방법 논문

신경 기록 전극의 체계적인 전기 및 전기 생리 평가를위한 방법

DOI:

10.3791/51084

⸱

2014년 3월 3일

 ,  ,  , 
1School of Psychological Science, La Trobe University, 2Intelligent Polymer Research Institute, University of Wollongong, 3ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science, 4Health Innovations Research Institute, College of Science, Engineering, and Health, RMIT University

이 논문에서

요약

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다른 전극 코팅은 전기 화학적, 화학적, 기계적 특성 변화를 신경 기록 성능에 영향을 미친다. 체외에서 전극의 비교 그러나 생체 반응의 비교는 일반적으로 전극 / 신경 세포의 거리에서 동물 사이의 변화에 의해 복잡하고, 비교적 간단하다. 이 문서에서는 신경 기록 전극을 비교하는 강력한 방법을 제공한다.

초록

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새로운 재료와 신경 임플란트 디자인은 일반적으로 성능을 시연 그러나 다른 임플란트 특성을 참조하지 않고, 개별적으로 시험한다. 이것은 특정 애플리케이션에 대해 최적의 가장 중요한 성능 파라미터에 기초하여 새로운 재료의 개발과 같은 특정 임플란트의 합리적 선택을 배제한다. 이 문서는 시험 관내 및 신경 기록 전극의 생체 내 시험에 대한 프로토콜을 개발하고 있습니다. 전기 및 전기 생리학 검사에 대한 권장 매개 변수를 설명하는 주요 단계 및 잠재적 인 문제와 함께 설명되어 있습니다. 이 방법은 제거 또는 단순 생체 실험 패러다임, 전극 / 신경 세포의 거리 및 동물 모델과 특히 변동에 존재하는 많은 계통 오차의 영향을 줄일 수 있습니다. 결과는 시험 관내에서와 같은 임피던스 및 Si 등의 생체 내 반응에서 중요한 간의 강한 상관 관계gnal 잡음비. 이 프로토콜은 쉽게 다른 전극 재료 및 설계를 테스트하도록 구성 될 수있다. 시험 관내 기술은 더욱 중요한 성능 지표를 결정하는 임의의 다른 비파괴 방법으로 확장 될 수있다. 청각 경로의 수술 방법에 사용되는 원리는 또한 다른 영역 또는 신경 조직에 변형 될 수있다.

서론

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신경 임플란트 보철 및 파킨슨 병, 간질, 및 감각 손실 1,2 장애의 치료를 제어하는 연구를 위해 사용이 증가되고있다. 화학 물질과 뇌의 전기적 구성을 모두 측정 및 / 또는 제어하는​​ 모든 신경 임플란트의 기초가된다. 그러나, 신경 조직이 3 부작용을 감소시키는 정도를 벗어난 상태에있는 경우에만 처리를 관리하는 것이 중요하다. 예를 들어, 간질 치료를위한 뇌 심부 자극은 발작 중 뇌에 전기 펄스를 적용해야합니다. 일부 부작용은 근육 긴장 이상, 메모리, 방향 감각 상실,인지 기능 장애, 유도 환각, 우울, 항 우울증 3,4의 손실이있을 수 있습니다. 많은 장치에서, 폐 루프 시스템은 전기 활동을 기록하고, 이상 상태가 검출 될 때 자극을 유발하는 것이 필요하다. 기록 전극은 또한 프로 제어하는​​ 데 사용된다sthetic 장치. 그것은 가장 정확한 트리거링 및 장치 제어를 달성하기 위해 가능한 가장 높은 신호 대 잡음비로 타겟 신경 활동을 기록하는 것이 중요하다. 더 신뢰할 수있는 데이터가 적게 요구되는 시험 대상의 결과를 얻을 수있는 바와 같이 큰 신호 - 대 - 잡음 비는 또한 연구 애플리케이션에 매우 바람직하다. 이것은 또한 신경 자극과 녹음에 관여하는 메커니즘과 경로의 큰 이해를하실 수 있습니다.

신경 이식 뇌에 배치 된 후, 면역 반응은 5,6 트리거된다. 응답의 시간 경과는 일반적으로 서로 다른 생물학적 과정 7 이루어진 급성 및 만성 단계로 구분된다. 면역 반응은 이러한 임플란트 재료 (8)의 아교 흉터 또는 화학적 분해에 의해 밀봉 대상 뉴런으로부터 전극의 분리와 같은 임플란트의 성능에 극적인 효과를 가질 수있다.이것은 기록 전극의 신호 대 잡음비와 자극 전극의 전원 출력 및 오류 9 전극 리드를 줄일 수있다. 임플란트 디자인 및 재료의 신중한 선택은 임플란트 수명 동안 고장을 방지하기 위해 필요하다.

다른 재료 및 임플란트 디자인 많은 신경 기록 용 신호 대 잡음비 및 임플란트의 안정성을 개선하기 위해 최근 개발되어왔다. 전극 재료는 백금, 이리듐, 텅스텐, 산화 이리듐, 산화 탄탈, 그래 핀, 탄소 나노 튜브, 전도성 중합체 도핑, 그리고 더 최근의 하이드로 겔을 포함했다. 시험 기판 재료는 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실크, 테프론, 폴리이 미드, 및 실리콘을 포함한다. 다양한 전극 수정은 또한 전기, 플라즈마 및 광학 기술을 사용하여 라미닌, neurotrophins과, 또는 자기 조립 단층과 치료 등의 코팅을 사용하여 연구되었다. 임플란트 디자인일반적 절연성 프로브의 선단에 전극 또는 관통하거나 외피 표면 임플란트를위한 2 차원 배열에 대한 생크의 가장자리 또는 전극과 3 차원 -, 2 - 그룹의 1이 될 수있다. 에 관계없이 전극의 디자인이나 소재, 이전의 문학은 일반적으로 다른 임플란트 구조를 참조하지 않고 새로운 임플란트의 성능을 보여 주었다. 이것은 그들의 속성의 체계적인 평가를 방지 할 수 있습니다.

이 프로토콜은 분석 및 전기 생리 기술 범위를 통해 다른 전극 재료를 비교하기위한 방법을 제공한다. 이것은 중합체 코팅 (폴리피롤 (PPY), 폴리 -3,4 - 에틸렌 (PEDOT), 황산으로 도핑 (SO 4) 또는 파라 - 톨루엔 설포 네이트 (PTS)) 및 4 전도성 4 가지 도핑 비해 최근 발표 된 문서에 기초 다른 코팅 (10)은 두께. 이 문서는 45 초 증착 시간에 하나의 재료, PEDOT-PTS 발견작은 배경 잡음과 함께 이들 파라미터는 전극의 임피던스에 의존했고 그 가장 높은 신호 - 대 - 잡음 비 및 스파이크 카운트했다. PEDOT-PTS는 다른 도핑 된 전도성 고분자와 맨 손으로 이리듐 전극에 비해 우수한 급성 생체 안정성을 표시. 프로토콜은 임계 파라미터가 결정되고 상기 뉴럴 기록 전극의 성능을 향상시키기 위해 사용되는 신호 - 대 - 잡음 비 및 안정성을 제어한다.

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프로토콜

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프로토콜은 라트 로브 대학 (09-28P)와 RMIT 대학 동물 윤리위원회 (1315)에 의해 승인되었습니다.

1. 전극 준비 및 예비 시험 관내 시험

  1. 전극 코팅 증착 용액을 준비] 예 10 밀리 3,4 - 에틸렌 디옥 시티 오펜 (EDOT) 및 0.1 M 나트륨, 파라 - 톨루엔 술폰산 (나 2 PTS는) 폴리 (3) -3,4 - 에틸렌-PTS (PEDOT-PTS)을 형성.
  2. 텐쇼에 전극 배열을 연결합니다.
  3. 조심스럽게 증착 용액에 전극 배열을 놓고 제자리에 클램프.
  4. 증착 용액에 백금 메쉬 상대 전극 및 Ag / AgCl 기준 전극을 배치하고 텐쇼에 연결한다.
  5. 원하는 전극에 텐쇼, 예금 코팅을 사용. 증착 조건 (가능성, 현재와 시간)이 원하는 코팅에 따라 달라집니다. PEDOT-PTS 코팅을위한,인가 pote15, 30, 45, 또는 60 초 동안 1 V의 ntial가 사용되었습니다. 배열에 네 개의 전극을 엇갈리게의 코팅 (그림 1)로 코팅되어야한다.
  6. 증착 용액에서 전극 배열을 제거하고 부드럽게 탈 이온수로 씻어냅니다.
  7. 원하는대로 다른 재료로 코팅 절차를 반복합니다.
  8. 시험 관내 시험 용액 (증류수에 0.3 M 디 나트륨 인산염 (Na 2 HPO 4))를 준비한다.
  9. 텐쇼에 전극 배열을 연결합니다.
  10. 조심스럽게 시험 용액에 전극 배열을 놓고 제자리에 클램프.
  11. 시험 용액에 백금 메쉬 상대 전극 및 Ag / AgCl 기준 전극을 배치하고 텐쇼에 연결한다.
  12. 텐쇼를 사용하여, 연속 전기 화학적 임피던스 분광법 (EIS)을 수행하고, 순환 전압 전류 법 (1주기, 잠재적 인 범위 0 (가능성은 0 V, 폭 10 MV, 주파수 범위 10-100,000 Hz에서 오프셋)0.8 V -0.8로, 스캔 속도 100 MV / 모든 전극에 초). 검증되지 않은 전극은 개방 회로 전위로 유지되고, 1 초의 조용한 시간은 각 시험 사이에 사용됩니다. 모든 전극 (32)을 1 시간의 전체 테스팅 세션 용액과 접촉하고있다.
  13. 테스트 솔루션에서 전극 배열을 제거하고 부드럽게 탈 이온수로 헹군다.
  14. 광 현미경 등 기타 원하는 분석을 수행합니다.
  15. 전극 표면의 손상과 저하를 방지하기 위해 건조 보호 용기에 보관 프로브.

2. 전극 이식

  1. 쥐의 무게를 측정.
  2. (증류수 / V W, 1.3 g / kg IP 20 %) nonrecovery 마취 우레탄을 주입한다.
  3. 발가락 핀치 철수 반사 테스트하여 마취 발병을 확인합니다. 마취가 충분하지 않은 경우, 우레탄의 보충 복용 (0.3 g / kg의 IP)을 투여해야한다.
  4. 눈 윤활제를 적용하고의 머리를 면도근위.
  5. homeothermic 접시에 발생하기 쉬운 위치에 동물을 배치하고 직장 프로브 (37.5 °의 C)를 삽입합니다.
  6. 고정대에서 약 예상 최종 위치에 하나 귀 줄을 놓은 다음, 외부 음향 (外耳道)에 귀 막대를 배치하는 동물을 조정합니다.
  7. 반대측 외부 음향 (外耳道)에 두 번째 귀 줄을 맞 춥니 다. 치아 홀더에 맞도록 귀 바에서 동물을 이동.
  8. 쥐 이빨 집게를 사용하여, 동물의 턱을 열고 치아 홀더에 상단 앞니를 연결하고 그 자리에 코를 클램프.
  9. 약 1 정중선의 오른쪽에있는 MM 10 ㎜의 주동이에서 람다의 10mm의 꼬리에, 머리의 피부 절개를 만듭니다.
  10. 20 % 과산화수소 용액 및 가제 패드를 사용하고 정수리 interparietal 뼈를 노출로부터 피부를 절개하고 측방 근육 후퇴, 노출 된 뼈의 표면을 문질러.
  11. 약 구멍을 드릴3mm 가능한 람다 및 중간 선에 가깝게 interparietal 뼈에있는 뼈의 플러그를 제거합니다. 멸균 식염수를 사용하여, 전극에 손상을 줄 수있는 뼈 먼지 또는 파편을 제거하기 위해 구멍을 플러시.
  12. 무딘 무딘 가위를 사용하여 목의 목덜미 아래 해부 충치를 만들 수 있습니다. , 탈지면에 자세 / AgCl을 와이어를 감싸 식염수로 포화 한 후 공동으로 기준 전극을 삽입합니다.
  13. 바늘의 끝 부분을 사용하여 시상면에서 경막의 절개를합니다.
  14. 전극 조작에 전극 배열을 연결하고 19 °의 rostro - 꼬리 각도 입구에 위치를 조정합니다. 수동으로 열등 둔덕으로 뇌에 전극에게 약 2mm를 삽입합니다.
  15. 왼쪽 빈 귀 줄에 스피커를 연결합니다.
  16. 확인 앰프가 켜져 있습니다. 그런 다음, 기록 챔버를 밀봉하기 전에 동물을 마취 확인.

3.생체 내 시험에서

  1. 백색 잡음 버스트 (가우스 분포 소음, 1-44 kHz에서, 10 밀리 초 상승 - 하강 시간)을 제공하고, 각 전극의 활동을 모니터링 할 수 있습니다. 버스트가 전달되어야하는 최대 속도는 하나의 버스트마다 200 밀리 초입니다.
  2. 음향 구동 활성 (전극 기록 활동의 개수와 위치는 전극 배치 나 전극 설계에 따라 달라질 수있다) 각 생크에 3 가장 원위 전극 상에 기록 될 때까지 동력 마이크로 드라이브를 사용하여 천천히 전극 배열을 삽입한다.
  3. 50 밀리 초 백색 잡음 버스트 (가우스 분포 소음, 1-44 kHz에서, 10 밀리 초 상승 - 하강 시간) 300 반복 사용하여 음향 자극 프로토콜을 수행 70dB에서 1​​ 초 반복 속도를, 그리고 (각 전극에서 multiunit 활동을 기록 24.4 kHz 샘플링 속도).
  4. 천천히 일에서 더 말단 전극으로 거의 같은 위치에있는 각 전극의 위치를 전극 배열에게 IC에 또 다른 200 μ m를 삽입전자 최초의 기록 위치.
  5. 음향 자극과 신경 기록 프로토콜을 반복합니다.
  6. 200 μ m 단계에서 전극 배열을 삽입하고 모든 전극은 적어도 3 위치 (일반적으로 8-12 전체적인 전극 위치)으로부터 음향 적으로 구동되는 활동을 기록 할 때까지 음향 자극과 신경 기록 프로토콜을 계속 수행.
  7. 200 μ m 단계에서 전극 어레이 후퇴하고 초기 전극 배열 위치가 달성 될 때까지 음향 자극과 신경 기록 프로토콜을 계속 수행.
  8. 조심스럽게 직접 전극 배열을 철회.
  9. 나트륨 펜토 바르비의 과다 주입 (Lethobarb을, 200 ㎎ / ㎏ IP) 동물을 안락사 할 수 있습니다.
  10. 부드럽게 증류수 전극 어레이를 헹군다. 그런 다음 마른 보호 용기에 보관 프로브는 전극 표면의 손상과 저하를 방지합니다.

4. VIT에 착상RO 테스트

  1. 온화하게 어떤 오염을 제거하기 위해 증류수로 전극 어레이를 헹군다.
  2. 텐쇼에 전극 배열을 연결합니다.
  3. 조심스럽게 시험 용액에 전극 배열을 놓고 제자리에 클램프.
  4. 시험 용액에 백금 메쉬 상대 전극 및 Ag / AgCl 기준 전극을 배치하고 텐쇼에 연결한다.
  5. 텐쇼를 사용하여, 연속 전기 화학적 임피던스 분광법 (EIS)을 수행 (가능성은 오프셋 0 V, 폭 10 MV, 주파수 범위 10-100,000 Hz에서) 및 순환 전압 전류 법 (1주기, 잠재적 인 범위 0.8 -0.8 V, 스캔 속도 100 MV / 초 ) 모든 전극에. 검증되지 않은 전극은 개방 회로 전위로 유지되고, 1 초의 조용한 시간은 각 시험 사이에 사용됩니다. 모든 전극 (32)을 1 시간의 전체 테스팅 세션 용액과 접촉하고있다.
  6. 테스트 솔루션에서 전극 배열을 제거하고 부드럽게 탈 이온수로 헹군다.
  7. 피24 시간 동안 효소 세척 용액에 전극 배열을 끈으로 묶는다.
  8. 용액에서 전극 배열을 제거하고 증류수로 씻어.
  9. 텐쇼에 전극 배열을 연결합니다.
  10. 조심스럽게 시험 용액에 전극 배열을 놓고 제자리에 클램프.
  11. 시험 용액에 백금 메쉬 상대 전극 및 Ag / AgCl 기준 전극을 배치하고 텐쇼에 연결한다.
  12. 텐쇼를 사용하여, 연속 전기 화학적 임피던스 분광법 (EIS)을 수행 (가능성은 오프셋 0 V, 폭 10 MV, 주파수 범위 10-100,000 Hz에서) 및 순환 전압 전류 법 (1주기, 잠재적 인 범위 0.8 -0.8 V, 스캔 속도 100 MV / 초 ) 모든 전극에. 검증되지 않은 전극은 개방 회로 전위로 유지되고, 1 초의 조용한 시간은 각 시험 사이에 사용됩니다. 모든 전극 (32)을 1 시간의 전체 테스팅 세션 용액과 접촉하고있다.
  13. 테스트 솔루션에서 전극 배열을 제거하고부드럽게 탈 이온수로 헹군다.
  14. 전극 표면의 손상과 저하를 방지하기 위해 건조 보호 용기에 보관 프로브.

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결과

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이 실험 프로토콜에 사용되는 통상적 인 전극 어레이는도 1에 도시된다. 413 μ 평방 미터 명목 기하학적 공간과 200 μ m 피치 4 정강이에 32 이리듐 전극이있다. 어레이의 각 제 2 전극은 1-4 개의 다른 표지 된 전극 코팅 중 하나로 코팅되었다. 코팅 재료는 신중하게, 화학 기계 및 전기 화학적 특성에 대한 선택되었습니다. 이전 10 바와 같이 큰 전류 또는 전위도 경쟁 반응이 그 증착 공정에 영향을 발생할 수 있고, 증착 속도를 증가시킬 수있다인가하면서, 증가 된 증착 시간은, 전극 면적 및 코팅 두께를 증가시킬 것이다. 증착 프로토콜을 재현 코팅을 달성하기 위해이 특정 전도성 고분자에 대해 이전에 최적화 된 등이 전극에 국한된다 (즉, adjace에 전파되지 않습니다NT 전극) 10.

전극 어레이가 수정 된 후에, 광학 및 ...

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토론

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이 프로토콜은 동물 내에서 신경 기록 전극 코팅을 비교하기위한 방법을 제공한다. 사용 된 전극 디자인은 비슷한 규모의 치수, 쥐 열등 둔덕 (IC)에 주입 이상적입니다. 이러한 섕크 사이에 더 많은 공간 등이 전극의 변형 이상 섕크와 전극 사이의 큰 피치 생크 팁 두개골의 염기와 접촉하게 될 위험을 증가하면서 모든 정강이, 동시에 래트 IC에 빠지는 것을 방지 할 삽입시. 작은 전극 피치는 인접하는 전극과 접촉 한 전극으로부터 피막의 위험을 증가시킨다. 전극 면적은 신경 기록 반응에 영향을 미칠 것이다, 따라서 실험에서 일관성이 있어야합니다. 선택 영역이 변수 전극 신경 세포의 거리와 일관성 데이터의 결과로, 멀티 유닛 활동을 측정하기에 이상적입니다. 동일한 코팅 4 전극을 사용하여 통계 분석 F에게 허용동물과 충분한 데이터 내에서 ROM은 2 개의 다른 전극 배열 (각 재료의 샘플 크기 8)로 2 동물에서 얻을 수 있습니다. 전극 코팅은 또한베이스 끝에서 정강이 폭의 변화에​​서 실험 또는 전기장 효과의 과정을 통해 전극 배...

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공개 사항

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저자가 공개하는 게 없다.

감사의 글

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저자는 Electromaterials 과학 우수의 센터를 통해 호주 연구위원회의 지원을 인정합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
프로그래밍 가능한 감쇠기TDTPA5주파수에 걸쳐 음향 신호의 진폭을 제어합니다
정전기 스피커 드라이버TDTED1정전기 스피커 (EC1)
를 구동합니다 결합 정전기 스피커TDTEC1동물에게 소리 전달
처리 기지국TDTRZ2전극 어레이에서 신경 활동을 기록합니다 (PZ2 프리앰프 사용)
프리앰프TDTPZ2-256256-채널 고임피던스 프리앰프
다기능 프로세서TDT RX6음향 자극을 생성하는 데 사용됩니다
다채널 전극NeuroNexus TechnologiesA4 × 8– 5mm-200-200-4134-생크 32채널 전극 어레이
PotentiostatCH InstrumentsCHI660B전극 코팅을 증착하고 순환 전압 주사법 및 EIS를 수행합니다(CHI684와 함께 사용)
멀티플렉서CH InstrumentsCHI684전위차 조절기의 전극 간 전환
Disodium phosphateFluka71644테스트 용액에 사용
3,4- 에틸렌 디옥시 티오펜 (EDOT)시그마 알드리치483028전극 코팅 재료
파라 톨루엔 설포 네이트 (Na2< / sub>pTS)시그마 알드리치152536전극 코팅 재료
우레탄시그마 알드리치U2500동물을 마취시키는 데 사용
은/염화은 전극CH InstrumentsCHI111전극 in vitro
Platinum 전극테스트에 사용 CH InstrumentsMW4130전극 테스트에 사용 전극 in vitro
Motorized microdriveSutter InstrumentsDR1000수술 중 전극 어레이 위치 제어
효소 클리너Advanced Medical OpticsUltrazyme이식 후 전극 어레이에서 단백질을 청소
음향 인클로저TMC Ametek83-501음향 및 전기 소음으로부터 동물을 격리
입체 프레임David Kopf Instruments1430고정 및 위치 지정
World Precision InstrumentsATC1000동물 온도 제어
뼈 드릴KaVo DentalK5Plus두개골 절제술을 수행하는 데 사용
흡인기 FlaemSuction pro두개골 절제술을 수행하는 데 사용됩니다.
. 합니다 동물 온도 조절기

참고문헌

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