Name: ニューラルインタフェースの電圧バイアス、サイクリックボルタンメトリー、＆電気インピーダンス分光法 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-02-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 51 s
Description: 学ぶ電気インピーダンス分光法とサイクリックボルタンメトリーによるニューラルインタフェースの電圧バイアス技術。埋め込み型電極の長期的機能向上と神経信号品質改善の手法を解説します。

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この研究は国立衛生研究所（R03DC009339-02、NIDCD）でと米国防総省の国防高等研究計画庁（DARPA）と博士はジャック·W·ジュディの後援の下にマイクロシステム技術局（MTO）、（によってサポートされていましたjack.judy @宇宙海軍戦システムコマンド（SPAWAR）システムセンター（SSC）パシフィック助成番号N66001-11-1から4013を介して信頼性の高いニューラル技術プログラムの一環としてdarpa.mil）。

1。電気化学測定器を設定します。 <ol><li>そのようなMethrohm AUTOLAB PGSTAT（ユトレヒト、NL）のような電気化学計測は、EIS、CVと若返りのために必要です。アドオンFRA2は、EISを可能にし、チャネル·マルチプレクサ（MUX）アドオンは、マルチチャネル電極をテストするのに便利です。 </li><li>ステージへのMUXチャネルを接続するためのヘッドアダプタを構築します。 </li><li>接続を行います。イオン注入ステンレス鋼またはチタンの骨ネジをMUXチャネルに働き、検知電極を接続し、通常、電流リターン·パスに接続されているヘッドアダプターの一部への参照と対向電極を接続します。 </li></ol> 2。電気インピーダンス分光法<ol><li>周波数応答アナライザ（FRA）ソフトウェアを起動し、プロシージャファイルの設定を確認します。手順は、同時に10 Hzから30までの各15正弦波から成る2マルチ正弦波形をテストするために設定する必要がありますkHzです。印加電圧は25 mV以上（補助メソッドを参照してください）​​以下でなければなりません。 </li><li>プロジェクトファイルを開いて編集します。プロジェクトでは、プロシージャファイルを使用して各チャンネルをループし、結果を保存します（補助メソッドを参照してください）​​。 </li><li>パッシブ（アンプなし）ステージで動物の件名を接続します。アクティブなヘッドステージは入力信号を渡しません。 </li><li>プロジェクトファイルを実行します。各チャネルは、設定に応じて数十秒かかります。 </li><li>結果を表示し、解釈します。 MATLAB（ボストン、マサチューセッツ州）で、出力テキスト·ファイルを解析し、ナイキストプロットを作る。高い周波数で半円は、組織の応答を示しています。 </li></ol> 3。サイクリックボルタンメトリー<ol><li>汎用電気化学システム（GPES）ソフトウェアを起動し、プロシージャファイルの設定を確認します。手順は、典型的な神経電極材料（Ptのための0.8の間で-0.6 Vである加水分解の範囲内で50mV / sで電圧を掃引するように設定する必要がありますIR、IROX）。少なくとも3つのスキャンは、平衡に到達するシステムのために実行する必要があります。最後のスキャンからの結果は（補助メソッドを参照してください）​​に保存されます。スキャン速度は、測定時間を短縮するために、1 V / sに増加することができ、スキャン速度は、電極 - 組織界面で発生する電荷移動反応よりも高速である場合は、IV曲線の形状が変わる可能性があります。 </li><li>プロジェクトファイルを開いて編集します。プロジェクトでは、プロシージャファイルを使用して各チャンネルをループし、結果を保存します（補助メソッドを参照してください）​​。 </li><li>受動的なステージで動物の件名を接続します。 </li><li>プロジェクトファイルを実行します。各チャネルは、設定に応じて約3分かかります。 1 V / sのスキャン速度を増加させると、チャネルあたり約10秒の測定時間を短縮します。 </li><li>結果を表示し、解釈します。 MATLABで出力テキストフ​​ァイルを解析して、IVの関係をプロットします。容量を運ぶ電荷が領域を統合することによって定量化されCV内のカソード電流の。 </li></ol> 4。若返り<ol><li>汎用電気化学システム（GPES）ソフトウェアを起動し、プロシージャファイルの設定を確認します。ステップとスイープメソッドを使用して、手順は4秒（補助メソッドを参照してください）​​の期間中に1.5 Vの電圧をステップに設定する必要があります。 </li><li>プロジェクトファイルを開いて編集します。プロジェクトでは、プロシージャファイルを使用して各チャンネルをループし、結果を保存します（補助メソッドを参照してください）​​。 </li><li>受動的なステージで動物の件名を接続します。 </li><li>プロジェクトファイルを実行します。各チャネルは、約10秒かかります。 4.5）EISとCVデータを収集し、結果を解釈します。 </li></ol> 5。代表的な結果録音、EIS、CVと若返りを含む典型的なワークフローは、図1に示されています。レコーディングやEISはしばらくCV、すべてのチャネルにまたがって（毎日または毎週）最も頻繁に収集され、スパイク活動が検出されなくなった場合若返りを使用することができます。 電極が移植された後、数日から数週間の経過とともにEISに変更されます。 EISデータはナイキストプロットとして表示されている場合、より高い周波数（原点付近）の半円は、電極部位（図2）における組織反応の指標である。 CVは、いくつかのヒステリシスを示す電流 - 電圧（IV）曲線を生成します。最も関連性の高いCV統計量が容量を運ぶ電荷である（図3）電極の敷地面積で規格化されたIV曲線の内側の領域。大充電容量の電極はマイクロ刺激のために好ましい。 若返りの間に電圧パルスは、通常、増加した充電容量の結果とは、インピーダンスの大きさ（図3A＆b）に減少したことが適用されます。スパイクは、以前はスパイク（図4a）を有していたチャンネルに復元することができます。若返りは、インピーダンスおよび信号対なしの唯一の短期的な影響がありますが伊勢比（SNR）が、このテクニックは毎日適用することができます。図4b＆Cはモルモット大脳皮質に移植された16チャネルアレイの毎日のプリ·ポスト若返り、1 kHzのインピーダンスの大きさとSNRのデータを示しています。若返りは、各アプリケーションの後に大きさの順で1 kHzのインピーダンスの大きさを下げる上で堅牢な効果があります。回復した信号と、インピーダンスの低い結果として、SNRは各若返りのセッションの後に増加します。最終的に、すべての信号は、160日間注入後、活性化は、もはや有効でなかった後に失われました。 <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig1.jpg" alt="図1" /> 図1。EISは、それぞれのレコーディング·セッションの後に測定されています。ないスパイクが以前にスパイクを持っていたチャンネルに記録されず、EISは時間の経過とともに増加している大規模な組織のコンポーネントを示している場合は、CVと若返りは、このチャネル上で試行されます。 EISとの音声ファイルはその後、治療が成功したかどうかを判断するために使用されています。 図2：EISのデータはすぐに移植後の電極部位のナイキストプロット（青）で表示され、4ヵ月後に（緑）。ナイキストプロット上の各点は、単一周波数での実部と虚部のインピーダンスを表しています。サイト周辺組織に起因する部分的な半円は、より高い周波数では明らかである。 <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig3.jpg" alt="図3" /> 移植イリジウム酸化物電極の事前と事後若返りの図3 CVおよびEIS変更されます。 （A）リジュビネーションは、容量を持って増加した電荷に対応するIV曲線の面積を増加させます。 （B）低インピーダンスレベルにインピーダンスspecraに大きな変化は、一般的に若返りした後に観察される。 <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig4.jpg" alt="図4" /> 図4。EFFEレコーディングやインピーダンスにバイアス電圧のCTS。 （A）プレおよびポスト若返りの記録は、スパイクが以前に黙っていたチャンネルで回復することができますを示しています。 1 kHzのインピーダンスの大きさと手術後約150日のSNRにおける（C）の増加で堅牢な（B）のドロップ毎日のプリ·ポスト若返りの結果。エラーバーは、モルモット大脳皮質に移植された16チャネルアレイから収集したデータからの標準エラーを表します。

<ol><li>Szarowski, D. H., Andersen, M. D., Retterer, S., Spence, A. J., Isaacson, M., Craighead, H. G., Turner, J. N., Shain, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+responses+to+micro-machined+silicon+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Brain responses to micro-machined silicon devices.</a> Brain Res. 983, 23-35 (2003).</li>
<li>Vetter, R. J., Williams, J. C., Hetke, J. F., Nunamaker, E. A., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chronic+neural+recording+using+silicon-substrate+microelectrode+arrays+implanted+in+cerebral+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 51, 896-904 (2004).</li>
<li>Williams, J. C., Hippensteel, J. A., Dilgen, J., Shain, W., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complex+impedance+spectroscopy+for+monitoring+tissue+responses+to+inserted+neural+implants%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Complex impedance spectroscopy for monitoring tissue responses to inserted neural implants.</a> J. Neural Eng. 4, 410-423 (2007).</li>
<li>Johnson, M. D., Otto, K. J., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Repeated+voltage+biasing+improves+unit+recordings+by+reducing+resistive+tissue+impedances%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Neural+Syst.+Rehabil.+Eng%22%5BJournal%5D)">Repeated voltage biasing improves unit recordings by reducing resistive tissue impedances.</a> IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 13, 160-165 (2005).</li>
<li>Otto, K. J., Johnson, M. D., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Voltage+pulses+change+neural+interface+properties+and+improve+unit+recordings+with+chronically+implanted+microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">Voltage pulses change neural interface properties and improve unit recordings with chronically implanted microelectrodes.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 53, 333-340 (2006).</li>
<li>Pickup, P. G., Birss, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+model+for+anodic+hydrous+oxide-growth+at+iridium%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electroanal.+Chem%22%5BJournal%5D)">A model for anodic hydrous oxide-growth at iridium.</a> J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).</li>
</ol>

利害の衝突が宣言されません。

ニューラル記録人工システムでは、録音機能などの限られた機能的な寿命は時間の移植後で減少が表示されます。コンパクトグリアシースは、機能、健康な組織1から異物を分離し、パフォーマンスを損なうことへの可能性が高い要因は、移植デバイスへの反応組織の応答です。神経記録と共に、電気化学的測定（EISとCV）は、通常、電極組織のインタフェース2,3の長手方向の監視に使用されています。 EISは、インターフェイスの記録機能を評価する上で実質的に有用である。インピーダンスはすぐに反応性組織反応インタフェース3の電気的特性を変化させることを示唆時間後注入で増加します。さらに、EISのデータは、埋め込 ​​み電極3から5に隣接する細胞の構成をモデル化するために使用することができます。サイクリックボルタンメトリーは、さらにレコーディングやEISの変化を調査するために使用することができます。あるelectrodeの材料と粗さと同様に電気化学反応と周囲の組織は、IVカーブの形状に影響を与えます。 IV曲線の面積から決定能力を運ぶ大きな電荷は、特に電気マイクロ刺激のために、通常は好ましい。低充電容量は、しばしば増加EISに関連付けられています。 CVの間に印加される電位は、電圧範囲が酸化還元反応を駆動するのに十分な大きさである場合は特に、充電容量と、EIS自体を変更することがあります。 バイアス電圧のアプリケーション、または若返りは、インピーダンスを減少させ、記録されたスパイク5の番号のチャンネルを増やし、能力を持って増加する電荷の目的で使用することができます。酸化可能性が高い若返りの間に電極界面で発生しており、イリジウム材で、水和酸化物の単分子層は、1.2 V 6の陽極電位で形成されます。これは、この単分子膜の形成が削除されることが示唆されている携帯電話やacellular材料は、インタフェース5のインピーダンスが低く、その結果電極に接続されている。若返りが失われた神経信号を回復することができますが、以前に前の数日以内にスパイクを持っていたチャンネル上で使用する場合、それは最も効果的です。録音は、EIS、CV、そして若返りが最も神経インターフェースを監視し、移植デバイスの長期的な機能性を向上させる補完的なツールとして使用することができます。

<table border="1"><tbody><tr><td> 機器 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td><td> コメント </td></tr><tr><td>電気楽器</td><td> Metrohm AUTOLAB </td><td> PGSTAT128N </td><td>アドオン：FRA2、MUXチャネル</td></tr><tr><td>受動的なヘッドステージ</td><td>タッカーデービステクノロジーズ</td><td></td><td>モデルは、コネクタとチャンネル数に依存</td></tr><tr><td> 26ピンメスコネクタ</td><td> AMP </td><td> 5749069から2 </td><td>ヘッドステージアダプタまたはステージの代わりに適切なコネクタ</td></tr><tr><td>バナナジャック</td><td>閲覧</td><td> J151-ND </td><td> MUXヘッドアダプタAUTOLABチャネルは、バナナプラグを持っている</td></tr></tbody></table>

ニューラルインタフェースの電圧バイアス、サイクリックボルタンメトリー、＆電気インピーダンス分光法

Voltage Biasing, Cyclic Voltammetry, &amp; Electrical Impedance Spectroscopy for Neural Interfaces

電気インピーダンス分光（EIS）と電極 - 組織インタフェースのサイクリックボルタンメトリー（CV）測定のプロパティの追加の侵襲的処置なしで、長期的に電極性能を監視するために使用することができます。 EISは、複数の周波数で電気インピーダンスを測定し、サイクリックボルタンメトリーは電極の容量を運ぶ電荷を測定し、電荷が異なる電圧レベルで転送される方法を示しながら、インピーダンスの増加は、デバイスの周囲に増加グリア瘢痕形成を示しています。移植された電極の年齢、EISとCVデータの変更、以前スパイキングニューロンを記録した電極部位としてしばしば神経記録著しく低いの有効性を示す。若返りとして知られている埋め込み電極アレイを簡単に電圧パルスのアプリケーションは、一定の期間以外のサイレント電極サイト上の活動をスパイク戻すことができます。若返りは、EISとCVを変更し、これらの補完的な方法で監視することができます。通常、EISは、電極部位の組織反応の指標として毎日測定されています。スパイクは、以前のスパイクを持っていたチャンネルには存在しない場合は、CVは電極部位の容量を運ぶ電荷を決定するために使用されており、若返りは、インタフェースの有効性を向上させるために適用することができます。 CVおよびEISは、その後電極 - 組織界面での変更を確認するために繰り返され、ニューラル記録が収集されます。若返りの全体的な目標は、移植配列の機能的な寿命を拡張することです。

神経記録電極の電極 - 組織のインターフェイスは、電気インピーダンス分光（EIS）とサイクリックボルタンメトリー（CV）で特徴づけることができる。電圧の印加は、変更の電極 - 組織界面の電気化学的特性をバイアスと録音機能を向上させることができます。バイアス電圧は、EIS、CV、および神経録音は相補的である。

電気インピーダンス分光法（EIS）およびサイクリックボルタンメトリー（CV）は、追加の侵襲的な操作を行うことなく、電極と組織の界面の特性を測定する。

この手順の全体的な目的は、埋込型神経記録プロステティックシステムの電極組織界面の品質をモニタリングし、記録品質と長期的な機能性を向上させることです。これは、まず、日次の電気化学インピーダンス分光法（EIS）および神経記録データを収集することによって達成されます。神経活動が見られず、高インピーダンスを示す電極組織界面の詳細な品質を把握するために、サイクリックボルタンメトリー（CV）テレメトリーまたはCVデータが収集されます。次に、補正として1.5 voltの電圧バイアスを4秒間印加します。その後、継続的にデータを収集し、必要に応じてさらに電圧バイアスを印加します。最終的に、これらの手法を用いることで、インピーダンスの低下および記録された神経活動の改善や回復が可能となります。薬物送達や表面修飾などの既存の手法と比較して、本手法の主な利点は、電圧バイアスを印加することで、植え込みから数十日から数百日経過した後でも、神経記録用義肢システムの機能性と性能を向上させる強力な効果が得られることです。この手法は、植え込み型電極システムの機能的寿命をどのように向上させるかという、神経工学分野における重要な問いへの答えを導き出すのに役立ちます。本手法の意義は、多種多様な神経学的欠損の治療や診断にまで及びます。これらの欠損の有病率と治療選択肢が増加しているため、これは重要です。FA 2およびchannel mucksのアドオンを適応させたmeth auto lab. PG statを使用します。channel mucksをヘッドステージに接続するためのヘッドステージアダプターを構築します。次に、作用電極とセンシング電極をチャンネルマルチクス・アドオンに接続します。その後、動物被験体に装着された参照電極と対極を、電流リターンパスに接続されているヘッドステージアダプタの該当部分に接続します。周波数応答解析ソフトを起動し、10 hertzから30 kilohertzの範囲で、それぞれ15個のサイン波で構成される2つのマルチサイン波形を同時にテストするようにプロシージャファイルが設定されていることを確認してください。また、印加電圧が 25 millivolts 以下であることを確認してください。次に、プロジェクトファイルを開いて編集します。このプロジェクトでは、各チャンネルをループして結果を保存するプロシージャファイルを使用します。増幅機能のないパッシブヘッドステージを用いて動物被験者を接続します。アクティブヘッドステージでは入力信号が通りません。設定に応じてプロジェクトファイルを実行してください。各チャネルの記録には10秒から数分かかります。次に、結果を表示して解析します。出力テキストファイルをMATLABで読み込み、ナイキスト線図またはボード線図を作成してください。位相の周波数依存的なシフトは、組織反応を示しています。汎用電気化学システムのソフトウェアを起動してください。手順ファイルの設定が、電圧を 50 millivolts per second でスイープするように設定されており、かつ加水分解の限界範囲内にあることを確認してください。システムが平衡状態に達するように少なくとも3回のスキャンを行い、最後のスキャンの結果を保存します。測定時間を短縮するために、スキャン速度を1 V/sまで上げることができます。ただし、スキャン速度が電極と組織の界面で起こる電荷移動反応よりも速い場合、IV曲線の形状が変化する可能性があります。次に、プロジェクトファイルを開いて編集します。このプロジェクトでは、各チャンネルをループして結果を保存するプロシージャファイルを使用します。被験動物をパッシブヘッドステージに接続し、1 V/sでプロジェクトファイルを実行してください。走査速度を50 millivolts per secondに設定し、1チャンネルあたり10秒間で収集を行います。1チャンネルにつき約3分かかります。最後に、結果を表示し、解析します。MATLABを用いて出力テキストファイルを読み込み、IV特性をプロットします。電荷保持容量は、CV曲線内のカテーテル電流の面積を積分することで定量化されます。本プロトコルにおいて最も重要な決定事項は、電圧バイアスを印加するタイミングの決定です。これは、インピーダンスのサイクルテレメトリおよび記録データに基づいて判断されます。汎用電気化学システムソフトウェアを起動し、プロシージャファイルが「ステップおよびスイープ（steps and sweeps）」法を使用するように設定されていることを確認します。電圧を 1.5 volts に設定し、4 seconds ずつステップさせます。次に、各チャンネルをループして結果を保存するためにプロシージャファイルを使用するプロジェクトファイルを開き、編集します。動物被験者をパッシブヘッドステージに接続し、各チャネルからプロジェクトファイルの記録を実行します。約10秒間待機した後、EIS、CV、および記録データを収集し、標準的なワークフローに従って結果を解釈します。記録とEISは全チャネルで毎日または毎週収集し、CVとリジュベネーション（若返り処理）を適宜使用します。スパイク活動が検出されなくなった場合、電極の植え込み後、数日から数週間の経過とともにEISが変化します。青色のデータは植え込み直後に収集したものであり、緑色のデータは4ヶ月後に収集したものです。EISデータをナイキストプロットとして表示すると、原点付近の高周波領域における半円は、電極部位における組織反応を示しています。CV分析により、ある程度のヒステリシスを示す電流-電圧曲線が得られます。CVにおいて最も重要な統計量は電荷担持容量であり、これはIV曲線の内部面積を電極部位の面積で正規化したものです。マイクロ刺激には、電荷容量が大きい電極が好まれます。リジュベネーション（若返り処理）では、電圧パルスが印加されます。これにより、通常は電荷容量が増加し、インピーダンスの絶対値が減少します。また、以前にスパイクが消失していたチャネルにおいて、スパイクが回復する場合もあります。リジュベネーションによるインピーダンスおよび信号対雑音比（SNR）への効果は短期的ですが、この手法を毎日適用することが可能です。16チャンネルアレイを移植したモルモットから毎日収集したデータにおいて、リジュベネーション（再活性化）は、適用後、1 kHzのインピーダンス大きさを1桁分低下させる強力な効果を示しました。信号の回復とインピーダンスの低下により、リジュベネーションセッションごとにSNRが向上しました。最終的に、移植から160日後にすべての信号が消失し、リジュベネーションは有効ではなくなりました。この技術に習熟すれば、約1時間で完了できます。本手順を実施する際は、接続が適切になされていること、および電圧バイオ処理を行う前にインピーダンス分光法の結果で十分な組織反応が示されていることを確認することが重要です。

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