Method Article

Tensione di polarizzazione, voltammetria ciclica, e spettroscopia di impedenza elettrica per interfacce neurali

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

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

L'elettrodo-tessuto interfaccia di elettrodi di registrazione neurali può essere caratterizzato con spettroscopia di impedenza elettrica (EIS) e voltammetria ciclica (CV). Applicazione di tensione capacità di registrazione di polarizzazione modifiche delle proprietà elettrochimiche della elettrodo-tessuto interfaccia e può migliorare. Tensione di polarizzazione, EIS, CV, e le registrazioni neurali sono complementari.

Abstract

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

Spettroscopia di impedenza elettrica (EIS) e voltammetria ciclica (CV) misura della proprietà elettrodo-tessuto interfaccia senza ulteriori procedure invasive, e può essere utilizzato per monitorare le prestazioni dell'elettrodo a lungo termine. EIS misura l'impedenza elettrica a frequenze multiple, e gli aumenti di impedenza indicano un aumento dalla formazione della cicatrice gliale intorno al dispositivo, mentre voltammetria ciclica misura la carica capacità di carico dell'elettrodo, e indica come carica viene trasferita a diversi livelli di tensione. Come elettrodi impiantati età, EIS CV e modifica dei dati e siti di elettrodi che in precedenza registrate neuroni spiking spesso mostrano un'efficacia significativamente inferiore per la registrazione neurale. L'applicazione di un impulso di tensione breve schiere di elettrodi impiantati, noti come ringiovanimento, possono riportare spiking attività sui siti altrimenti elettrodi silenziosi per un periodo di tempo. Ringiovanimento altera EIS e CV, e può essere monitorato da questi metodi complementari. Tipicamente, EIS viene misurata giornalmente come un'indicazione della risposta tessuto nel sito dell'elettrodo. Se picchi sono assenti in un canale che in precedenza aveva picchi, allora CV viene utilizzato per determinare la carica portata del sito dell'elettrodo, e ringiovanimento può essere applicato per migliorare l'efficacia interfaccia. CV e EIS sono poi ripetuti per verificare le modifiche alla interfaccia elettrodo-tessuto, e le registrazioni neurali vengono raccolti. L'obiettivo generale di ringiovanimento è quello di estendere la durata funzionale di matrici impiantati.

Protocol

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1. Impostare lo strumento Elettrochimica

  1. Strumentazione Elettrochimica come un Autolab Methrohm PGSTAT (Utrecht, NL) è necessario per EIS, CV e ringiovanimento. Il FRA2 add-on consente di EIS, e il canale di multiplexer (MUX) add-on è utile per testare multi-canale elettrodi.
  2. Costruire un adattatore per collegare il headstage canale MUX al headstage.
  3. Effettuare i collegamenti. Collegate la lavorazione e degli elettrodi di misura al canale MUX, e collegare la elettrodi di riferimento e contatore alla parte dell'adattatore headstage collegato al percorso di ritorno corrente, tipicamente un impiantato in acciaio inossidabile o titanio vite ossea.

2. Spettroscopia di impedenza elettrica

  1. Avviare la risposta in frequenza Analyzer (FRA) software e verificare le impostazioni procedura di file. La procedura deve essere impostato per testare due multi-sine forme d'onda, ciascuna composta di 15 seni contemporaneamente che vanno da 10 Hz a 30kHz. La tensione applicata deve essere di 25 mV o meno (vedi metodi supplementari).
  2. Aprire e modificare il file di progetto. Il progetto utilizza il file di procedura, scorre ogni canale, e salva il risultato (vedi metodi supplementari).
  3. Collegare soggetto animale con un passivo (senza amplificatori) headstage. Headstages attivi non passerà segnali di ingresso.
  4. Eseguire il file di progetto. Ogni canale ha una decina di secondi in base alle impostazioni.
  5. Visualizzare e interpretare i risultati. Analizza i file di output di testo con MATLAB (Natick, MA), e fare un plot Nyquist. Un semicerchio a frequenze più alte indica una risposta tissutale.

3. Voltammetria ciclica

  1. Avviare il generale Elettrochimica Purpose System (GPES) software e verificare le impostazioni della procedura di file. La procedura dovrebbe essere impostata a spazzare la tensione a 50 mV / s entro i limiti di idrolisi che si trova tra 0,8 e -0,6 V per materiali tipici elettrodi neurali (Pt,Ir, IROX). Almeno tre scansioni deve essere eseguito per il sistema per raggiungere l'equilibrio. I risultati della scansione finale vengono salvati (vedi metodi supplementari). La velocità di scansione può essere aumentata a 1 V / s per ridurre il tempo di misura, tuttavia, la forma della curva IV probabilmente cambia se la frequenza di scansione è più veloce reazioni di trasferimento di carica che si verificano al elettrodo-tessuto interfaccia.
  2. Aprire e modificare il file di progetto. Il progetto utilizza il file di procedura, scorre ogni canale, e salva il risultato (vedi metodi supplementari).
  3. Collegare soggetto animale con un headstage passiva.
  4. Eseguire il file di progetto. Ogni canale è di circa tre minuti, a seconda delle impostazioni. Aumentando la velocità di scansione a 1 V / s riduce i tempi di misura per circa dieci secondi per canale.
  5. Visualizzare e interpretare i risultati. Analizza i file di output di testo con MATLAB, e tracciare la relazione IV. La carica capacità di carico è quantificato integrando l'areadella corrente catodica all'interno del CV.

4. Rejuvenation

  1. Avviare il generale Elettrochimica Purpose System (GPES) software e verificare le impostazioni della procedura di file. Utilizzando la procedura e le modalità di sweep, la procedura dovrebbe essere impostata al passaggio la tensione a 1,5 V per una durata di 4 secondi (vedi metodi supplementari).
  2. Aprire e modificare il file di progetto. Il progetto utilizza il file di procedura, scorre ogni canale, e salva il risultato (vedi metodi supplementari).
  3. Collegare soggetto animale con un headstage passiva.
  4. Eseguire il file di progetto. Ogni canale è di circa dieci secondi. 4.5) Raccolta dei dati e EIS CV e interpretare i risultati.

5. Risultati rappresentativi

Un flusso di lavoro tipico, tra cui registrazioni, EIS, CV e ringiovanimento, è mostrato in figura 1. Registrazioni e EIS sono raccolti più di frequente (giornaliero o settimanale) in tutti i canali, mentre il curriculum vitae eringiovanimento può essere utilizzato se spiking attività non è più rilevabile.

EIS modifiche nel corso dei giorni a diverse settimane dopo un elettrodo viene impiantato. Quando EIS dati vengono visualizzati come una trama Nyquist, un semicerchio alle frequenze più alte (vicino all'origine) è indicativa della risposta tessuto nel sito elettrodo (Fig. 2).

CV produce una corrente-tensione (IV) curva che mostra alcuni isteresi. Il dato più rilevante è la carica CV capacità di carico, l'area all'interno della curva IV normalizzata per l'area del sito elettrodo (Fig. 3 a). Elettrodi con capacità di carica di grandi dimensioni sono preferibili per la micro-stimolazione.

Durante ringiovanimento un impulso di tensione che di solito viene applicato si traduce in una maggiore capacità di carica e diminuito grandezze impedenza (Fig. 3a & b). Spike possono essere ripristinate anche in canali che in precedenza avevano picchi (Figura 4a). Mentre ringiovanimento ha solo effetti a breve termine su impedenza e segnale-noISE (SNR), questa tecnica può essere applicata quotidianamente. Figura 4b & c mostra tutti i giorni pre-e post-ringiovanimento 1 grandezza dell'impedenza kHz e dati SNR per un array di 16 canali impiantato nella cavia corteccia. Rejuvenation ha un forte effetto sulla riduzione della grandezza dell'impedenza 1 kHz da un ordine di grandezza dopo ogni applicazione. Come risultato di segnali recuperati e bassa impedenza, SNR aumenta dopo ogni sessione di ringiovanimento. In definitiva, tutti i segnali sono stati persi a seguito di 160 giorni dopo l'impianto e il ringiovanimento non era più efficace.

figure-protocol-1
Figura 1. EIS è misurata dopo ogni sessione di registrazione. Se non sono registrati picchi su un canale che in precedenza ha avuto picchi e EIS mostra una grande componente del tessuto che è aumentata nel tempo, allora CV e rinvigorimento provato su questo canale. EIS e registrazioni vengono poi utilizzate per determinare se il trattamento ha avuto successo.


Figura 2. EIS i dati visualizzati in una trama Nyquist di un sito elettrodo subito dopo l'impianto (blu), e 4 mesi più tardi (verde). Ciascun punto sul grafico Nyquist rappresenta l'impedenza reale e immaginaria ad una singola frequenza. Un semicerchio parziale a causa del tessuto intorno alla sede è evidente alle alte frequenze.

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Figura 3. CV e cambiamenti EIS di un elettrodo impiantato ossido di iridio pre-e post-ringiovanimento. (A) Rejuvenation aumenta l'area della curva IV corrispondente ad un costo maggiore capacità di carico. (B) Un cambiamento significativo nella specra impedenza a livelli più bassi di impedenza è generalmente osservata dopo ringiovanimento.

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Figura 4. Effetti di tensione di polarizzazione sulle registrazioni e impedenza. (A) pre-e post-ringiovanimento registrazioni mostrano picchi possono essere recuperati su canali che prima erano in silenzio. Giornaliero pre-e post-ringiovanimento si traduce in un robusto (B) caduta in 1 kHz grandezza impedenza e (C) aumento SNR per circa 150 giorni dopo l'intervento. Errorbars rappresentano lo standard error dai dati raccolti da uno a 16 canali matrice impiantato nella cavia corteccia.

Discussion

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Neurali di registrazione sistemi protesici visualizzare una durata limitata funzionale come capacità di registrazione diminuisce con il tempo post-impianto. Il contributore probabile prestazioni diminuire la risposta è tessuto reattivo al dispositivo impiantato come una guaina compatto gliale isola funzionalmente l'oggetto estraneo dal tessuto sano 1. Insieme con la registrazione neurale, misure elettrochimiche (EIS e CV) sono tipicamente utilizzati per il monitoraggio longitudinale della elettrodo-tessuto interfaccia di 2,3. EIS è praticamente utile per valutare la capacità di registrazione dell'interfaccia. L'impedenza aumenta rapidamente con il tempo post-impianto suggerendo la risposta reattiva tessuto altera le proprietà elettriche del interfaccia 3. Inoltre, dati EIS può essere usata per modellare la composizione cellulare adiacente all'elettrodo impiantato 3-5. Voltammetria ciclica può essere utilizzato per approfondire i cambiamenti nelle registrazioni e EIS. Il elettrmateriale ode e rugosità nonché le reazioni elettrochimiche e il tessuto circostante influenzare la forma della curva IV. Carica di grande portata, determinata dalla zona della curva IV, è generalmente preferito, specialmente per i micro-stimolazione elettrica. Bassa capacità di carica è spesso associato con un aumento EIS. Il potenziale applicato durante CV stessa può alterare la capacità di carica e EIS, specialmente se l'intervallo di tensione è abbastanza grande per guidare le reazioni di ossidoriduzione.

L'applicazione di tensione di polarizzazione, o ringiovanimento, può essere utilizzato al fine di carica crescente capacità di carico, diminuendo impedenza, e aumentando il numero di canali con picchi registrati 5. L'ossidazione è probabile che si verificano a livello di interfaccia elettrodo durante ringiovanimento, e con materiali di iridio, un monostrato di ossido idrato forma a potenziali anodici di 1,2 V 6. È stato suggerito che la formazione di questo monostrato cellulare può rimuovere e ACELmateriale da legare collegato l'elettrodo con conseguente bassa impedenza all'interfaccia 5. Mentre ringiovanimento può recuperare perso i segnali neurali, è più efficace se usato su canali che in precedenza avevano picchi di pochi giorni prima. Recordings, EIS, CV, e ringiovanimento può meglio essere utilizzati come strumenti complementari nel monitoraggio della interfaccia neurale e migliorando la funzionalità a lungo termine di dispositivi impiantati.

Disclosures

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

Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.

Acknowledgements

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

Questa ricerca è stata finanziata dal National Institutes of Health (R03DC009339-02, dell'NIDCD) e dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), sotto gli auspici del dottor Jack W. Judy (jack.judy @ darpa.mil) come parte del programma affidabile tecnologia neurale, attraverso lo spazio e la Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Pacific concessione n ° N66001-11-1-4013.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Attrezzatura Azienda Numero di catalogo Comments
Strumento Elettrochimica Metrohm Autolab PGSTAT128N add-ons: FRA2, canale MUX
Headstage Passive Tucker-Davis Technologies modello dipende connettore e numero di canali
26-pin connettore femmina AMP 5749069-2 Headstage Adapter o sostituire il connettore appropriato per il headstage
Banana Jacks Digikey J151-ND Adattatore Headstage Il canale Autolab MUX ha connettori a banana

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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Electrical Impedance SpectroscopyCyclic VoltammetryVoltage BiasingNeural Interface MonitoringElectrode Tissue InterfaceCharge Carrying CapacityImpedance Spectroscopy AnalysisVoltage Pulse RejuvenationFrequency Response AnalysisHead Stage Adapter

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