Methodenartikel

Voltage Biasing, cyclische voltammetrie, en elektrische Impedantie Spectroscopie voor neurale interfaces

DOI:

10.3791/3566

⸱

24 februari 2012

 ,  ,  ,  ,  , 
1Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, 2Biomedical Engineering, University of Wisconsin-Madison, 3Biomedical Engineering, University of Michigan , 4Department of Biological Sciences, Purdue University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De elektrode-weefsel interface van neurale opname elektroden kan worden gekarakteriseerd met elektrische impedantie spectroscopie (EIS) en cyclische voltammetrie (CV). Toepassing van de spanning verandert de voorspanmiddelen elektrochemische eigenschappen van de elektrode weefsel interface kunnen verbeteren opnamemogelijkheid. Voltage biasing, EIS, CV, en neurale opnames zijn complementair.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektrische impedantie spectroscopie (EIS) en cyclische voltametrie (CV) maatregel eigenschappen van de elektrode weefsel interface zonder extra invasieve procedures en kan worden gebruikt om elektrode te monitoren op lange termijn. EIS meet de elektrische weerstand op verschillende frequenties, en een toename van impedantie geven toegenomen gliale littekenvorming rond het apparaat, terwijl cyclische voltammetrie meet de lading draagkracht van de elektrode, en geeft aan hoe lading wordt overgedragen op verschillende spanningsniveaus. Als geïmplanteerde elektroden leeftijd, EIS en CV gegevens veranderen, en de elektrode sites die eerder opgenomen stekelige neuronen vertonen vaak aanzienlijk lagere effectiviteit voor neurale opname. De toepassing van een korte spanningspuls geïmplanteerde elektrode arrays, bekend als verjonging, kan opnieuw additie activiteit anders stil elektrodeplaatsen gedurende tijd. Anti-aging verandert EIS en CV, en kan worden gecontroleerd door deze complementaire methoden. Gewoonlijk wordt EIS dagelijks gemeten als een indicatie van de weefselreactie in de elektrode. Als pieken zijn aanwezig in een kanaal dat eerder pieken dan CV wordt gebruikt om de lading draagkracht van de elektrode bepalen, en verjonging kan worden aan de interfaceschakeling werkzaamheid te verbeteren. CV en MER worden vervolgens herhaald om de veranderingen bij de elektrode-weefsel-interface te controleren, en neurale opnames worden verzameld. De algemene doelstelling van verjonging is het uitbreiden van de functionele levensduur van geïmplanteerde arrays.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Stel de elektrochemie Instrument

  1. Elektrochemie instrumentatie zoals een Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, NL) is nodig voor EIS, CV en verjonging. De FRA2 add-on laat EIS en het kanaal multiplexer (MUX) add-on nuttig voor het testen meerkanaals elektroden.
  2. Bouw een headstage adapter aan op het kanaal MUX naar de headstage aan te sluiten.
  3. Maak de verbindingen. Sluit de arbeids-en voelelektroden het kanaal MUX en sluit de referentie-en tegenelektroden het deel van de headstage, aangesloten op de retourstroomcircuit, meestal een geïmplanteerde roestvrij staal of titanium botschroef.

2. Elektrische Impedantie Spectroscopie

  1. Start de Frequency Response Analyzer (FRA) software, en controleer of de procedure bestand instellingen. De procedure moet worden ingesteld op twee multi-sinus golfvormen die elk bestaan ​​uit 15 sinussen tegelijk, variërend van 10 Hz tot 30 testenkHz. De toegepaste spanning moet 25 mV of minder (zie aanvullende methoden) zijn.
  2. Open en bewerk het Project-bestand. Het project maakt gebruik van de Procedure-bestand, doorloopt elk kanaal, en slaat het resultaat (zie aanvullende methoden).
  3. Sluit dier onderwerp met een passieve (geen versterkers) headstage. Actieve headstages zal niet door ingangssignalen.
  4. Voer het Project-bestand. Elk kanaal duurt tientallen seconden afhankelijk van de instellingen.
  5. Weergeven en interpreteren resultaat. Interpreteer de output tekstbestanden met MATLAB (Natick, MA), en maak een Nyquist plot. Een halve cirkel bij hogere frequenties geeft een antwoord van weefsel.

3. Cyclische voltammetrie

  1. Start de General Purpose Elektrochemie System (GPES) software, en controleer of de procedure bestand instellingen. De procedure moet worden ingesteld op de spanning te vegen bij 50 mV / s binnen de grenzen van de hydrolyse, die ligt tussen +0.8 en -0.6 V voor de typische neurale elektrode materialen (Pt,Ir, IrOx). Ten minste drie scans moeten worden uitgevoerd om het systeem om evenwicht te bereiken. De resultaten van de laatste scan worden opgeslagen (zie aanvullende methoden). De scansnelheid kan worden verhoogd tot een V / s de meting te verminderen, maar de vorm van de curve IV waarschijnlijk veranderen als de scansnelheid sneller is dan het ladingstransportkanaal bijwerkingen aan de elektrode weefsel interface.
  2. Open en bewerk het Project-bestand. Het project maakt gebruik van de Procedure-bestand, doorloopt elk kanaal, en slaat het resultaat (zie aanvullende methoden).
  3. Sluit dier te onderwerpen met een passieve headstage.
  4. Voer het Project-bestand. Elk kanaal duurt ongeveer drie minuten, afhankelijk van instellingen. Het verhogen van de scansnelheid tot 1 V / s vermindert de meettijd tot ongeveer tien seconden per kanaal.
  5. Weergeven en interpreteren resultaat. Interpreteer de output tekstbestanden met MATLAB, en plot de IV relatie. De lading draagkracht wordt gekwantificeerd door de integratie van het gebiedvan de kathodische stroom in de CV.

4. Verjonging

  1. Start de General Purpose Elektrochemie System (GPES) software, en controleer of de procedure bestand instellingen. Met behulp van de stappen en sweeps methode, moet de procedure worden ingesteld op de spanning stap tot 1,5 V voor een duur van 4 seconden (zie aanvullende methoden).
  2. Open en bewerk het Project-bestand. Het project maakt gebruik van de Procedure-bestand, doorloopt elk kanaal, en slaat het resultaat (zie aanvullende methoden).
  3. Sluit dier te onderwerpen met een passieve headstage.
  4. Voer het Project-bestand. Elk kanaal duurt ongeveer tien seconden. 4.5) Verzamel EIS en CV gegevens en resultaten te interpreteren.

5. Representatieve resultaten

Een typische workflow, waaronder opnames, EIS, CV en verjonging, wordt getoond in figuur 1. Recordings en EIS worden meestal verzameld (dagelijks of wekelijks) in alle kanalen, terwijl de CV enverjonging kan worden gebruikt als additie activiteit is verdwenen.

EIS veranderingen in de loop van dagen tot weken na een elektrode wordt geïmplanteerd. Wanneer EIS worden weergegeven als een Nyquist plot een halve cirkel bij hogere frequenties (vlakbij de oorsprong) indicatief is voor de weefselreactie bij de elektrode (fig. 2).

CV produceert een stroom-spanningskarakteristiek (IV) waarin een aantal curve hysteresis. De meest relevante CV statistiek is de beschuldiging draagkracht, het gebied binnen de IV curve genormaliseerd door de elektrode website gebied (afb. 3 a). Elektroden met grote laadcapaciteit hebben de voorkeur voor micro-stimulatie.

Tijdens de verjonging een spanningspuls wordt toegepast, die meestal resulteert in een verhoging van de vergoeding capaciteit en impedantie grootheden (figuur 3a & b) daalde. Spiking kan worden hersteld kanalen eerder pieken (figuur 4a). Terwijl de verjonging heeft alleen de korte termijn effecten op de impedantie en de signaal-geenise ratio (SNR), kan deze techniek dagelijks worden toegepast. Figuur 4b & c toont dagelijks pre-en post-verjonging 1 kHz impedantie omvang en de SNR gegevens voor een 16-kanaals-array geïmplanteerd in cavia cortex. Verjonging heeft een krachtig effect op het verlagen van de 1 kHz impedantie grootte van een orde van grootte na elke toepassing. Door teruggewonnen signalen en lagere impedantie SNR toeneemt na elke verjonging sessie. Uiteindelijk werden alle signalen verloren na 160 dagen na de implantatie en verjonging was niet langer effectief.

figure-protocol-1
Figuur 1. MER wordt gemeten na elke opname sessie. Als er geen spikes zijn opgenomen op een kanaal dat voorheen spikes, en EIS toont een groot weefsel onderdeel dat is toegenomen in de tijd, dan CV en verjonging worden berecht op dit kanaal. EIS en opnames worden vervolgens gebruikt om te bepalen of de behandeling succesvol was.

figure-protocol-2
Figuur 2. EIS gegevens in een Nyquist plot van een elektrode direct na implantatie (blauw) en 4 maanden later (groen). Elk punt op de Nyquist plot vertegenwoordigt de reële en imaginaire impedantie op een enkele frequentie. Een gedeeltelijke halve cirkel als gevolg van het weefsel rond de site is duidelijk bij hogere frequenties.

figure-protocol-3
Figuur 3. CV en EIS veranderingen van een geïmplanteerde iridium-oxide electrode pre-en post-verjonging. (A) verjonging vergroot het oppervlak van de curve IV overeenkomt met een verhoogde draagkracht lading. (B) een belangrijke verschuiving in de impedantie specra tot lagere impedantie niveaus wordt over het algemeen waargenomen na verjonging.

figure-protocol-4
Figuur 4. Effects van de spanning vertekenende op opnames en impedantie. (A) Pre-en post-verjonging opnames tonen spikes kunnen worden hersteld op de kanalen die eerder waren stil. Dagelijks pre-en post-verjonging resulteert in een robuuste (B) daling van 1 kHz impedantie grootte en (C) verhoging van de SNR voor de ongeveer 150 dagen na de operatie. Errorbars vertegenwoordigen standaard fout van gegevens van een 16-kanaals-array geïmplanteerd in cavia cortex.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Neurale opname prothetische systemen vertonen een beperkte functionele levensduur als opnamemogelijkheid afneemt met de tijd na de implantatie. De waarschijnlijke bijdrage aan de vermindering van de prestaties is de reactieve weefsel naar aanleiding van het geïmplanteerde apparaat als een compacte gliale schede functioneel het vreemde voorwerp van gezond weefsel een isoleert. Samen met neurale opname worden elektrochemische metingen (EIS en CV) meestal gebruikt voor longitudinale monitoring van de elektrode-weefsel-interface 2,3. EIS is praktisch nuttig om de opnamemogelijkheid van de interface. De impedantie snel toeneemt met de tijd na implantatie suggereert reactieve weefselreactie de elektrische eigenschappen van de interface 3 verandert. Bovendien kan EIS gegevens gebruikt om de cellulaire samenstelling naast de geïmplanteerde elektrode 3-5 modelleren. Cyclische voltammetrie kan worden gebruikt om verder te onderzoeken veranderingen in de opnames en MER. Het elektrode materiaal en ruwheid en de elektrochemische reacties en het omgevende weefsel beïnvloeden de vorm van de curve IV. Grote lading draagkracht bepaald uit het gebied van de IV curve wordt gewoonlijk de voorkeur, vooral voor elektrische micro-stimulatie. Lage laadcapaciteit wordt vaak geassocieerd met een verhoogde MER. De potentiële toegepast tijdens CV kunnen veranderen zelf laadcapaciteit en EIS, vooral als het voltage is groot genoeg om redoxreacties te rijden.

De toepassing van spanning voorspanmiddelen of verjonging, kan worden gebruikt met het doel de lading draagvermogen, afnemende impedantie, en het aantal kanalen met opgenomen spikes 5. Oxidatie wordt waarschijnlijk bij de elektrode interface tijdens verjonging en iridium materialen een waterig oxyde monolaag vormt bij anodische potentialen van 1,2 V 6. Er is gesuggereerd dat de vorming van deze monolaag kan verwijderen cellulaire en acellular materiaal aan de elektrode met lagere impedantie aan de interface 5. Terwijl de verjonging kan herstellen van verloren neurale signalen, is het meest effectief als het gebruikt wordt op de kanalen die eerder spikes had binnen een paar dagen oud zijn. Recordings, EIS, CV, en verjonging kan het best worden gebruikt als aanvullende instrumenten bij het toezicht op de neurale interface en het verbeteren van de duurzame werking van geïmplanteerde apparaten.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Geen belangenconflicten verklaard.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit onderzoek werd ondersteund door de National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD, toont) en door de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), onder auspiciën van Dr Jack W. Judy (jack.judy @ darpa.mil) als onderdeel van de betrouwbare Neural Technology Program, door de ruimte en Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Pacific subsidie ​​No N66001-11-1-4013.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Uitrusting Vennootschap Catalogusnummer Reacties
Elektrochemie Instrument Metrohm Autolab PGSTAT128N add-ons: FRA2, kanaal MUX
Passieve Headstage Tucker-Davis Technologies model hangt af van connector en het aantal kanalen
26-pins vrouwelijke connector AMP 5749069-2 Headstage adapter of vervanging juiste connector voor uw headstage
Banana Jacks Digikey J151-ND Headstage Adapter De Autolab kanaal MUX heeft banaanstekkers

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Szarowski, D. H., Andersen, M. D., Retterer, S., Spence, A. J., Isaacson, M., Craighead, H. G., Turner, J. N., Shain, W. Brain responses to micro-machined silicon devices. Brain Res. 983, 23-35 (2003).
  2. Vetter, R. J., Williams, J. C., Hetke, J. F., Nunamaker, E. A., Kipke, D. R. Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. IEEE Trans. Biomed. Eng. 51, 896-904 (2004).
  3. Williams, J. C., Hippensteel, J. A., Dilgen, J., Shain, W., Kipke, D. R. Complex impedance spectroscopy for monitoring tissue responses to inserted neural implants. J. Neural Eng. 4, 410-423 (2007).
  4. Johnson, M. D., Otto, K. J., Kipke, D. R. Repeated voltage biasing improves unit recordings by reducing resistive tissue impedances. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 13, 160-165 (2005).
  5. Otto, K. J., Johnson, M. D., Kipke, D. R. Voltage pulses change neural interface properties and improve unit recordings with chronically implanted microelectrodes. IEEE Trans. Biomed. Eng. 53, 333-340 (2006).
  6. Pickup, P. G., Birss, V. I. A model for anodic hydrous oxide-growth at iridium. J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Electrical Impedance SpectroscopyCyclic VoltammetryVoltage BiasingNeural Interface MonitoringElectrode Tissue InterfaceCharge Carrying CapacityImpedance Spectroscopy AnalysisVoltage Pulse RejuvenationFrequency Response AnalysisHead Stage Adapter

Gerelateerde artikelen