神経電位電極の体系的電気化学的および電気生理学的評価方法

この手順の全体的な目的は、急性神経記録に最適な電極を確実に決定することです。これは、まず本例のように、有機導電性ポリマーの堆積によって裸電極を修飾することによって達成されます。次のステップでは、コーティングのin vitro特性を試験します。

次に、急性神経記録を行うためのラット動物モデルに電極を留置します。最終ステップとして、電極をin vitroで再テストし、生体安定性を評価します。最終的に、電気生理学および電気化学を含む一連の分析手法を用いて異なる電極を比較し、神経インプラントの主要な化学的および物理的特性を決定します。

この手法は、どの電極特性が信号対雑音比（SNR）および生体適合安定性を向上させることができるかなど、新しいブレイン・マシン・インターフェースの開発における重要な疑問を解決するのに役立ちます。この手順では、SimeとMorganが私を補助します。まず、ウレタンを腹腔内（IP）投与してラットを麻酔させることからこの手順を開始します。

足指をつねった際の逃避反射を確認し、麻酔が十分に効いているか確かめてください。麻酔が不十分な場合は、ウレタンを補充投与します。次に、ラットの頭部を剃毛します。

動物を恒温プレートの上に腹臥位で配置します。次に、直腸プローブを挿入し、恒温プレートを37.5 °Cに維持します。その後、ステレオタキシス装置のフレーム内で、一方の耳バーをほぼ最終的な予想位置に挿入し、耳バーが外耳道に位置するように動物を調整します。

次に、2本目の耳バーを合わせ、対側の外耳道に挿入します。その後、耳バーが歯保持具と一致するように動物を配置します。ラット用歯鉗子を用いて動物の顎を開かせます。

上切歯を歯固定具に掛け、鼻を固定してクランプします。次に、正中線から右に約1mm、ラムダ点から吻側へ10mmの範囲で頭部の皮膚を切開します。切開部から皮膚と筋肉を外側へ牽引します。

頭頂骨および間頭頂骨を露出させるため、顕微鏡下で20%過酸化水素溶液とガーゼパッドを用いて、露出した骨の表面を洗浄します。間頭頂骨の、ラムダおよび正中線にできるだけ近い位置に、約3平方ミリメートルの穴をドリルで開けます。電極を損傷させる可能性がある骨粉や破片を取り除くため、滅菌生理食塩水で穴内を洗浄します。

その後、鈍端のハサミを用いて、項部（首の後ろ）の下方を切開します。空洞を作成するため、銀・塩化銀線を脱脂綿で巻き、生理食塩水で飽和させます。その後、参照電極をその空洞に挿入します。

続いて、矢状面で硬膜を切開します。針の先を用いて、電極アレイを電極マニピュレーターに取り付けます。その後、19度のRos coddle角で、開口部上の位置を調整します。

電極を脳内の下丘に向かって約2mm手動で挿入します。次に、スピーカーを左側の中空耳棒に取り付けます。アンプの電源が入っていることを確認してください。

その後、記録チャンバーのドアを閉じます。次に、ホワイトノイズバーストを提示します。バーストを提示する最大速度は、200 millisecondsに1回とします。

同時に、電動マイクロドライブを用いて各電極の活動をモニタリングします。各シャンクの最も遠位にある3つの電極で音響誘発活動が記録されるまで、電極アレイをゆっくりと挿入します。次に、70 dBで1秒の間隔で50ミリ秒のホワイトノイズバーストを300回繰り返す音響刺激プロトコルを実施し、各電極におけるマルチユニット活動を24.4 kHzのサンプリングレートで記録します。

電極アレイをさらに200 micronsゆっくりと下丘に挿入し、各電極を、初期記録位置から最も遠い電極とおおよそ同じ位置に配置します。その後、音刺激および神経記録プロトコルを繰り返します。すべての電極が少なくとも3つの位置で音刺激による活動を記録するまで、電極アレイをhundred micronステップで挿入し、音刺激および神経記録プロトコルを実施し続けます。

その後、電極アレイを200 micronステップで後退させ、初期の電極アレイ位置に戻るまで音響刺激および神経記録プロトコルを継続します。次に、電極アレイを手動で慎重に引き抜きます。この手順において、汚染物質を除去するため、電極アレイを蒸留水で軽くすすいでください。

次に、電極アレイをポテンショスタットに接続します。電極アレイを測定溶液の中に慎重に配置し、クランプで固定します。続いて、対極と参照電極をポテンショスタットに接続します。

すべての電極に対して、電気化学インピーダンス分光法およびサイクリックボルタンメトリーを順次実施します。各テストの間には1秒間の静止時間を設けます。全32本の電極は、1時間の全テストセッションの間、溶液に浸漬させた状態で保持します。

その後、電極アレイをテスト溶液から取り出し、脱イオン水で軽くすすぎます。電極アレイを酵素洗浄液に24時間浸します。その後、再度これらの手順を繰り返し、電極表面の損傷や劣化を防ぐため、プローブを乾燥した保護容器に保管します。

この図は、下丘における挿入深さ0 µmおよび800 µmにおいて、70 dBのホワイトノイズを300回繰り返し提示した際に各電極で測定された周刺激時間ヒストグラムの平均を示しています。コーティング電極はアスタリスクで示されており、また、本図は下丘への挿入深さ0 µmおよび800 µmにおいて、70 dBのホワイトノイズバーストを用いて各電極で測定されたストリーミングデータを示しています。コーティング電極はアスタリスクで示されています。

電極アレイを下丘に挿入および後退させる際の信号対雑音比（S/N比）をここに示します。70 dB。代表的な未コーティング電極でのホワイトノイズを破線で、導電性高分子コーティング電極を実線で示しています。本プロトコルに従った、導電性高分子コーティング電極における40から70 dBの異なる音圧レベルをここに示します。

電極表面に吸着するタンパク質の種類や、異なる材料がそれらにどのような影響を及ぼすかを理解するために、X線光電子分光法や質量分析法などの他の手法を適用することができます。