שיטה לאלקטרוכימי שיטתי ואלקטרו הערכה של אלקטרודות הקלטה עצביות
3 במרץ 2014
ציפוי האלקטרודה שונה משפיע על ביצועי הקלטה עצביים דרך שינויים במאפיינים אלקטרוכימיים, כימיים ומכאניים. השוואה של אלקטרודות במבחנה היא פשוטה יחסית, עם זאת השוואה של תגובת in vivo היא מסובכת בדרך כלל על ידי שינויים במרחק אלקטרודה / נוירון ובין בעלי החיים. מאמר זה מספק שיטה חזקה כדי להשוות אלקטרודות הקלטה עצביות.
המטרה הכללית של הליך זה היא לקבוע באופן מהימן את האלקטרודה הטובה ביותר להקלטה עצבית אקוטית. דבר זה מושג תחילה על ידי שינוי של אלקטרודות חשופות, במקרה זה באמצעות שיקוע של פולימרים מוליכים אורגניים. השלב השני הוא בחינת התכונות של הציפויים in vitro.
בשלב הבא, האלקטרודות מוחדרות למודל חולדה לצורך הקלטה עצבית אקוטית. השלב הסופי הוא בדיקה חוזרת של האלקטרודות in vitro כדי לקבוע את היציבות הביולוגית שלהן. לבסוף, נעשה שימוש בהשוואה בין אלקטרודות שונות באמצעות מגוון טכניקות אנליטיות, כולל אלקטרופיזיולוגיה ואלקטרוכימיה, כדי לקבוע תכונות כימיות ופיזיקליות מרכזיות של שתלים עצביים.
שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בפיתוח ממשקי מוח-מכונה חדשים, כגון אילו תכונות מפתח של האלקטרודות יכולות לשפר את יחס אות לרעש ואת היציבות הביולוגית. סיים ומורגן יסייעו לי בביצוע הליך זה. התחילו את הפרוצדורה על ידי הרדמת חולדה באמצעות הזרקה IP של urethane.
ודאו את תחילת ההרדמה על ידי בדיקת רפלקס נסיגה לצביטה בבהו (toe pinch withdrawal reflex). אם ההרדמה אינה מספקת, יש להעניק מנות משלימות של urethane. לאחר מכן, גלחו את ראשו של החולדה.
הנח את בעל החיים במצב שכיבה על הבטן (prone) על פלטת חימום תרמוסטטית. לאחר מכן, הכנס גשש רקטלי כדי לשמור על טמפרטורת הפלטה ב-37.5 °C. לאחר מכן, הכנס מוט אוזן אחד למיקום הסופי הצפוי בתוך המסגרת הסטריאוטקסיים, וכוונן את בעל החיים כדי למקם את מוט האוזן בתעלת השמיעה החיצונית.
לאחר מכן, יישרו את מוט האוזן השני והכניסו אותו לתעלת האוזן החיצונית בצד הנגדי. לאחר מכן, מקמו את בעל החיים כך שמוטות האוזניים יהיו מיושרים עם מחזיק השיניים. פתחו את לסתו של בעל החיים באמצעות פינצטה לשיני חולדה.
העבירו את השיניים החותכות העליונות מעל מחזיק השיניים וקבעו את האף במקומו באמצעות תפסן. לאחר מכן, בצעו חתך בעור הראש במרחק של כ-1 מילימטר מימין לקו האמצע, ובמרחק של 10 מילימטרים רוסטרלית עד 10 מילימטרים קודאל ל-Lambda. הרחיקו את העור והשריר לצדדים מהחתך.
כדי לחשוף את העצמות הפריאטליות (parietal) והאינטר-פריאטליות (inter parietal), קרצפו את פני העצם החשופה באמצעות תמיסת מי חמצן (hydrogen peroxide) בריכוז 20% ופד גזה תחת המיקרוסקופ. קדחו חור בשטח של כ-3 מילימטרים רבועים בעצם האינטר-פריאטלית, קרוב ככל האפשר ל-Lambda ולקו האמצע. שטפו את החור בתמיסת סליין סטרילית כדי להסיר שאריות עצם, אבק או רסיסים העלולים לפגוע באלקטרודה.
לאחר מכן, בצעו דיסקציה מתחת לעורף באמצעות המספריים הקהים. כדי ליצור חלל, עטפו תיל כסף-כלור-כסף (silver, silver chloride) בצמר גפן והספיגו אותו בתמיסת סלין. לאחר מכן, הכניסו את אלקטרודת הייחוס אל תוך החלל.
לאחר מכן, בצעו חתך בקרומי המוח (dura mater) במישור הסגיטלי. בעזרת קצה של מחט, חברו את מערך האלקטרודות למניפולטור של האלקטרודות. לאחר מכן, כווננו את מיקומו מעל הפתח בזווית Ros coddle של 19 מעלות.
החדר ידנית את האלקטרודה למרחק של כשני מילימטרים לתוך המוח לכיוון ה-inferior colus. לאחר מכן, חבר את הרמקול למוט האוזן החלול השמאלי. ודא שהמגבר דלוק.
לאחר מכן, סגרו את דלת תא ההקלטה. כעת הגישו פרצי רעש לבן. הקצב המקסימלי שבו יש להגיש את הפרצים הוא פרץ אחד כל 200 milliseconds.
במקביל, נטר את הפעילות בכל אלקטרודה באמצעות ההנעה המיקרוסקופית הממוטרת. הכנס לאט את מערך האלקטרודות עד להקלטת פעילות המונעת אקוסטית בשלוש האלקטרודות הדיסטליות ביותר בכל זרוע. לאחר מכן, בצע את פרוטוקול הגירוי האקוסטי הכולל 300 חזרות של פרצי רעש לבן באורך 50 millisecond בקצב חזרה של second אחד בעוצמה של 70 decibels, והקלט את פעילות הרב-יחידה (multi-unit activity) בכל אלקטרודה בקצב דגימה של 24.4 kilohertz.
הכנסו לאט את מערך האלקטרודות ל-200 מיקרון נוספים אל תוך ה-inferior colliculus, כדי למקם כל אלקטרודה במיקום דומה בקירוב למיקומה של האלקטרודה הדיסטלית יותר ממיקום ההקלטה הראשוני. לאחר מכן, חזרו על פרוטוקול הגירוי האקוסטי וההקלטה העצבית. המשיכו להכניס את מערך האלקטרודות בצעדים של מאה מיקרון ובצעו את פרוטוקול הגירוי האקוסטי וההקלטה העצבית, עד שכל האלקטרודות הקליטו פעילות מושראת-אקוסטית מלפחות שלושה מיקומים.
לאחר מכן, החשב את מערך האלקטרודות בצעדים של 200 micron והמשך בביצוע הפרוטוקול של הגירוי האקוסטי וההקלטה העצבית עד להגעה למיקום הראשוני של מערך האלקטרודות. לאחר מכן, החשב את מערך האלקטרודות בזהירות באופן ידני. במהלך הליך זה, שטוף בעדינות את מערך האלקטרודות במים מזוקקים כדי להסיר זיהומים.
לאחר מכן, חברו את מערך האלקטרודות לפוטנציוסטט (potential stat). הניחו בזהירות את מערך האלקטרודות לתוך תמיסת הבדיקה וקבעו אותם במקומם באמצעות תסמין. לבסוף, חברו את אלקטרודת העזר ואת אלקטרודת הייחוס לפוטנציוסטט.
בצעו ספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית (EIS) ומדידות וולטמטריה מחזורית באופן רצף על כל האלקטרודות. בין כל בדיקה תושמע השהיה של שנייה אחת. כל 32 האלקטרודות נמצאות במגע עם התמיסה לאורך כל סשן הבדיקה שנמשך שעה אחת.
לאחר מכן, הוצא את מערך האלקטרודות מתמיסת הבדיקה ושטוף בעדינות במים דה-יוניים. הנח את מערך האלקטרודות בתמיסת ניקוי אנזימטית למשך 24 שעות. לאחר מכן, חזור על הפרוצדורות שוב לפני אחסון הפרובה במיכל הגנה יבש כדי למנוע נזק והתדרדרות של פני השטח של האלקטרודה.
איור זה מציג את היסטוגרמת הזמן סביב הגירוי (peri stimulus time histogram) שנמדדה בכל אלקטרודה, ממוצעת על פני 300 חזרות ב-70 decibels, רעש לבן בעומקי החדרה של zero microns ו-800 microns ב-inferior colliculus. האלקטרודות המצופות מסומנות בכוכבית, ואיור זה מציג את נתוני הזרם (streaming data) שנמדדו בכל אלקטרודה עם פרצי רעש לבן של 70 decibel בעומקי החדרה של zero microns ו-800 microns ב-inferior colliculus. האלקטרודות המקודדות מסומנות בכוכבית.
יחס אות לרעש במהלך ההחדרה והנסיגה של מערך האלקטרודות אל ה-inferior colliculus מוצג כאן. 70 דציבלים. רעש לבן באלקטרודה מייצגת שאינה מצופה מסומן בקו מקווקו, והאלקטרודה המצופה בפולימר מוליך מסומנת בקו רציף; מוצגות כאן רמות לחץ קול שונות של 40 עד 70 דציבלים על פולימר מוליך מצופה בעקבות פרוטוקול זה.
ניתן ליישם שיטות אחרות, כגון ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים בקרני X וספקטרומטריית מסות, כדי להבין את סוגי החלבונים השונים שנספחים לפני השטח של אלקטרודה וכיצד החומרים השונים עשויים להשפיע על כך.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה להערכת ציפויים שונים של אלקטרודות המשמשות להקלטה עצבית. הוא מדגיש את השפעתם של ציפויים אלו על תכונות אלקטרוכימיות, כימיות ומכניות, ודן באתגרים הכרוכים בהשוואות in vivo.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- אלקטרופיזיולוגיה
- הנדסה עצבית
רקע
- ציפויים של אלקטרודות עשויים להשפיע באופן משמעותי על ביצועי ההקלטה העצבית.
- השוואות in vitro הן פשוטות, בעוד שהערכות in vivo הן מורכבות.
- הבנת הבדלים אלו היא קריטית לשיפור שתלים עצביים.
- מחקר זה מתמקד בגישה שיטתית להערכת אלקטרודות.
מטרת המחקר
- זיהוי האלקטרודה האופטימלית להקלטה עצבית חדה.
- הערכת ההשפעות של ציפויים פולימריים מוליכים אורגניים על אלקטרודות.
- השוואה בין אלקטרודות באמצעות טכניקות אנליטיות שונות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שינוי של אלקטרודות חשופות באמצעות פולימרים מוליכים אורגניים.
- בדיקה במקום (in vitro) של תכונות האלקטרודה.
- הקלטה עצבית אקוטית במודל חולדה.
- בדיקה חוזרת של האלקטרודות במקום (in vitro) לבחינת יציבות ביולוגית.
תוצאות עיקריות
- השוואה בין אלקטרודות שונות חשפה הבדלים מרכזיים בביצועים.
- ניתוחים אלקטרופיזיולוגיים ואלקטרוכימיים סיפקו תובנות לגבי תכונות האלקטרודה.
- שינויים בציפוי הובילו לווריאציות באיכות ההקלטה.
- תוצאות in vivo הדגישו את חשיבות המרחק בין האלקטרודה לנוירון.
מסקנות
- המחקר מציע שיטה חסונה להערכת אלקטרודות להקלטה עצבית.
- הממצאים יכולים להנחות פיתוח של שתלים עצביים משופרים.
- מחקרים עתידיים צריכים להתמקד באופטימיזציה של עיצובי אלקטרודות לביצועים טובים יותר.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הערכה אלקטרוכימית ואלקטרופיזיולוגית שיטתית של אלקטרודות להקלטה עצבית נותנת מענה לפער קריטי בבחירה רציונלית של שתלים ובאופטימיזציה של חומרים עבור מו"פ בתחום הנוירוטכנולוגיה. באמצעות קורלציה בין מדדי ביצועים in vitro ל-in vivo, פרוטוקול זה מגביר את הביטחון החזוי בתכנון האלקטרודות ותומך בהחלטות קידום מותאמות סיכון בשרשראות הפיתוח של ממשקים עצביים. גישה זו מאפשרת לצוותים ארגוניים לתעדף מועמדים לאלקטרודות על בסיס נתונים כמותיים הניתנים לשחזור, הרלוונטיים לפיתוח טרנסלציונלי ופרה-קליני.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשרת בחינה של תכונות חומר האלקטרודה המשפיעות על נאמנות האות העצבי והיציבות הביולוגית.
- תומכת בתיקוף תפקודי של תכנוני אלקטרודות באמצעות מדידה ישירה של יחס אות לרעש ועכבה.
- מסייעת בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי בידוד משתני חומר ותכנון בסביבות מבוקרות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק זרימות עבודה סטנדרטיות לבדיקות in vitro ו-in vivo להערכה השוואתית של אלקטרודות.
- מספק פלטיQuantitative שחזירים, כגון ספקטרא של עכבה והקלטות אלקטרופיזיולוגיות.
- מאפשר סריקה ניתנת להרחבה של חומרים וציפויים חדשים לאלקטרודות עבור פלטפורמות נוירוטכנולוגיות שלב הבא.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה את מדדי ביצועי האלקטרודות לדרישות הקלטה עצבית הרלוונטיות למחלה.
- תומכת ברציפות משלב הערכת החומרים בשלב הגילוי ועד לתיקוף ממשקים עצביים פרה-קליניים.
- מפחיתה סיכון תרגומי על ידי קורלציה בין תגובות אלקטרודות in vitro לבין תגובות in vivo.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
פרוטוקול זה משלב שלבים החל מגילוי מוקדם, דרך זיהוי מובילים ועד לתיקוף פרה-קליני בפיתוח ממשקים עצביים.
- ביולוגיה של הגילוי: בדיקה כמותית של תכונות האלקטרודה מסייעת בבחירת חומרים מבוססת היפותזה ובבירור נתיבים.
- סריקה: בדיקות עכבה ואסאיים אלקטרופיזיולוגיים סטנדרטיים מאפשרים השוואה הדירה בין מועמדים שונים לאלקטרודות.
- אנליטיקה: מספקת מדידות חסונות של יחס אות לרעש ועכבה לצורך קבלת החלטות מבוססות נתונים.
- מחקר תרגומי: מקשר בין נתונים in vitro ו-in vivo כדי לתמוך ברצף פרה-קלני ובהתאמה של ביו-מרקרים.
- שימוש חוזר ארגוני: פרוטוקול גמיש התומך בהערכה של חומרים ועיצובים מגוונים של אלקטרודות על פני פרויקטים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית בבחירת אלקטרודות.
- ערך תפעולי: מסמך את הבדיקות, משפר את השחזוריות ותומך בסריקת אלקטרודות ניתנת להרחבה.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מושכלת לגבי המשך הפרויקט (go/no-go) ומפחית סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים בתיקי ממשקים עצביים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים וקידום של מועמדים לאלקטרודות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות באלקטרוכימיה, אלקטרופיזיולוגיה וניתוחים נוירולוגיים.
- מחייב גישה למכשור אנליטי לספקטרוסקופיית עכבה ולהקלטות אלקטרופיזיולוגיות.
- מחייב סטנדרטיזציה של פרוטוקולי בדיקה וניתוח נתונים בין צוותים שונים.
- ניתן להתאמה לחומרים שונים של אלקטרודות, לציפויים ולאזורי מטרה נוירולוגיים שונים.
- מגבלות פוטנציאליות כוללות שונות במודלים של בעלי חיים ובמיקום האלקטרודות.
