Name: 다중 유연한 폴리머 전극 어레이의 만성 이식 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-10-04T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 54 s
Description: 학습하세요 다중 유연한 폴리머 전극 어레이를 쥐 뇌에 만성 이식하는 수술 기법을 통해 광범위한 신경 세포 집단을 장기간 모니터링하는 방법을. 이 기술은 인지 기능을 지원하는 뉴런 변화 연구에 필수적입니다.

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이 작품은 NINDS 교부금 U01NS090537을 L.M.F 및 V.M.T.에, NIMH 교부금 F30MH109292J.C.에, NIMH 교부금 F30MH115582에 H.R.J. J.E.C.와 H.R.J.가 지원하며, NMS는 #T32GM007618. 플랫 아이언 연구소는 사이먼스 재단의 부서입니다.

J.E.C.와 L.M.F.는 여기에 설명된 작업과 관련된 출원 중인 특허에 대한 발명가입니다.

이것은 수개월에 걸쳐 단일 단위의 기록을 위해 분산 된 뇌 영역에 여러 폴리머 전극 어레이를 이식하는 방법입니다. 이 방법은 가장 가까운 대규모 폴리머 어레이 계시스템2,3에서기록 채널의 8배 증가및 4배 의 삽입수 증가를 나타낸다. 이 시스템은 마우스에서 폴리머 메쉬 주입 기반 시스템을 이용했지만 절대 적인 수의 퍼팅 단일 단위를 보고하지 않았고 따라서 단일 뉴런 수율의 비교는 불가능하다.
유연한 장치의 삽입 방법은 Felix et al.39의이전 프로토콜을 기반으로 하며, 중요한 수정사항: 후퇴 시 실리콘 셔틀의 독립적인 움직임을 위한 3피스 삽입 장치 및 어레이의 테더링 셔틀을 철회하기 전에 목표 깊이에서 원래 프로토콜에 설명 된 빠른 철수의 필요성을 함께 제거합니다. 이러한 변화는 조직 손상을 최소화하고 셔틀을 철회하는 동안 어레이 안정성을 유지합니다. 바이오 용해 성 물질이 있는 장치를 일시적으로 경화시키는 것과 같은 다른 유연한 장치 이식 전략은 이 프로토콜의 후속 단계와 호환됩니다. 임플란트 내 장치를 보호하려면 뇌를 덮고 섬세한 장치 리본을 보호하기 위해 이전에 검증된 전략을 통합해야 했습니다.
취약성으로 인해 폴리머 전극 어레이와 실리콘 삽입 셔틀에 직접 접촉하거나 다른 방법으로 전달하지 않도록 주의와 주의가 필요합니다. 특히 여러 장치로 작업할 때 한 장치의 간섭을 피하기 위해 현미경으로 삽입을 관찰해야 합니다. 일반적으로, 흔적을 피하면서 플라스틱 팁 집게로 전극 어레이를 부드럽게 처리할 수 있다. 이러한 전략은 예를 들어, 중합체 전극 어레이가 삽입 셔틀로 후퇴하기 시작하는 경우에 적합하다. 이는 PEG가 완전히 용해되지 않았거나 폴리머와 실리콘 사이의 식염수 또는 CSF의 표면 장력으로 인해 발생할 수 있습니다.
가장 일반적인 복구 가능한 오류 중 하나는 삽입 셔틀의 배열 분리입니다. 이것은 장치 팁에 있는 두뇌 보조개 및 압력이 증가함에 따라, 배열과 셔틀이 불완전하게 정렬되는 경우에 또는 응결이 PEG를 부분적으로 용해한 경우에, 삽입에서 생길 수 있습니다. 배열을 다시 부착하려면 뇌 표면 위에서 가능한 한 높게 올리고 건조할 때까지 기다립니다(약 5분).
다중 어레이 이식 수술을 계획하는 중요한 측면은 모든 임플란트 대상을 수용하고 두개골의 윤곽에 대한 간격없이 앉을 수있는 베이스 피스의 디자인입니다. 베이스 피스는 어레이를 삽입하기 전에 두개골 청소, 나사 배치 및 부분 두개골 후 두개골에 고정된 작은 플라스틱 조각입니다. 그것은 세 가지 기능을 가지고 있습니다 : 1) 배열 삽입 다음 PEG를 용해하기위한 식염수를 보유하지만 실리콘 셔틀 철회 전에, 2) 어레이가 폴리 이미드 날개에 의해 부착 될 수있는 두개골 표면 위의 위치를 제공하여 스트레인 릴리프를 허용합니다. 뇌의 삽입 점 위의 리본을 따라 3) 어레이와 뇌를 안정화하고 보호하는 인공 경막 실란트를 보유합니다. 베이스 피스는 수작업으로 또는 3D 프린팅으로 만들 수 있습니다. 식염수의 염기 조각을 배수하고 건조시키는 것이 매우 중요한 선행 장치 삽입이 중요하다는 것이 관찰되었다. 이러한 단계는 어레이 및 삽입 셔틀의 응축 및 분리를 방지합니다. 베이스 피스를 건조하는 것은 또한 인공 경막 실란트로 베이스 피스를 채우는 데 중요합니다. 또한 실리콘 젤의 필름이 두개골에서 제거하기 어렵기 때문에 베이스 피스가 누출되지 않는 것이 중요하며 두개골에 임플란트를 안정적으로 만성 부착하기 위해 치과 아크릴의 부착을 방지합니다. 점도가 낮은 생체 적합성 실리콘 엘라스토머는 주변점도가 높은 실리콘 엘라스토머와 노출된 폴리머 어레이 리본으로 두개골과 베이스 피스를 채우는 데 사용될 수 있습니다.
폴리머 나노 제조의 발전은 중합체 기반 전극 어레이로 변환되어 기능 크기를 줄이고 실리콘 장치15,16,17에 가까운 어레이에서 가능한 전극 수를 증가시킬 것입니다. ,18,19. 마찬가지로, 폴리머 장치의 단면적은 기능 크기와 함께 축소되어 더 나은 생체 적합성8을제공합니다. 다시 말하지만, 실리콘 장치로 수행되는 것처럼 증폭, 디지털화 및 멀티플렉싱칩(17)과의 통합은 더 큰 규모의 신경 기록을 가능하게 할 것입니다.

이상적인 신경 임플란트는 몇 주에서 몇 달에 걸쳐 분산 된 뇌 영역에서 매우 많은 수의 개별 뉴런을 기록할 것입니다. 유연한 폴리머 전극 어레이는 수개월 동안 기록할 수 있는 장수와 개별뉴런을추적하는 안정성을 갖춘 전기 생리학적 기록을 제공합니다1,2,3. 그러나, 전단 손상을 감소 동일한 기계적 특성4 및 부여 생체 적합성 및 기록 기능2,3,5,6,7, 8은 그들의 단단한 대응에 상대적인 두뇌에 그들의 삽입에 도전을 제기합니다. 이전 작업은 최대 4개의 32채널 배열을 달성했지만, 정렬된 단일 뉴런의 총수율은2,3,9. 반대로, 실리콘 기반 전극 어레이는 고밀도, 다중 영역 임플란트에 사용되어 왔지만, 이러한 기술은 몇 달 동안 뉴런의 스파이크를 기록하거나 (장수) 또는 해당 시간대에서 동일한 뉴런 (안정성)을 추적 할 수있는 능력이 부족하거나 밀도는 여러 뇌 영역에 걸쳐 개별 뉴런의 수백에서 기록. 여기에 제시된 방법은 현재 중합체 전극 배열 기반 방법에서 낮은 수의 삽입을 극복하여, 여러 해부학적으로 먼 지역에서 많은 수의 개별 뉴런을 전기 생리학적으로 기록할 수 있는 수단을 제공한다. 몇 달 동안 동일한 개별 뉴런에서 기록할 수 있는 안정성을 가지고 있습니다.
마이크로와이어 또는 실리콘 기반 전략 대신 폴리머 기판을 사용하는 것의 중요성에 관한 몇 가지 논쟁이 있습니다. Dhawale 등10에서입증한 바와 같이, 마이크로와이어는 실제로 설치류에서 수개월 동안 안정적으로 기록할 수 있지만, 임플란트는 단일 영역에서 16개의 테트로드로 제한되었습니다. 마이크로와이어 임플란트의 크기를 확장하면 상대적으로 높은 상한에 도달하며, 최대 1792개의 이식 채널이 비인간영장류(11)에서달성되었다. 그러나, 마이크로와이어 어레이의 시공은 실리콘 나노제조 공정과 호환되지 않으며, 따라서 시공 시 각 채널의 수동 처리가 매우 시간이 많이소요되므로, 12,13 시공 시 개별적으로 수동 처리가 요구된다. ,14. 따라서 이 기술이 레코딩 채널의 엄청난 증가를 지원할 수 있는지는 분명하지 않습니다.
현재 실리콘 장치는 단일 모놀리식 장치15,16,17,18,19에수백 또는 천 개 이상의 전극을 배치 할 수 있습니다. 최신 실리콘 제조 공정은 재료에 관계없이 더 작은 단면적의 장치를 생성하여 신경교 활성화20,21,22,23이 적습니다. ,24 개 이상의 호환 장치. 실리콘 프로브 단일 단위 기록 수명에 대한 보고서에는 가변성이 있으며, 일부는 상대적으로 큰 실리콘 프로브가 장기 기록25,26을제공할 수 있음을 나타냅니다. 특히, 최신 상용 실리콘장치(17)는 수개월 동안 기록할 수 있는 수명을 가지며 여기에 기재된 방법에 사용된 생크와 매우 유사한 단면적을 가지고 있다(Jun et al. 201717: 70 μm x 20 μm, 여기에 설명 된 장치 및 Chung 외. 20191: 68 μm – 80 μm x 14 μm). 안정성의 차이로 인해, 이 프로브는 몇 주 동안 동일한 뉴런에서 기록할 수 있는 것으로 입증되지 않았다. 이는 어레이-브레인인터페이스(27,28)에서마이크로모션, 불안정성 및 글리오스를 유발하는 것으로 알려진 두개골에 직접 테더링뿐만 아니라 경질 실리콘의 사용의 일부 조합에 기인한다. 신경 조직과 함께 움직일 수 있는 장치를 구성하려면 부드러운5,29 및 유연한7물질이 필요합니다. 사용 가능한 많은 폴리머 (Geddes 및 Roeder30,Fattahi et al.31,및 Weltman etal. 32 리뷰용)는 마이크로 와이어의 유연성과 안정성을 가지고 있으며 나노 가공 공정과도 호환됩니다. 실리콘 장치의 조밀 한 포장.
몇몇 신경 이식 문제는 유연한 폴리머 전극 어레이의 사용에 특정합니다. 이들 중 첫 번째는 어레이의 삽입이며, 유연한 어레이는 실리콘 또는 마이크로 와이어 기반 전략과 같은 뇌로 진보 할 수있는 강성이 부족합니다. 플렉시블 디바이스에 대한 삽입 전략의 대부분은 이 방법에서 수행되는 바와 같이 기판의 일시적인 경직에 의존한다(검토를 위해 Weltman 등32 참조). 경직된 셔틀을 사용하지 않는 5가지 주목할 만한 전략이 있습니다. 첫째, 이식 시 강성에서 준수로 전환하는 재료를 사용하는 방법이있습니다 33,34. 이 전략의 단점은 Euler의 좌굴력계산(35)에의해 지시된 바와 같이 좌굴 전에 뇌 조직의 침투에 필요한 힘을 달성하기 위해 상대적으로 큰 단면적이 필요하다는 것이다. 단면 면적의 이 증가는 주변 조직20,21,22,23,24의건강에 부정적인 영향을 미칩니다. 두 번째는 뇌(36)위의 이동식 지지 구조의 사용이지만 최소한의 지지받지 않는 길이 (및 높은 좌굴 력)를 유지하기 위해 비계의 제거 또는 용해가 필요합니다. 대안적으로, 어레이를 더 긴 지지되지 않는 길이로 삽입해야 하므로 더 단단한 배열 기판 또는 더 큰 배열 단면적이 요구된다. 세 번째는 이후에 삽입될 플렉시블 어레이에 대한 구멍을 여는 사전침투(35)이다. 이를 위해서는 정확한 재정렬 또는 상대적으로 큰 사전 침투 직경, 지지되지 않는 삽입을 허용하기 위해 전극 어레이 강성 및 단면적이 필요합니다. 넷째는 용해성 코팅을 사용하여 유연한 장치를 경직시하는 것입니다. 이는장치(37)의날카로운 팁을 보존하기 위해 특별한 예방 조치를 취한 경우에도 삽입에 의한 단면적 및 급성 손상을 크게 증가시킨다. 다섯번째는 중합체 어레이의 주입이다. 이 전략은 최대 4개의 32-ch 삽입2를가진 임플란트를 달성하는 성공을 거두었습니다, 그러나 삽입을 위한 훨씬 더 큰 단면적을 사용해야합니다, 250 μm - 1.5 mm 외경 유리 모세관9,더 중대한 심각한 손상을 일으키는 원인이 되는. 대조적으로, 탈착식 셔틀을 사용하여, 급성 삽입에 단면적을 추가하면서, 가능한 가장 단단한 물질을 사용할 수 있고, 따라서 임의로 유연한 장치를 삽입할 때 이론적인 최소 크기일 수 있다. 따라서 강성 셔틀을 사용한 삽입은 현재 유연한 장치를 삽입하는 데 가장 매력적인 옵션입니다.
모든 삽입 셔틀 접근법에는 적절한 경직성 기판과 유연한 장치를 기판에 결합하는 방법의 두 가지 요구 사항이 있습니다. 삽입 셔틀 재료는 일반적으로 실리콘38,39,40,41,스테인레스 스틸8,42,또는 텅스텐43,44, 45, 더 단단한 재료로 더 작은 단면적을 허용합니다. 이들은 전형적으로 폴리에틸렌 글리콜 (PEG)8,38,39,42,43,정전기력40,또는 직접과 같은 접착제를 사용하여 부착됩니다. 물리적 커플링45,46. 모든 경우에, 문제는 삽입 및 삽입 후 분리하기 전에 전극 배열과 삽입 셔틀의 정렬 및 결합이다. 아래에 는 Felix et al.39에 의해 도입된 방법의 구체화가 일시적으로 실리콘 삽입 셔틀로 전극 어레이를 중괄호하고, PEG를 사용하여 부착되며, 이는 어레이를 타겟 깊이에 삽입한 후 제거된다.
만성 임플란트 내의 유연한 장치에 의해 제시된 두 번째 도전은 아직도 장치가 두개골에 붙어 있는 임플란트에 통합될 수 있도록 하는 동안 두뇌 내의 장치를 안정화하는 것입니다. 뇌는 자연적인 맥동, 외상 후 부종 변화, 충격 및 기타 원인으로 인해 두개골을 기준으로 이동하므로 전극 배열은 적어도 두개골및 기록 하드웨어에 부착된 위치에 비해 자유롭게 움직여야합니다. 이는 이식 중 식염수 저장소, 폴리머 어레이를 묶는 위치, 실리콘 젤 하우징 등 다양한 기능을 가지고 있는 각 임플란트 대상 세트에 맞게 맞춤 설계된 3D 프린팅 플라스틱 베이스 피스를 사용하여 달성됩니다. 두개골과 실리콘 젤 위의 테더링 위치는 어레이에 대한 곡률의 더 큰 반경을 생성하고 따라서 어레이에 더 큰 압축력을 허용하기 위해 함께 작동합니다. 이것은 차례로 배열 (두개골)의 앵커 포인트에 대한 뇌의 움직임이 좌굴 하중으로 변환 될 수 있습니다.
추가 과제는 여러 어레이를 수용하고 신경 조직에 대한 움직임을 일으킬 수있는 전극 어레이에 진동이나 충격력을 전달하지 않고 자유롭게 행동할 수있는 충분한 변형 완화를 제공 해야합니다. 뇌가 단단한 기록 창에 비해 안정적이어야 하는 유사한 응용 분야에서 사용된 솔루션에 대한 적응은 이러한 문제를 해결했습니다. 이전에 는 무독성으로 입증되어 CSF 누출방지47로입증된 인공 경질 실란트 실리콘젤(표)은외형부종을 방지하고 어레이를 안정화하기 위해 뇌에 역압을 제공합니다. 뇌 표면. 보호의 추가 층은 중간 점도, 수술 등급 실리콘 탄성 중합체에 의해 장치 리본에 추가, 이전에 만성 신경 전극 임플란트(48)를밀봉에 사용하기 위해 입증. 마지막으로, 실리콘 버퍼링 임플란트와 헤드스테이지는 동물의 정상적인 이동성을 최소화하기 위해 낮은 질량 중심을 유지하도록 설계된 3D 프린팅 조각으로 둘러싸여 있습니다.
이 프로토콜은 실리콘 삽입 셔틀에 장착된 유연한 폴리머 마이크로 전극 어레이로 시작합니다. 3D 프린팅 삽입 조각에 어레이 셔틀 장치의 장착을 진행하고, 동물을 성공적으로 이식하는 데 필요한 수술 기법과 임플란트 시공 단계를 설명하고, 16개의 폴리머 멀티 전극을 지원할 수 있습니다. 배열은 단일 쥐1에서8 개의 해부학적으로 먼 지구에 이식됩니다.
이 프로토콜은 Felix et al.39에나타난 바와 같이 실리콘 삽입 셔틀에 생체 분해성 접착제 폴리에틸렌 글리콜(PEG)에 의해 부착된 폴리머 전극 어레이의 시작 물질을 가정하고, 적어도 2개의 독립적으로 가동 가능한 삽입을 가정합니다. 조각 : 실리콘 셔틀이 접착되고 전극 배열의 커넥터가 부착되는 것입니다. 이 프로토콜은 또한 세 번째 삽입 조각을 사용하여 두 개의 삽입 조각을 미크론 규모의 마이크로 매니퓰레이터에 보다 안전하게 부착합니다. 3D 프린팅을 위한 모든 파일은 https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3DParts
이 방법에 사용되는 각 폴리머 전극 어레이는 2~4개의 기록 생크, 전기 적 흔적을 전달하는 리본, 리본의 끝에 하드웨어 커넥터 또는 인쇄 회로 기판으로 구성됩니다. 전극 어레이와 리본은 PEG가 있는 실리콘 셔틀 위에 고정되어 있습니다. 각 리본에는 UV 경화 에폭시를 통해 리본에 부착 된 2cm 길이 x 1mm 두께의 폴리 이미드 튜브가 있으며 리본 길이까지 수직으로연장됩니다. 각 장치(전극 배열 및 삽입 셔틀)는 어레이를 뇌에 삽입하고 셔틀을 후퇴시키는 데 사용되는 3D 인쇄 삽입 조각에 로드되어야합니다(그림 1). 이 설계에서 유압 삽입 마이크로 매니퓰레이터(녹색, 재료 표)는전체 삽입 장치(조각 1, 조각 2 및 후퇴 마이크로 매니퓰레이터, 주황색)를 목표 깊이로 이동합니다. 어레이가 삽입 장치에서 분리되고 고정되면, 두 번째, 후퇴 마이크로 매니퓰레이터(주황색)는 삽입 장치의 나머지 부분과 독립적으로 개구부 1및 부착된 셔틀을 후퇴시키고, 변위 없이 셔틀을 제거합니다. 배열을 참조하십시오.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig01.jpg"> 그림 1: 삽입기 구성 요소입니다. (A)제 1과 2는 이동식 나사로 서로 일시적으로 고정되고 나중에 후퇴 마이크로 매니퓰레이터 피스톤(주황색)에 도킹됩니다. (B)어레이 및 삽입 셔틀은 1피스에 부착되고 어레이 커넥터는 양면 테이프로 피스 2에 부착됩니다. 조각 3은 후퇴 마이크로 매니퓰레이터및 조각 1 및 2를 삽입 마이크로 매니퓰레이터(녹색)에 연결합니다. 삽입 마이크로 조작기는 임플란트 포지셔닝을 위한 입체 어댑터에 고정됩니다. 조각 1-3은 상대적인 크기로 표시됩니다. 조각 4는 삽입 셔틀의 적절한 정렬을위한 안정화 조각이다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

<table><tbody><tr><td>3D 프린트된 스테레오탁스 어댑터 부품 (3) 및 베이스 피스 (1)</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>3D 프린트 부품, 제안 < 30 &뮤; 부품의 수동 마무리를 최소화하기 위한 M 해상도. 사용 가능한 파일 :</td></tr> <tr><td>https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3dParts</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dental 아크릴 (Hygenic Repair Resin, Coltene type II 퀵 세트) </td><td>Colten / Whaledent</td><td>8886784, 8881627</td><td>임플란트 시공 용 치과 용 아크릴</td></tr><tr><td>Hydraulic Micromanipulator (x2) </td><td>Narishige Group</td><td>MO-10</td><td>1 축 micromanipulator</td></tr><tr><td>Kapton 폴리이미드 테이프</td><td>Bertech</td><td>PPTDE-1/2</td><td>양면 테이프</td></tr><tr><td>Kopf 스테레오탁스 암</td><td>&nbsp; Kopf Instruments</td><td>103088R, 103088L</td><td>표준 설치류 스테레오</td></tr><tr><td>탁스<강한>광 경화 가능한 치과 아크릴, Vivid Flow</td><td>Coltene/Whaledent</td><td>D33-01-00</td><td>임플란트 건설 중에 사용하기 위한 빛 경화 가능한 치과 아크릴</td></tr><tr><td>Loctite Gel Control</td><td>&nbsp; 헨켈 주식회사</td><td>&nbsp; 234790</td><td>1364076 1735574 1752699 실리콘 셔틀을 해당 3D 프린팅 부품</td></tr><tr><td>Metabond Quick Cement</td><td>Parkell</td><td>S380</td>에 접착하기 위한 시아노아크릴레이트 두<td>개골과 임플란트 사이의 강력한 연결을 생성하기 위해 두개골에 직접 적용</td></tr><tr><td>Polymer Electrode Arrays and Silicon Insertion Shuttles</td><td>Lawrence-Livermore National Laboratory</td><td>해당 없음</td><td>Lawrence-Livermore National Laboratory에서 제작된 폴리이미드 전극 어레이, 실리콘 삽입 셔틀</td></tr><tr><td><강>실리콘 젤 키트, 저점도</강></td><td>Dow Corning</td><td>03/80</td><td>3D 프린팅 베이스 피스의 충전을 위한 저점도 실리콘 젤</td></tr><tr><td><강한>실리콘, 중점도 키트</강한></td><td>World Precision Instruments</td><td>&nbsp; Kwik-Sil</td><td>고분자 전극 어레이 보호를 위한 중점도 실리콘 겔</td></tr></tbody></table>

다중 유연한 폴리머 전극 어레이의 만성 이식

Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays

수개월에서 수년 동안 분산된 뇌 영역에 걸쳐 개별 뉴런의 대규모 집단에서 동시 기록을 통해 과학 및 임상 개발의 새로운 길을 가능하게 할 것입니다. 유연한 폴리머 전극 어레이를 사용하면 오래 지속되는 기록을 지원할 수 있지만, 기록의 수명을 허용하는 동일한 기계적 특성으로 인해 만성 임플란트에 여러 개의 삽입과 통합이 문제가 됩니다. 여기서는 여러 중합체 전극 어레이가 상대적으로 공간적으로 제한되지 않은 뇌 영역 세트를 대상으로 할 수 있는 방법론입니다.
이 방법은 생체 적합성 및 기능을 위해 선택된 박막 폴리머 장치를 사용하여 장기적이고 안정적인 전기 생리학적 기록 인터페이스를 달성합니다. 그 결과 임플란트는 해부학적으로 먼 지역을 정확하고 유연하게 타겟팅할 수 있으며, 몇 달 동안의 물리적 안정성, 전기 적 소음에 대한 견고성을 허용합니다. 이 방법론은 8개의 다른 해부학 적 목표에 걸쳐 최대 16개의 직렬 삽입 장치를 지원합니다. 앞에서 설명한 것처럼 이 방법론은 1024개 채널에서 레코딩할 수 있습니다. 이 중 단일 뉴런 레코딩에 사용된 이 데모의 512개 채널은 6개의 기록 사이트에 분산된 375개의 단일 유닛을 산출했습니다. 중요한 것은 이 방법은 최소 160일 동안 단일 단위를 기록할 수도 있습니다.
개폐식 실리콘 삽입 셔틀로 각 장치를 일시적으로 브레이싱하는 것을 포함한 이 이식 전략에는 각 기록 세트에 맞게 맞춤 설계된 두개골 부착 플라스틱 베이스 피스에 대상 깊이의 장치를 테더링하는 작업이 포함됩니다. 실리콘으로 채워진 맞춤형 플라스틱 케이스 내에서 장치의 안정화/보호기능을 강화합니다. 또한 이식장치를 준비하고 뇌 영역 이나 배열 디자인의 다른 조합에 적응을 안내 해야 하는 디자인 원칙을 다룹니다.

이 프로토콜에 따라, 1,024 채널 신경 임플란트 기록은 375 단일 단위1을 산출 (MountainSort50,잡음 중복 및 lt; 0.03, 격리 &gt; 0.96, 단일 단위 기록에 사용되는 512 채널, 그림 9A로정렬). 이 프로토콜은 다양한 채널 수와 사양을 사용하여 다양한 수의 장치를 기록 대상의 서로 다른 조합에 이식하는 데 사용할 수 있습니다. 동일한 프로토콜을 사용하여, 단일 유닛 기록 수명은 3개의 다른 쥐에 걸쳐 19개의 장치(전두엽 피질에 있는 18개의 32채널 장치, orbitofrontal 피질에 있는 1개의 64채널 장치)에서 데이터에서 적어도 160일 동안 입증되었습니다( 그림 9B)를참조하십시오. 세 동물 중 하나는 4 개의 장치에서 기록 할 수없는 결과로 디지털 전기 장애가 있었다. 나머지 15/19 장치 중 채널당 ~1개의 단일 단위의 기록 수율이 있었습니다. 개별 장치는 채널당 ~2 단위까지 소수의 단일 장치만 생산했습니다. 동일한 부위에 동일한 동물에 이식된 장치에서 매우 상이한 수율을 보이는 것이 일반적입니다.
또한, 여기에 기술된 프로토콜에 따른 다른 외과 팀은 orbitofrontal 피질 및 핵 accumbens를 표적으로 하는 4-6 32 채널 장치의 조합으로 각각 6개의 추가 동물을 이식하고, tetrode 하이퍼드라이브 (총 임플란트) 무게 약 50g). 한 동물은 수술 후 한 달 이내에 임플란트 분리를 했습니다. 두 번째 동물은 수술 후 회복 기간 동안 사망, 여기에 설명 된 프로토콜 단계와 관련이없는 가능성이. 나머지 4마리의 동물은 4-11개월 동안 지속된 실험 기간 동안 안정적인 임플란트로 건강을 유지했습니다. 단일 단위 수는 32채널 장치에 대해 이전에 보고된 것과 유사했습니다.
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig09.jpg"> 그림 9: 단일 단위 수율 및 기록 수명. (A)품질 메트릭 임계값에 의해 계층화된 512채널(1,024채널 임플란트의) 단일 단위 클러스터 수입니다. MountainSort(노이즈 오버랩 0.03, 절연 0.96, 오른쪽 상단블랙박스)를 사용한 자동 큐레이션으로 512채널에서 375개의 단일 유닛을 식별했습니다. 뉴런의 허가를 받아 복제 [그림 2A]1. (B)쥐의 160일 간 이식 후(x축) 동안 채널당(왼쪽 y축) 또는 16채널 생크(오른쪽 y축)당 폴리머 어레이에 대한 단일 단위 수율. 실선은 8개의 생크에 걸친 평균 셀 수율, 점선 ± 1 SE. 생크당 개별 시간 포인트는 영역별로 색으로 구분된 점으로 표시됩니다. 뉴런의 허가를 받아 복제 [그림 3A]1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig09large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

아래에 기재된 것은 자유롭게 움직이는 쥐에서 만성 전기생리학적 기록을 위해 해부학적으로 먼 뇌 영역에 걸쳐 다중 폴리머 전극 어레이를 이식하는 방법이다. 준비 및 외과 이식은 다른 종에서 사용하기 위해 이러한 방법의 적응을 안내하는 디자인 원칙에 중점을 두고 자세히 설명됩니다.

Simultaneous recordings from large populations of individual neurons across distributed brain regions over months to years will enable new avenues of ...

이 방법은 며칠, 주 또는 몇 달 동안 대규모 분산 신경 인구를 모니터링할 수 있게 하여 이러한 인구가 어떻게 변화하고 인지 기능을 지원하는지에 대한 질문을 할 수 있습니다. 다중 폴리머 장치와 관련 임플란트 구성의 이식은 높은 채널 수, 다중 영역, 장기, 연속 및 안정적인 레코딩을 할 수있는 녹음 플랫폼을 만들기 위해 결합됩니다. 절차를 시연하는 것은 내 실험실에서 기술자 인 클레이 스미스 (Clay Smyth)가 될 것입니다.삽입을 위해 폴리머 전극 어레이를 준비하려면 두 삽입 조각에 수직 지향 구멍이 정렬되어 나사를 삽입하여 함께 잠그고 조각을 바이스로 고정합니다. 양면 테이프를 두 번째 조각의 상단에 부착하고 안정화 조각을 첫 번째 조각의 끝에 부착합니다. 안정화 된 조각은 마찰에 의해 제자리에 개최됩니다.수동으로 전극 배열을 정렬하고 첫 번째 조각의 좁은 끝 세그먼트에 삽입 셔틀을 연결합니다. 프로브가 1피스의 세로축과 정렬되면 배열 커넥터를 2피스의 평평한 부분에 폴리아미드 양면 테이프에 부착합니다. 어레이 리본에 부착된 폴리아미드 날개만 연결한 플라스틱 팁 포셉을 사용하여, 삽입 셔틀 전극 어레이 장치 팁을 1개에서 안정화 조각의 외부로 들어올립니다.첫 번째 조각의 끝에 적합한 접착제의 10 마이크로 리터를 적용합니다. 플라스틱 팁 포셉을 사용하여 어레이 리본에 부착된 폴리아미드 날개에만 접촉하고 삽입 셔틀의 정사각형 탭을 사용하여 장치를 좁은 세그먼트로 재정렬합니다. 실리콘 셔틀 이나 못의 측면을 조작 하 고 작은 정렬 조정을, 리본 또는 생크에 과도 한 힘을 적용 하지 않도록 주의.그런 다음 집게를 사용하여 안정화 된 조각의 양쪽에 부드러운 하방 압력을 적용하고 어레이를 이동하지 않고 조립품에서 안정화 조각을 제거합니다. 다음으로, 첫 번째 조각의 마이크로 조작기를 확장 된 위치로 설정합니다. 피스톤은 1피스 내부의 터미널 깊이로 미끄러집니다.철회 피스톤에 1개와 2개의 조각을 로드합니다. 세 번째 조각의 마이크로 조작기를 후퇴된 위치로 설정합니다. 삽입 마이크로 조작기 피스톤에 구멍이 정렬되고 3 피스를 적재하여 3피스의 상단 부분에 두 번째 조각을 맞춥시다.3장의 밑면에 조각을 나사로 놓고, 삽입 마이크로 조작기의 이동이 전체 삽입 장치를 움직일 수 있도록 2, 3개를 함께 적재및 나사로 묶습니다. 1개와 2개를 함께 보관하는 나사를 제거합니다. 그런 다음 나사가 피스톤 트랙에 수직으로 1피스의 측면 구멍에 나사를 삽입하여 피스톤에 압력을 가하여 개폐 피스톤에 따라 한 조각이 움직일 수 있도록 합니다.1피스는 2피스와 독립적으로 움직여야 하며, 장치에서 삽입 셔틀을 분리할 수 있습니다. 장치 구성이 완료되면 스테레오 현미경으로 삽입을 보고 초당 25 마이크로미터로 스테레오데틱 계측기를 빠르게 낮춥시킵니다. 장치는 즉시 뇌를 관통하지 않습니다.저항및딤플의 정도는 대상 위치 및 장치 설계에 따라 달라집니다. 장치가 뇌에 침투하면 마이크로 조작기 속도를 초당 10 마이크로미터로 전환하고 장치를 목표 깊이보다 1 ~ 2 밀리미터 높이로 낮추고, 조기 셔틀 어레이 분리를 피하기 위해 하강 시 장치 날개와 삽입 지점을 시각화합니다. 장치가 목표 깊이보다 1~0.5밀리미터 에 도달하면 삽입을 초당 5마이크로미터로 느리게 합니다.그리고, 장치가 대상으로부터 500 마이크로미터 떨어져 있을 때, 초당 1~2마이크로미터로 삽입을 느리게 한다. 대상 깊이에 도달하면 필요에 따라 베이스 피스의 부착 점을 건조한 다음 적절한 접착제로 두 폴리아미드 날개를 베이스 피스 부착 부위에 고정합니다. 용해되기 전에 페그는 어레이와 삽입 셔틀 인터페이스 위에 있는 구형 질량으로 나타납니다.페그를 녹이기 위해 페그가 셔틀에 부착되는 지점에서 배열에 체온 식염수의 식염수에 부드럽게 물방울. 못이 완전히 녹으면 어레이의 경계를 셔틀과 조각에서 식별할 수 있습니다. 어레이가 제자리에 고정된 후, 철회 마이크로 조작기를 사용하여 삽입 셔틀을 천천히 철회하고, 장치가 삽입된 것과 동일한 후퇴 속도로 후퇴되는 동안 배열에 식염수의 개별 방울을 계속 적용하여 후퇴 하는 동안 배열과 삽입 셔틀 사이의 인터페이스를 관찰한다.이 철회로, 셔틀은 삽입 셔틀의 생크 사이에 반투명 노란색 나타납니다 폴리머 배열에서 눈에 띄게 분리됩니다. 장치가 완전히 철회된 경우 배열 커넥터를 2개에서 후속 삽입을 방해하지 않는 위치로 이동합니다. 폴리머 전극 어레이는 뇌에 삽입되고 더 이상 스테레오전술 기기에 연결되지 않습니다.삽입 셔틀 및 기타 삽입 하드웨어를 제거합니다. 필요한 경우 추가 삽입을 수행합니다. 임플란트의 시공, 최종 어레이 삽입 후, 기본 조각에서 빈 식염수, 이식 된 배열이나 리본을 방해하지 않도록주의.크레니톰과 베이스 피스를 적절한 인공 듀럴 실란트로 채웁니다. 그리고 실란트가 치료할 수 있도록 합니다. 하드웨어 커넥터가 간섭하지 않는 곳에 배치하고 필요한 경우 여러 삽입을 수행합니다.배열 커넥터를 레코딩 하드웨어에 적절히 방향을 지정하고 연결하므로 리본이 최종 원하는 위치에 있습니다. 마지막으로 인공 듀럴 실란트를 커넥터에 두는 지점에서 리본을 더 점성 실리콘 젤로 감싸십시오. 이 프로토콜에 따라 대표 1, 024 채널 신경 임플란트 레코딩은 375개의 단일 유닛을 산출했다.이 실험에서, 단일 장치에 대한 기록 수명은 3개의 다른 쥐에 걸쳐 19개의 장치에서 데이터에서 적어도 160일 동안 유지되었다. 15개의 기능 장치 중 채널당 약 1개의 단일 유닛의 기록 수익률 평균이 획득되었으며, 개별 장치는 채널당 약 2단위까지 몇 개의 단일 유닛의 수율을 가지고 있었다. 장치 삽입 하는 동안 배열 셔틀 건조 있는지 확인 하는 것이 중요 하다.그렇지 않은 경우 삽입을 시도하는 동안 어레이가 셔틀에서 분리될 가능성이 높습니다. 이 기술은 마이크로 와이어를 포함한 다른 기록 양식뿐만 아니라 전기 시뮬레이션 및 광유전학을 포함한 조작과 호환됩니다. 이 기술은 우리가 며칠 동안 같은 뉴런에서 기록 할 수 있습니다, 시간이 지남에 따라 응답이 어떻게 변화하는지 이해할 수 있게.

chronic-implantation-of-multiple-flexible-polymer-electrode-arrays

Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

우리는 만성 신경 기록 전극을 이온 주입하는 과정을 배우고있는 외과의에 대한 유용한 정보를 제공합니다. 관통 및 표면 양쪽 전극 시스템을위한 기술은 쥐 동물 모델에 설명되어 있습니다.

단일 유닛 활동과 Electrocorticographic 신호를 녹음하기 위해 만성 신경 전극 외과 이식

이 문서에서는 세부 멀티 플렉스 microneedle 기반 센서의 건설. 장치는 신속하고 선택적으로 여러 analytes의 현장 샘플링과 전기 화학 분석을 위해 개발되고있다. 우리는 임상 의학을 구상하고 생명 의학 연구는 이러한 microneedle 기반의 센서를 위해 사용합니다.

다중 Transdermal 전기 감지를위한 빈 Microneedle 기반 센서

유연한 신경 미세 프로브의 삽입은 폴리에틸렌 글리콜 (PEG)과 강성 보강재에 프로브를 연결하여 사용할 수 있습니다. 고유의 조립 공정은 균일하고 반복적 인 첨부 파일을 확인합니다. 조직에 삽입 한 후, PEG가 용해 보강재가 추출된다. 시험 관내 시험 방법은 아가 로스 겔에서 기술을 평가한다.

Biodissolvable 접착제가 부착 된 강성 보강재를 사용하여 유연한 신경 프로브의 삽입

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.

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이 프로토콜은 여러 뇌 영역에서마우스(Mus musculus)및 페렛(무스텔라퍼토리우스 후로)의 만성 및 급성 생체 내 전기 생리학적 기록을 위한 탄소 섬유 미세 전기 전극 어레이를 구성하는 절차를 설명합니다. 미전지어 어레이 이식에 대한 원시 탄소 섬유를 구입한 후 각 단계는 미세 전기 전하 배열 구조에 중점을 두고 자세히 설명됩니다.

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여기에서는 수술 방법 및 도구, 수술 후 자기 공명 영상, 청각 피질의 전기 생리학, 임플란트의 전기 화학적 특성 및 사후 면역 화학을 설명하는 minipig 모델에서 연질 경막하 전극 어레이의 장기 성능 및 안전성 평가 방법을 제시합니다.

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밀리미터 크기의 코일과 결합된 저비용 뇌파 기록 시스템은 생체 내에서 마우스 뇌의 경두개 자기 자극을 유도하기 위해 제안되었습니다. 맞춤형의 유연한 다중 전극 어레이 기판이 있는 기존의 나사 전극을 사용하여 경두개 자기 자극에 대한 반응으로 마우스 뇌에서 다중 부위 기록을 수행할 수 있습니다.

생체 내에서 마우스 뇌를 경두개로 자극하기 위해 밀리미터 크기의 코일과 결합된 저비용 뇌파 기록 시스템

여기에서는 설치류의 만성 전기 생리학을 위한 가볍고 비용 효율적인 프로브 임플란트 시스템을 소개하며, 사용 편의성, 프로브 회수율, 실험적 다양성 및 행동과의 호환성에 최적화되어 있습니다.

DREAM Implant: 머리가 고정되고 자유롭게 행동하는 마우스의 만성 전기생리학을 위한 가볍고 비용 효율적인 모듈식 임플란트 시스템

우리는 전극 제조를 위한 간단하고 비용 효율적인 접근 방식을 개발했으며 자유롭게 움직이는 마우스에서 여러 영역에 걸쳐 신호를 기록했습니다. 다중 지역 전기 생리학 및 칼슘 신호 기록과 함께 광유전학을 활용하면 발작 점화 모델에서 여러 지역의 신경 활동을 밝힐 수 있었습니다.

Multi-Region In vivo Recording을 위한 유연하고 편리한 전기생리학적 Optrodes를 제작하기 위한 통합 방법

학습하세요 다중 유연한 폴리머 전극 어레이를 쥐 뇌에 만성 이식하는 수술 기법을 통해 광범위한 신경 세포 집단을 장기간 모니터링하는 방법을. 이 기술은 인지 기능을 지원하는 뉴런 변화 연구에 필수적입니다.

다중 유연한 폴리머 전극 어레이의 만성 이식

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