記録と刺激アプリケーションの高接触密度、フラットインターフェイスの神経電極の作製
2016年10月4日
この記事では、高い接触密度フラットインタフェース神経電極（FINE）の製造工程の詳細な説明を提供します。この電極は、末梢神経内で選択的神経活動を記録し、刺激のために最適化されています。
このプロトコルの全体的な目標は、ニューラルインターフェースアプリケーションで使用するフラットインターフェースカフ電極を製造することです。フラットインターフェースカフ電極の使用は、神経から手足を動かす意図をどのように記録するかなど、神経補綴の分野の問題を解決するのに役立ちます。カフ電極にはサブミリ波の特徴がありますが、それでも確実に手作業で作ることができます。
また、デザインは柔軟です。さまざまなニューラルインターフェースアプリケーションに簡単にカスタマイズできます。CADソフトウェアから始めて、電極の真のスケール図を作成します。
この図は、電極の寸法とさまざまな電極コンポーネントの配置場所を決定します。同様に、接点と電極部品の追加のCADファイルを作成して、レーザー切断機を使用して製造できるようにします。準備として、センターコンタクトを顕微鏡の下に置き、スポット溶接機を使用してリード線に接着します。
接点を押したままにして、最初の曲げを約 45 度の角度で行い、次に接点のフレームの周りで折り曲げます。アレイ・フレームの両側の接点リード線を交互に並べます。次に、ガイドダイアグラムの上に透明シートを置き、ベースプレートにテープで貼り付けます。
さて、ビルドを開始するには、厚さ5ミルのシリコンシートから5cm四方のピースを切り取ります。気泡を引っ掛けずにベースプレートに置きます。次に、2グラムの未硬化シリコンを準備し、真空チャンバー内で3分間ガス抜きします。
閉じ込められた空気が逃げるように、定期的に真空を解除して再適用します。次に、ガイドに従ってスペーサーセグメントの位置に未硬化シリコンの細い線を塗布します。次に、準備したスペーサー部品をシリコンシートに押し付けて、指定された領域に接着します。
次に、シリコンを予熱した摂氏130度の等温オーブンに30分間入れ、続いて10分間冷却します。次に、参照接点を指定された位置に配置し、溶接点を上にして、接点リードをカフの正中線に向かって配線して、遠端から出るようにします。正しい位置決めを確認した後、接点をシリコン層に押し下げ、未硬化のシリコンをスルーホールに堆積させます。
次に、リード線をテープで仮止めし、シリコンを摂氏130度で90分間、または室温で一晩硬化させます。リファレンス接点をシリコンで固定したら、同じ手法を使用してセンターコンタクトアレイを取り付けます。重要なのは、高品質の録音を得るには、センターの接点を正確に配置する必要があることです。
リード線を指定された出口サイトへの適切な配線も重要です。1 cm x 5 cmの透明シートをカットし、中央の接点アレイを覆うように使用します。次に、ベースプレートにテープで固定します。
小さなフィクスチャバーを電極の中央に置き、ベースプレートに固定して、シリコンが硬化するまで中央の接点を所定の位置に固定します。硬化したら、小さなフィクスチャバーを取り外しました。次に、リファレンスと金属接点のリード線を固定しているテープをすべて剥がし、透明シートをそっと剥がして金属接点アレイを露出させます。
次に、電極と同じ幅で長さが5cmの正方形の透明部分を切り取ります。次に、電極表面全体を覆うことができる正方形のシリコンシートをカットします。次に、このシリコンを透明部分の上に置き、平らに伸ばして凹凸を取り除き、気泡が閉じ込められるのを防ぎます。
次に、シリコンチューブを4本、それぞれ5cmの長さで切断し、図の次の出口に配置します。電極の端とチューブの間に2mmの隙間を空けます。チューブの各ペアをピンセットで押さえながら、チューブの端から1mm離れたところからチューブをテープで留めます。
次に、中央の連絡先のリード線と参照を束に配置します。次に、出口サイトの近くにある対応するチューブに通します。これをすべてのチューブに対して行います。
次に、真空処理された混合容器または注射器から、電極本体全体に未硬化のシリコンをゆっくりとたっぷりと堆積させます。次に、シリコンと透明構造を未硬化のシリコンに置きます。シリコンシートを電極に接着したまま、透明部分を電極に合わせます。
次に、透明度をテープで留め、軽い圧力をかけて閉じ込められた気泡を取り除きます。最後に、大きなフィクスチャバーを電極の中央と透明セグメントの上に配置します。次に、適度な圧力でベースプレートに固定し、シリコンを完全に硬化させます。
シールドレイヤーを追加するには、大きなフィクスチャーバーを取り外し、ピンセットで透明ピースを取り外します。次に、シールドシートを電極の各面の中央に置き、電極にそっと押し込みます。次に、未硬化のシリコンをスルーホールに堆積させ、摂氏130度で30分間部分的に硬化させます。
室温まで冷却したら、電極の外側の端と閉鎖フランジに粘着テープを貼り、シリコンがこれらのセグメントに入らないようにします。次に、電極本体全体を覆うようにシリコンの層を追加するプロセスを繰り返します。その後、電極の上にシリコンと透明シートを敷き、大きな固定具バーで固定してシリコンを硬化させます。
硬化後、プロセスを完了するには、余分なシリコンとテープを取り外します。次に、シリコンを通して窓を切り取ってスペーサーセグメントを露出させ、ピンセットを使用してスペーサーセグメントを取り外します。次に、顕微鏡で、電極本体と同じ高さになるまで、チューブ上のテープとシリコンをはがします。
次に、電極の周囲をベースプレートまで慎重に切り取ります。次に、電極を損傷しないように注意しながら、ガイド図に従ってリード線の出口サイトを形作ります。各チューブペアの間に三角形を切り取り、電極層を完全に通過して外側に通します。
次に、シールド層を覆うシリコンに窓を切り込みます。次に、電極ベースと隣接する透明層の間にポリプロピレン縫合糸を滑らせ、それを使用してほぼ完成したカフ電極を剥離します。最後に、シリコンから窓を切り取り、中心接点と基準接点を露出させます。
作製したFINE電極を用いて、イヌの坐骨神経の活動を7.5ヶ月以上記録しました。カスタマイズされたプリアンプとスーパーベータ入力計装アンプを実装しました。電極は、2つの自由端を縫合することにより、神経の周囲に埋め込まれました。
カフは、長手方向の柔軟性を維持しながら神経を平らにします。カフ内の圧力レベルの増加に対する電極応答を測定しました。拡張期圧力レベルが67mm水銀柱の場合、カフは初期断面積の1.25に拡張されました。
この拡張は、インプラント処置後の神経の腫れを補うために使用することができます。いくつかのパラメータは、慢性インプラントの期間中、定期的に測定されました。信号対雑音比は、7.5か月全体にわたって安定していました。
1kHzで測定した接触インピーダンスも安定していました。最後に、動物の皮膚全体の接続が悪いために発生したことが観察された非アクティブな接触は2つ以上ありませんでした。このビデオを見れば、同様のマルチチャネル神経電極の作り方を十分に理解し、最終アプリケーションの要件を満たすように設計を調整できるようになるはずです。
これらの電極の使用により、神経補綴学の分野の研究者が神経からの自発的な信号を記録する道が開かれました。
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概要
この記事では、高接触密度のフラットインターフェース神経電極（FINE）の製造プロセスについて詳細な説明を提供します。この電極は、末梢神経内で神経活動を選択的に記録および刺激するために最適化されています。
主要な研究要素
科学の分野
- 神経補綴学
- 神経インターフェース
- 電極設計
背景
- フラットインターフェースのカフ電極は、神経補綴学の問題を解決するのに役立ちます。
- これらは神経から肢を動かす意図を記録するように設計されています。
- これらの電極はサブミリメートルの特徴を持っています。
- この設計は柔軟で様々な応用にカスタマイズ可能です。
研究の目的
- 神経インターフェース応用のためのフラットインターフェース電極を製造すること。
- 神経活動の記録と刺激を改善すること。
- これらの電極を手作業で作成するための信頼できる方法を提供すること。
使用された方法
- CADソフトウェアを使用して電極の正確なスケール図を作成すること。
- 信頼性の高い電極生産のための手作業による製造技術。
- 異なる神経インターフェース応用のための設計のカスタマイズ。
- 高性能のための電極特徴の最適化。
主要な結果
- 高接触密度のフラットインターフェース神経電極の成功的な製造。
- 神経記録と刺激における電極の有効性の実証。
- サブミリメートル特徴の手作業製造プロセスの検証。
- 設計の柔軟性により、神経補綴学における様々な応用が可能。
結論
- 製造された電極は神経インターフェース技術の改善に有望です。
- 手作業による製造は複雑な電極設計を作成するための実行可能な方法です。
- さらなる研究により、これらの電極の神経科学における応用を拡大できます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
High contact-density, flat-interface nerve electrodes enable precise neural recording and stimulation, addressing critical challenges in neuroprosthetic device development. Their customizable geometry and robust long-term performance support translational research and early-stage device validation. This capability is pivotal for advancing selective neural interfacing and de-risking neurotechnology portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of peripheral nerve pathways for functional mapping.
- Supports mechanistic de-risking by providing selective neural signal access.
- Facilitates target validation for neuromodulation strategies.
Screening & Assay Development
- Provides a reproducible platform for quantitative neural signal acquisition.
- Standardizes electrode placement and contact geometry for assay consistency.
- Enables reliable evaluation of stimulation and recording protocols.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant models for chronic neural interface studies.
- Maintains stable signal-to-noise and impedance metrics over extended implantation.
- Supports continuity from device prototyping to preclinical validation.
Pipeline & Workflow Integration
This fabrication method integrates into the neurotechnology pipeline from early discovery through preclinical device validation, supporting iterative design and chronic performance assessment.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of neural circuit function via selective recording and stimulation.
- Screening: Delivers standardized, high-density electrode arrays for reproducible neural assays.
- Analytics: Provides quantitative outputs such as impedance and signal-to-noise ratio for device benchmarking.
- Translational Research: Demonstrates chronic stability in animal models, supporting translational continuity.
- Enterprise Reuse: Offers a customizable, scalable electrode platform adaptable to diverse neuroprosthetic applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in neural interface performance and target engagement.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization in electrode fabrication and deployment.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by enabling chronic validation of device-tissue interfaces.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement of neurotechnology assets through robust preclinical data.
Implementation Considerations
- Requires CAD/CAM proficiency and precision manual assembly skills.
- Needs access to laser cutting, spot welding, and microscopy instrumentation.
- Demands cross-team standardization of electrode design and fabrication protocols.
- Adaptable to various nerve sizes and geometries with design modifications.
- Performance metrics such as impedance and SNR must be routinely validated in chronic studies.
