בתדרים גבוהים יותר.

figure-protocol-3
איור 3. קורות חיים EIS שינויים של האלקטרודה מושתל אירידיום תחמוצת לפני ואחרי, התחדשות. (א) עדנה מגדילה את שטח של עקומת IV המתאים תשלום גדל כושר נשיאה. (ב) שינוי משמעותי specra עכבה לרמות עכבה נמוכה הוא נצפה בדרך כלל לאחר התחדשות.

figure-protocol-4
איור 4. EffeCTS של מתח הטיית על הקלטות עכבה. (א) לפני ואחרי, התחדשות הקלטות להראות קוצים ניתן לשחזר בערוצים שהיו בעבר שקט. יומיים לפני ואחרי, התחדשות גורמת לירידה (ב) חזקים בסדר גודל 1 kHz עכבה (ג) הגדלת יחס אות לרעש במשך כ 150 ימים לאחר הניתוח. Errorbars לייצג את שגיאת התקן מנתונים שנאספו מערך 16 ערוצים מושתל חזיר ים קליפת המוח.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מערכות עצביות הקלטה תותבות להציג תפקודית מוגבלת לכל החיים כמו יכולת הקלטת יורדת עם הזמן שלאחר ההשתלה. תורם סביר לביצוע צמצום היא התגובה רקמות תגובתי למכשיר המושתל כמו נדן גליה קומפקטית תפקודית מבודד גוף זר מן הרקמות הבריאות 1. יחד עם ההקלטה עצבית, מדידות אלקטרו (EIS ו CV) משמשים בדרך כלל עבור ניטור האורך של ממשק אלקטרודה-רקמות 2,3. EIS שימושית כמעט בהערכת יכולת הקלטה של ​​הממשק. עכבה במהירות עולה עם הזמן שלאחר ההשתלה טוען בתגובה רקמות תגובתי משנה את התכונות החשמליות של ממשק 3. בנוסף, הנתונים EIS יכול לשמש מודל ההרכב התאי הסמוך האלקטרודה מושתל 3-5. Voltammetry מחזורי ניתן להשתמש כדי להמשיך לחקור שינויים הקלטות EIS. ציודהחומר אודה וחספוס, כמו גם את התגובות אלקטרוכימיים ואת הרקמה שמסביב להשפיע על הצורה של עקומת IV. מטען גדול כושר נשיאה, קבע מאזור עקומת IV, עדיף בדרך כלל, במיוחד עבור גירוי מיקרו חשמל. יכולת תשלום נמוכה קשורה לעיתים קרובות עם EIS מוגברת. פוטנציאל ליישם במהלך קורות חיים יכול לשנות את עצמו קיבולת תשלום EIS, במיוחד אם את טווח המתח הוא גדול מספיק כדי לנהוג תגובות חמזור.

היישום של הטיית והתחדשות מתח או, ניתן להשתמש לצורך תשלום הגדלת כושר נשיאה, הפחתת עכבה, ולהגדיל את מספר הערוצים עם קוצים רשמה 5. חמצון הוא עשוי המתרחשים בממשק אלקטרודה במהלך התחדשות, ועם חומרים אירידיום, monolayer תחמוצת להזרקה מהווה את הפוטנציאל anodic של 1.2 V 6. הועלתה השערה כי היווצרות monolayer זה עשוי להסיר הסלולר acelהחומר lular מחובר האלקטרודה וכתוצאה מכך עכבה נמוכה ב 5 הממשק. בעוד התחדשות יכול לשחזר אבוד אותות עצביים, הוא יעיל ביותר אם נעשה שימוש בערוצי שהייתה להם בעבר קוצים תוך כמה ימים מראש. הקלטות, EIS, קורות חיים, והתחדשות הם הטובים ביותר עבור ככלים משלימים בפיקוח ממשק העצבית ולשפר את הפונקציונליות ארוכת הטווח של התקנים מושתלים.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אין ניגוד עניינים הצהיר.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה נתמך על ידי המכון הלאומי לבריאות בארה"ב (R03DC009339-02, NIDCD) ועל ידי Advanced הביטחון מחקרים הסוכנות (DARPA) Microsystems טכנולוגיה Office (MTO), תחת חסותו של ד"ר ג'ק וו ג'ודי (jack.judy @ darpa.mil) במסגרת תוכנית טכנולוגיה אמינה עצבית, דרך החלל וחיל הים Warfare מערכות פיקוד (SPAWAR) מערכות מרכז (SSC) פסיפיק מענק מס N66001-11-1-4013.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ציוד חברה מספר קטלוגי תגובות
אלקטרוכימיה Instrument Metrohm Autolab PGSTAT128N תוספות: FRA2, ערוץ MUX
פסיבי Headstage טאקר, דייויס טכנולוגיות המודל תלוי מחבר וספירת ערוץ
26 פינים נקבה מחבר AMP 5749069-2 Headstage מתאם או מחבר מתאים תחליף headstage שלך
בננה נסיכים Digikey J151-ND מתאם Headstage ערוץ Autolab MUX יש תקעים בננה

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

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

Related Articles