Constructie en implementatie van koolstofvezel micro-elektrode arrays voor chronische en acute in vivo opnames

De hier beschreven bench top-constructie is een van de weinige momenteel beschikbare elektrodetechnologieën die opnames van dichte clusters van neuronen mogelijk maken en veel van die neuronen in de loop van de tijd volgen. Koolstofvezel micro-elektrode arrays zijn goedkoop om te bouwen. Ze zijn klein, biocompatibel en bewegen met de hersenen mee, wat gezonde en stabiele opnames mogelijk maakt.

Koolstofvezels zijn extreem dun en in eerste instantie zijn ze erg moeilijk te zien. Na een paar dagen met hen te hebben gewerkt, worden ze echter gemakkelijker te manipuleren. Leg om te beginnen een stuk dubbelzijdige tape op twee lange zijden van de cassette, waarbij u de rand van de tape uitlijnt met de binnenrand van de cassette.

Om een koolstofvezelmanipulatietool te bereiden, wikkelt u een klein stukje zelfklevende film rond een naald van 30 gauge om een scherp maar flexibel punt met de film te vormen. Scheid vervolgens individuele vezels van de gebakken bundel en leg ze parallel aan de korte kant van de cassette en houd een afstand van twee tot drie millimeter. Nadat u ervoor hebt gezorgd dat er 20 tot 30 vezels op elke cassette zijn aangebracht, sluit u de vezels op hun plaats af door doorzichtige tape over de dubbele plakband te leggen en plaatst u de gevulde cassettes in de cassettehouder.

Om de koolstofvezel micro-elektrode-array te monteren, begint u elke aardingsdraad door het juiste kanaal aan het connectoruiteinde van de mal te voeren en gaat u door totdat twee uiteinden even lang zijn. Draai ze vervolgens samen om ze op de mal vast te zetten. Breng UV-uitgehard tandheelkundig cement aan om de draad vast te zetten en zorg ervoor dat er geen tandcement in het open kanaal komt van waaruit de draad wordt doorgevoerd.

Gebruik de UV-uithardingsstaaf om het tandcement gedurende 20 seconden uit te harden en lijn de mal en bankschroef zo uit dat het uiteinde van de connector, het bassin en de trechterpunt zichtbaar zijn. Oriënteer vervolgens de mal zodat de trechter weg wijst van de gebruiker en de connector naar de gebruiker toe eindigt. Schuif vervolgens de naaldpunt van 25 gauge tegen de cassette op de potentiële vezelverwijderingsplaats en snijd een enkele koolstofvezel uit de cassette.

Houd het vers gesneden vrije uiteinde van de vezel vast met behulp van een koolstofvezelgereedschap en snijd met behulp van de naald het andere uiteinde van de vezel weg van de cassette. Gebruik dan opnieuw het koolstofvezelgereedschap om de koolstofvezel op te pakken, zodat het ene uiteinde ongeveer een centimeter lang is van het gereedschap. Gebruik het vezelgelijmde koolstofvezelgereedschap om het kortere uiteinde van de vezel door het trechterstuk van het middelste bassin van de mal te voeren.

Blijf de vezel door de maltrechter voeren totdat het grootste deel van de lengte van de vezel door is. Voer het achterste deel van de vezel door een beschikbaar kanaal met behulp van het koolstofvezelgereedschap. Blijf door de rug voeren totdat er ongeveer vijf millimeter vezel uitsteekt of indien nodig op maat gesneden.

Om de isolatie aan het uiteinde van de connector te verwijderen, gebruikt u een standaard vonkwielaansteker om de vlam over de blootgestelde vezels te laten gaan en voert u vervolgens de gevlamde vezel door de mal zodat het gevlamde vezelgedeelte zich nu in het kanaal bevindt en zorgt u ervoor dat er geen vezels uit de achterkant van de mal steken. Breng UV-uitgehard tandcement aan op de bassinvezels van de mal om het hele bassin te vullen en de openingen van beide kanalen en trechter te bedekken. Nadat u de mal van de bankschroef hebt verwijderd en de mal zo hebt georiënteerd dat de trechter naar beneden wijst, zet u de mal vast met het uiteinde van de connector naar boven gericht.

Vul de naald met zilverprint en steek de naald voorzichtig in één kanaal totdat deze wordt gestopt door het tandcement. Om het kanaal met verf te vullen, drukt u de spuit langzaam in terwijl u de naald uit het kanaal verwijdert, dompelt u vervolgens een wattenstaapplicator in de verfverdunner en reinigt u de basis van het maloppervlak van elke verf. Plaats nu de hoofdtrapconnector in de juiste richting door de pinnen uit te lijnen met de kanalen.

Zodra de head stage connector rechtop zit, rechtop staat en zo gespoeld mogelijk is op de mal, bevestigt u de head stage connector aan de mal door tandcement aan te brengen langs de rand waar de head stage connector de mal ontmoet, en vervolgens UV-uitharding gedurende 20 seconden. Om de elektrodepunt op de gewenste lengte te snijden, laat u de elektrode in een bekerglas van gedeïoniseerd of gedestilleerd water zakken totdat de trechterpunt volledig is ondergedompeld en normaal aan het oppervlak is gehouden. Breng nu de afzonderlijke koolstofvezels samen door de elektrode uit het water te verwijderen.

Leg de elektrode zo dat de vezels vlak op het geleideoppervlak liggen en snijd de vezels op de gewenste lengte met een scalpel in een rollende beweging, bevestig vervolgens de elektrode aan de multi-elektrode impedantietester met behulp van de juiste adapter en test de impedantie. Laat nu de elektrodepunt ongeveer twee millimeter in een microcentrifugebuis van 0,1 kies PBS zakken en steek aardingsdraad in de microcentrifugebuis. Om de impedantie van de elektrodepunt te verminderen, injecteert u een positieve stroom met de gekozen amplitude en duur en spoelt u de vezels vervolgens in gedeïoniseerd of gedestilleerd water om schoon te maken.

Om vervolgens galvaniseren in de vergulde oplossing uit te voeren, laat u de elektrodebundelpunt ongeveer twee millimeter in de microcentrifugebuis in het platingmengsel zakken en steekt u de aardingsdraad in de microcentrifugebuis. Stel vervolgens de juiste parameters in voor galvaniseren. Spoel de vezels grondig af met gedeïoniseerd of gedestilleerd water na galvaniseren.

De representatieve SEM-afbeelding van geprepareerde koolstofvezel toonde een vergulde oplossing geconcentreerd aan de punt. Het galvaniseren van vezels in goud resulteerde in verminderde impedanties die geschikt waren voor de opname. Impedantiewaarden van 300 kanalen na initieel snijden, positieve stroominjectie en galvaniseren vertoonden verminderde impedantiewaarden na elke verwerkingsstap.

Matige goud galvaniseerduur produceerde de kleine en afgeronde afzettingen op de koolstofvezelbundelpunten. Bovendien werd stabiele 64-kanaals elektrofysiologische activiteit in de retrospleniale cortex van een vrij gedragende volwassen mannelijke muis geanalyseerd. De resultaten toonden de consistentie van opnamekwaliteit, robuuste detectie van één eenheid, consistentie in de tijd zoals aangetoond door niet-genormaliseerde spike-golfvormen en stabiele ruisvloer.

Ook de ruwe spanning die 11 maanden na implantatie werd getraceerd, vertoonde een robuust lokaal veldpotentieel. Een representatief voorbeeld van een acute 16-kanaals koolstofvezel micro-elektrode array opname verkregen uit de primaire visuele cortex van een volwassen vrouwelijke fret wordt hier ook getoond. Koolstofvezel micro-elektrode arrays maken de korte termijn of chronische opname van nabijgelegen neuronen in de hersenen gedurende lange perioden mogelijk, wat essentieel is voor het begrijpen van neurale circuits.