Een methode voor het systematisch Elektrochemische en elektrofysiologische evaluatie van neurale registrerende elektroden
3 maart 2014
Verschillende elektrode coatings invloed neurale opname prestaties door veranderingen in elektrochemische, chemische en mechanische eigenschappen. Vergelijking van elektroden in vitro is relatief eenvoudig, maar vergelijken in vivo reactie wordt typisch gecompliceerd door variaties in elektrode / neuron afstand en tussen dieren. Dit artikel geeft een robuuste methode om neurale registrerende elektroden vergelijken.
Het algemene doel van deze procedure is om betrouwbaar de beste elektrode voor acute neurale registratie te bepalen. Dit wordt bereikt door eerst onbehandelde elektroden in dit geval te modificeren via depositie van organische geleidende polymeren. De tweede stap is het testen van de in vitro eigenschappen van de coatings.
Vervolgens worden de elektroden geplaatst in een rattenmodel voor acute neurale registratie. De laatste stap is het opnieuw testen van de elektroden in vitro om hun biostabiliteit te bepalen. Tot slot wordt een vergelijking van verschillende elektroden middels diverse analysetechnieken, waaronder elektrofysiologie en elektrochemie, gebruikt om de belangrijkste chemische en fysische eigenschappen van neurale implantaten vast te stellen.
Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen bij de ontwikkeling van nieuwe brain-machine interfaces, zoals welke cruciale elektrode-eigenschappen de signaal-ruisverhouding en de bio-stabiliteit kunnen verbeteren. Sime en Morgan zullen mij bij deze procedure ondersteunen. Begin deze procedure door een rat te anesthetiseren via een IP-injectie van urethaan.
Controleer het intreden van de anesthesie door te testen op de terugtrekkingsreflex bij een knijptest van de teen. Indien de anesthesie onvoldoende is, moeten aanvullende doses urethaan worden toegediend. Scheer vervolgens de kop van de rat.
Plaats het dier in buikligging op een homeotherme plaat. Voer vervolgens een rectale probe in om de homeotherme plaat op 37,5 °C te houden. Plaats daarna één oorstaaf in de ongeveer verwachte eindpositie binnen het stereotaxische frame en pas de positie van het dier aan om de oorstaaf in de externe gehoorgang te positioneren.
Lijn vervolgens de tweede oorstang uit en plaats deze in de contralaterale externe gehoorgang. Positioneer daarna het dier zodanig dat de oorstangen zijn uitgelijnd met de tandhouder. Open de kaak van het dier met een ratten-tandtang.
Haak de bovenste incisieven over de tandhouder en klem de neus vast. Maak vervolgens een incisie in de huid van de kop op ongeveer één millimeter rechts van de middenlijn, van 10 millimeter rostral tot 10 millimeter. Trek de huid en spieren zijdelings weg van de incisie met behulp van een Lambda-retraktor.
Om de pariëtale en interpariëtale beenderen bloot te leggen, wordt het oppervlak van het blootgelegde bot onder de microscoop gescrubd met een 20% waterstofperoxide-oplossing en een gaasje. Boor een gat van ongeveer drie vierkante millimeter in het interpariëtale bot, zo dicht mogelijk bij Lambda en de middenlijn. Spoel het gat schoon met steriele zoutoplossing om botstof of fragmenten te verwijderen, aangezien deze de elektrode kunnen beschadigen.
Dissekeer daarna onder de nekvel onder met de stompe schaar. Om een holte te creëren, wikkel een zilver-zilverchloride draad in watten en verzadig deze met een zoutoplossing. Plaats vervolgens de referentie-elektrode in de holte.
Maak vervolgens een incisie in de dura mater in het sagittale vlak. Bevestig de elektrodenmatrix met de punt van een naald aan de elektrodemanipulator. Pas daarna de positie boven de opening aan met een Ros coddle-hoek van 19 graden.
Voer de elektrode handmatig ongeveer twee millimeter in de hersenen in, in de richting van de inferieure colus. Bevestig vervolgens de luidspreker aan de linker holle oorstang. Controleer of de versterker is ingeschakeld.
Sluit daarna de deur van de opnamekamer. Dien nu bursts van witte ruis toe. De maximale frequentie waarmee de bursts moeten worden toegediend is één burst per 200 milliseconden.
Houd tegelijkertijd de activiteit op elke elektrode in de gaten met behulp van de gemotoriseerde micro-drive. Voer de elektrode-array langzaam in totdat er akoestisch aangestuurde activiteit wordt geregistreerd op de drie meest distale elektroden van elke shank. Voer vervolgens het akoestische stimulatieprotocol uit met 300 herhalingen van 50 milliseconde witte ruis-bursts met een herhalingssnelheid van één seconde bij 70 decibels, en registreer de multi-unit activiteit op elke elektrode met een bemonsteringssnelheid van 24,4 kilohertz.
Voer de elektrode-array langzaam nog 200 micron verder in in de colliculus inferior om elke elektrode ongeveer op dezelfde positie te plaatsen als de meer distale elektrode ten opzichte van de initiële registratiepositie. Herhaal vervolgens het protocol voor akoestische stimulatie en neurale registratie. Ga door met het inbrengen van de elektrode-array in stappen van honderd micron en voer het protocol voor akoestische stimulatie en neurale registratie uit totdat alle elektroden akoestisch gestuurde activiteit hebben geregistreerd vanuit ten minste drie posities.
Trek vervolgens de elektrodenarray in stappen van 200 micron terug en voer het protocol voor akoestische stimulatie en neurale registratie voort totdat de oorspronkelijke positie van de elektrodenarray is bereikt. Trek de elektrodenarray daarna voorzichtig handmatig terug. Spoel de elektrodenarray bij deze procedure voorzichtig met gedestilleerd water om eventuele contaminatie te verwijderen.
Sluit vervolgens de elektrode-array aan op een potentiostaat. Plaats de elektrode-array voorzichtig in de testoplossing en klem deze vast. Sluit daarna de tegenelektrode en de referentie-elektrode aan op de potentiostaat.
Voer opeenvolgende elektrochemische impedantiespectroscopie en cyclische voltammetrie uit op alle elektroden. Tussen elke test wordt een rustperiode van één seconde gehanteerd. Alle 32 elektroden blijven gedurende de gehele testsessie van één uur in contact met de oplossing.
Verwijder vervolgens de elektrode-array uit de testoplossing en spoel deze voorzichtig af met gedeïoniseerd water. Plaats de elektrode-array gedurende 24 uur in een enzymatische reinigingsoplossing. Herhaal daarna de procedures opnieuw voordat de probe wordt bewaard in een droge beschermende container om beschadiging en degradatie van het elektrode-oppervlak te voorkomen.
Deze figuur toont het peri-stimulus tijdhistogram gemeten bij elke elektrode, gemiddeld over 300 herhalingen bij 70 decibel witte ruis bij insertiedieptes van nul micron en 800 micron in de collliculus inferior. De gecoate elektroden zijn aangegeven met een asterisk, en deze figuur toont de streaminggegevens gemeten bij elke elektrode met bursts van 70 decibel witte ruis bij insertiedieptes van nul micron en 800 micron in de collliculus inferior. De gecodeerde elektroden zijn aangegeven met een asterisk.
De signaal-ruisverhouding tijdens het inbrengen en terugtrekken van de elektrode-array in de collliculus inferioris wordt hier weergegeven. 70 decibels. Witte ruis bij de representatieve ongecoate elektrode wordt aangegeven door de stippellijn, en de met geleidende polymeer gecoate elektrode wordt aangegeven door de ononderbroken lijn. Hier worden verschillende geluidsdrukniveaus van 40 tot 70 decibels weergegeven op een met geleidende polymeer gecoate elektrode bij het volgen van dit protocol.
Andere methoden, zoals röntgenfoto-elektronspectroscopie en massaspectrometrie, kunnen worden toegepast om de verschillende soorten eiwitten te begrijpen die adsorberen aan een elektrode-oppervlak en hoe de verschillende materialen dit kunnen beïnvloeden.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een methode voor het evalueren van verschillende elektrodecoatings die worden gebruikt bij neurale registratie. Het belicht de impact van deze coatings op de elektrochemische, chemische en mechanische eigenschappen en bespreekt de uitdagingen van in vivo vergelijkingen.
Belangrijkste onderdelen van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Elektrofysiologie
- Neurale Techniek
Achtergrond
- Elektrodecoatings kunnen de prestaties van neurale registraties aanzienlijk beïnvloeden.
- In vitro vergelijkingen zijn eenvoudig, terwijl in vivo beoordelingen complex zijn.
- Het begrijpen van deze verschillen is cruciaal voor het verbeteren van neurale implantaten.
- Deze studie richt zich op een systematische aanpak voor de evaluatie van elektroden.
Doel van de studie
- Het identificeren van de optimale elektrode voor acute neurale registratie.
- Het beoordelen van de effecten van organische geleidende polymeercoatings op elektroden.
- Het vergelijken van elektroden met behulp van diverse analytische technieken.
Gebruikte methoden
- Modificatie van onbedekte elektroden met organische geleidende polymeren.
- In vitro testen van elektrode-eigenschappen.
- Acute neurale registratie in een ratmodel.
- In vitro her testen van elektroden op biostabiliteit.
Belangrijkste resultaten
- Een vergelijking van verschillende elektroden onthulde belangrijke verschillen in prestaties.
- Elektrofysiologische en elektrochemische analyses gaven inzicht in de eigenschappen van de elektroden.
- Modificaties van de coating leidden tot variaties in de registratiekwaliteit.
- In vivo resultaten benadrukten het belang van de afstand tussen elektrode en neuron.
Conclusies
- De studie biedt een robuuste methode voor het evalueren van neurale registratie-elektroden.
- De bevindingen kunnen de ontwikkeling van verbeterde neurale implantaten sturen.
- Toekomstig onderzoek zou zich moeten richten op het optimaliseren van elektrode-ontwerpen voor betere prestaties.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Een systematische elektrochemische en elektrofysiologische evaluatie van neurale registratie-elektroden vult een kritisch gat in de rationele selectie van implantaten en materiaaloptimalisatie voor R&D in de neurotechnologie. Door in vitro en in vivo prestatiemetrieken te correleren, vergroot dit protocol het voorspellende vertrouwen in het ontwerp van elektroden en ondersteunt het risico-gecorrigeerde beslissingen voor de voortgang in neurale interface-pipelines. Deze aanpak stelt bedrijfsteams in staat om elektrodekandidaten te prioriteren op basis van kwantitatieve, reproduceerbare gegevens die relevant zijn voor translationele en preklinische ontwikkeling.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt onderzoek mogelijk naar eigenschappen van elektrodematerialen die de getrouwheid van neurale signalen en de biostabiliteit beïnvloeden.
- Ondersteunt functionele validatie van elektrodedesigns door directe meting van de signaal-ruisverhouding en impedantie.
- Faciliteert mechanische risicoreductie door materiaalkenmerken en designvariabelen te isoleren in gecontroleerde omgevingen.
Screening & Assayontwikkeling
- Biedt gestandaardiseerde in vitro en in vivo testworkflows voor comparatieve beoordeling van elektroden.
- Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten zoals impedantiespectra en elektrofysiologische opnames.
- Maakt schaalbare screening van nieuwe elektrodematerialen en coatings mogelijk voor downstream neurotechnologische platforms.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt prestatie-metrieken van elektroden af met neurale registratie-eisen die relevant zijn voor de ziekte.
- Ondersteunt de continuïteit van materiaalevaluatie in de ontdekkingsfase tot aan preklinische validatie van de neurale interface.
- Vermindert het translationele risico door in vitro en in vivo elektroderesponsen met elkaar te correleren.
Integratie van pipeline en workflow
Dit protocol integreert het proces vanaf de vroege ontdekking via lead-identificatie tot preklinische validatie bij de ontwikkeling van neurale interfaces.
- Discovery Biology: Kwantitatieve tests van elektrode-eigenschappen informeren de hypothese-gestuurde materiaalselectie en pathway-verduidelijking.
- Screening: Gestandaardiseerde impedantie- en elektrofysiologische assays maken reproduceerbare vergelijkingen tussen elektodekandidaten mogelijk.
- Analytics: Biedt robuuste metingen van de signaal-ruismarge en impedantie voor datagestuurde besluitvorming.
- Translationeel Onderzoek: Correleert in vitro- en in vivo-data om preklinische continuïteit en biomarker-afstemming te ondersteunen.
- Bedrijfsvoering en Hergebruik: Een aanpasbaar protocol ondersteunt de evaluatie van diverse elektodematerialen en ontwerpen over verschillende projecten heen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij de selectie van elektroden.
- Operationele waarde: Standaardiseert testen, verbetert de reproduceerbaarheid en ondersteunt schaalbare screening van elektroden.
- Strategische waarde: Maakt geïnformeerde go/no-go beslissingen mogelijk en vermindert biologische risico's in een laat stadium binnen neurale interface-portfolio's.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering en de verdere ontwikkeling van elektrodekandidaten.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in elektrochemie, elektrofysiologie en neurale chirurgie.
- Vereist toegang tot analytische instrumentatie voor impedantiespectroscopie en elektrofysiologische registratie.
- Maakt standaardisatie van testprotocollen en data-analyse tussen teams noodzakelijk.
- Aanpasbaar aan diverse elektrodematerialen, coatings en neurale doelgebieden.
- Potentiële beperkingen omvatten variabiliteit in diermodellen en de positionering van elektroden.
