Interfejs elektroda-tkanka w elektrodach do rejestracji sygnałów neuronalnych może być charakteryzowany za pomocą spektroskopii impedancyjnej (EIS) oraz woltamperometrii cyklicznej (CV). Zastosowanie polaryzacji napięciowej zmienia właściwości elektrochemiczne interfejsu elektroda-tkanka i może poprawić zdolność rejestracji. Polaryzacja napięciowa, EIS, CV oraz rejestracje neuronalne są metodami komplementarnymi.
Artykuł metodologiczny
Polaryzacja napięciowa, woltametria cykliczna i spektroskopia impedancyjna dla interfejsów neuronalnych
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS) oraz woltametria cykliczna (CV) pozwalają na pomiar właściwości interfejsu elektroda-tkanka bez konieczności stosowania dodatkowych procedur inwazyjnych i mogą być wykorzystywane do długoterminowego monitorowania wydajności elektrod. EIS mierzy impedancję elektryczną przy wielu częstotliwościach, a wzrost impedancji wskazuje na zwiększone formowanie się blizny glejowej wokół urządzenia, podczas gdy woltametria cykliczna mierzy pojemność przenoszenia ładunku elektrody i wskazuje sposób transferu ładunku przy różnych poziomach napięcia. Wraz ze starzeniem się implantowanych elektrod dane EIS i CV ulegają zmianie, a miejsca elektrod, które wcześniej rejestrowały aktywność neuronów (spiki), często wykazują znacznie niższą skuteczność rejestracji neuronalnej. Zastosowanie krótkiego impulsu napięcia do implantowanych macierzy elektrod, znane jako rejuvenacja (odmłodzenie), może na pewien czas przywrócić aktywność impulsową w wcześniej nieaktywnych miejscach elektrod. Rejuvenacja zmienia parametry EIS i CV, co można monitorować za pomocą tych komplementarnych metod. Zazwyczaj EIS jest mierzone codziennie jako wskaźnik reakcji tkankowej w miejscu elektrody. Jeśli w kanale, w którym wcześniej występowały spiki, przestaną one być obecne, stosuje się CV w celu określenia pojemności przenoszenia ładunku miejsca elektrody, a następnie można przeprowadzić rejuvenację, aby poprawić skuteczność interfejsu. Następnie powtarza się pomiary CV i EIS w celu sprawdzenia zmian na interfejsie elektroda-tkanka i zbiera rejestracje neuronalne. Ogólnym celem rejuvenacji jest przedłużenie funkcjonalnej żywotności implantowanych macierzy.
Protokół
1. Konfiguracja urządzenia do elektrochemii
- Do pomiarów EIS, CV i procesu rejuvenacji wymagana jest aparatura elektrochemiczna, taka jak Metrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, NL). Moduł FRA2 umożliwia pomiary EIS, a multiplekser kanałów (MUX) jest przydatny przy testowaniu elektrod wielokanałowych.
- Zbuduj adapter do głowicy pomiarowej, aby połączyć multiplekser MUX z głowicą.
- Wykonaj połączenia. Podłącz elektrody robocze i detekcyjne do multipleksera MUX, a elektrody odniesienia i pomocnicze do części adaptera głowicy połączonej ze ścieżką powrotną prądu, którą zazwyczaj jest implantowany kostny wkręt ze stali nierdzewnej lub tytanu.
2. Spektroskopia impedancyjna
- Uruchom oprogramowanie analizatora odpowiedzi częstotliwościowej (FRA) i zweryfikuj ustawienia pliku procedury. Procedura powinna być skonfigurowana tak, aby testować dwie przebiegi wielotonowe, z których każdy składa się z 15 sinusoid w zakresie od 10 Hz do 30 kHz jednocześnie. Przyłożone napięcie powinno wynosić 25 mV lub mniej (patrz: metody uzupełniające).
- Otwórz i edytuj plik projektu. Projekt wykorzystuje plik procedury, przechodzi w pętli przez każdy kanał i zapisuje wynik (patrz: metody uzupełniające).
- Podłącz zwierzę doświadczalne za pomocą pasywnej (bez wzmacniaczy) głowicy. Głowice aktywne nie przepuszczają sygnałów wejściowych.
- Uruchom plik projektu. Pomiar każdego kanału trwa kilkadziesiąt sekund w zależności od ustawień.
- Wyświetl i zinterpretuj wynik. Przeanalizuj wyjściowe pliki tekstowe za pomocą programu MATLAB (Natick, MA) i sporządź wykres Nyquista. Półokrąg przy wyższych częstotliwościach wskazuje na odpowiedź tkankową.
3. Woltamperometria cykliczna
- Uruchom oprogramowanie General Purpose Electrochemistry System (GPES) i zweryfikuj ustawienia pliku procedury (Procedure file). Procedura powinna być ustawiona na sweep napięcia z prędkością 50 mV/s w granicach hydrolizy, które dla typowych materiałów elektrod neuronowych (Pt, Ir, IrOx) wynoszą od +0,8 do -0,6 V. Należy przeprowadzić co najmniej trzy skanowania, aby system osiągnął stan równowagi. Wyniki z ostatniego skanowania zostają zapisane (patrz: metody uzupełniające). Prędkość skanowania można zwiększyć do 1 V/s w celu skrócenia czasu pomiaru; należy jednak pamiętać, że kształt krzywej I-V prawdopodobnie ulegnie zmianie, jeśli prędkość skanowania będzie większa niż prędkość reakcji przeniesienia ładunku zachodzących na styku elektroda-tkanka.
- Otwórz i edytuj plik projektu (Project file). Projekt wykorzystuje plik procedury, przechodzi w pętli przez każdy kanał i zapisuje wynik (patrz: metody uzupełniające).
- Podłącz zwierzę badawcze za pomocą pasywnego przedwzmacniacza głowowego (headstage).
- Uruchom plik projektu. Pomiar każdego kanału trwa około trzech minut, w zależności od ustawień. Zwiększenie prędkości skanowania do 1 V/s skraca czas pomiaru do około dziesięciu sekund na kanał.
- Wyświetl i zinterpretuj wynik. Przeanalizuj wyjściowe pliki tekstowe za pomocą programu MATLAB i wykreśl zależność I-V. Pojemność przenoszenia ładunku określa się poprzez całkowanie pola prądu katodowego w obrębie krzywej CV.
4. Odmładzanie
- Uruchom oprogramowanie General Purpose Electrochemistry System (GPES) i zweryfikuj ustawienia pliku Procedury. Stosując metodę kroków i skanowań (Steps and Sweeps), procedura powinna być ustawiona tak, aby napięcie wzrosło do 1.5 V na czas 4 sekund (patrz metody uzupełniające).
- Otwórz i edytuj plik Projektu. Projekt wykorzystuje plik Procedury, wykonuje pętlę dla każdego kanału i zapisuje wynik (patrz metody uzupełniające).
- Podłącz obiekt zwierzęcy za pomocą pasywnego przedwzmacniacza głowowego (passive headstage).
- Uruchom plik Projektu. Pomiar każdego kanału trwa około dziesięciu sekund. 4.5) Zbierz dane EIS i CV, a następnie zinterpretuj wyniki.
5. Reprezentatywne wyniki
Typowy schemat postępowania, obejmujący rejestracje, EIS, CV oraz rewitalizację, przedstawiono na rysunku 1. Rejestracje i EIS są przeprowadzane najczęściej (codziennie lub co tydzień) we wszystkich kanałach, natomiast CV i rewitalizację można zastosować, gdy aktywność impulsowa nie jest już wykrywalna.
Wartości EIS zmieniają się w ciągu dni lub tygodni po implantacji elektrody. Gdy dane EIS są przedstawione na wykresie Nyquista, półokrąg przy wyższych częstotliwościach (blisko początku układu współrzędnych) wskazuje na odpowiedź tkankową w miejscu implatacji elektrody (Rys. 2).
CV generuje krzywą prądowo-napięciową (I-V), która wykazuje pewną histerezę. Najistotniejszym parametrem CV jest pojemność ładunkowa, czyli pole powierzchni wewnątrz krzywej I-V znormalizowane przez powierzchnię miejsca elektrody (Rys. 3 a). Do mikrostymulacji preferowane są elektrody o dużej pojemności ładunkowej.
Podczas odmładzania (rejuvenacji) przykłada się impuls napięcia, który zazwyczaj skutkuje zwiększeniem pojemności ładunkowej i zmniejszeniem wartości impedancji (Rys. 3a i b). Możliwe jest również przywrócenie aktywności impulsowej w kanałach, które wcześniej ją wykazywały (Rys. 4a). Chociaż odmładzanie wywiera jedynie krótkotrwały wpływ na impedancję i stosunek sygnału do szumu (SNR), technikę tę można stosować codziennie. Rysunki 4b i c przedstawiają codzienne dane dotyczące wartości impedancji przy 1 kHz oraz SNR przed i po odmładzaniu dla macierzy 16 kanałów wszczepionej do kory mózgu świnki morskiej. Odmładzanie wykazuje silny efekt obniżenia wartości impedancji przy 1 kHz o rząd wielkości po każdym zastosowaniu. W wyniku odzyskania sygnałów i obniżenia impedancji, SNR wzrasta po każdej sesji odmładzania. Ostatecznie wszystkie sygnały zanikły 160 dni po implantacji, a odmładzanie przestało być skuteczne.
Rysunek 1. EIS jest mierzona po każdej sesji rejestracji. Jeśli na kanale, na którym wcześniej rejestrowano impulsy, nie są one już obecne, a EIS wykazuje znaczną składową tkankową, która zwiększyła się w czasie, wówczas na tym kanale próbuje się zastosować CV i odmładzanie. Następnie EIS i rejestracje są wykorzystywane do ustalenia, czy zabieg zakończył się sukcesem.
Rycina 2. Dane EIS przedstawione na wykresie Nyquista dla miejsca elektrody bezpośrednio po implantacji (kolor niebieski) oraz 4 miesiące później (kolor zielony). Każdy punkt na wykresie Nyquista reprezentuje część rzeczywistą i urojoną impedancji przy pojedynczej częstotliwości. Przy wyższych częstotliwościach widoczny jest częściowy półokrąg wynikający z obecności tkanki wokół miejsca implantacji.
Rycina 3. Zmiany CV i EIS wszczepionej elektrody z tlenku irydu przed i po regeneracji. (A) Regeneracja zwiększa pole powierzchni krzywej I-V, co odpowiada zwiększonej pojemności przenoszenia ładunku. (B) Po regeneracji zazwyczaj obserwuje się znaczące przesunięcie widm impedancji w stronę niższych poziomów impedancji.
Rycina 4. Wpływ polaryzacji napięciowej na rejestracje i impedancję. (A) Rejestracje przed i po odnowieniu wykazują, że impulsy mogą zostać odzyskane na kanałach, które wcześniej były nieaktywne. Codzienne odnowienie skutkuje wyraźnym (B) spadkiem wartości impedancji przy 1 kHz oraz (C) wzrostem SNR przez około 150 dni po operacji. Słupki błędów reprezentują błąd standardowy danych zebranych z 16-kanałowej macierzy wszczepionej do kory świnki morskiej.
Dyskusja
Protetyczne systemy rejestracji neuronalnej wykazują ograniczoną żywotność funkcjonalną, ponieważ zdolność rejestracji zmniejsza się wraz z upływem czasu po implantacji. Prawdopodobną przyczyną spadku wydajności jest reakcja tkankowa na wszczepione urządzenie, w wyniku której zwarta osłonka glejowa funkcjonalnie izoluje ciało obce od zdrowej tkanki1. Oprócz rejestracji neuronalnej, do długoterminowego monitorowania interfejsu elektroda-tkanka zazwyczaj stosuje się pomiary elektrochemiczne (EIS i CV)2,3. Metoda EIS jest praktycznie przydatna w ocenie zdolności rejestracyjnej interfejsu. Impedancja szybko wzrasta po implantacji, co sugeruje, że reakcja tkankowa zmienia właściwości elektryczne interfejsu3. Dodatkowo dane EIS mogą być wykorzystane do modelowania składu komórkowego w sąsiedztwie wszczepionej elektrody3-5. Woltametria cykliczna może służyć do dalszego badania zmian w rejestracjach i EIS. Na kształt krzywej I-V wpływa materiał i chropowatość elektrody, a także reakcje elektrochemiczne i otaczająca tkanka. Zazwyczaj preferowana jest duża pojemność przenoszenia ładunku, określana na podstawie pola powierzchni krzywej I-V, szczególnie w przypadku elektrycznej mikrostymulacji. Niska pojemność ładunkowa jest często powiązana ze zwiększoną wartością EIS. Potencjał przyłożony podczas CV może sam w sobie zmieniać pojemność ładunkową i EIS, zwłaszcza jeśli zakres napięć jest wystarczająco szeroki, aby wywołać reakcje redox.
Zastosowanie polaryzacji napięciowej, czyli rejuvenacji, może służyć do zwiększenia pojemności przenoszenia ładunku, zmniejszenia impedancji oraz zwiększenia liczby kanałów z zarejestrowanymi impulsami (spikes)5. Podczas rejuvenacji na styku elektrody prawdopodobnie zachodzi utlenianie, a w przypadku materiałów irydowych przy potencjałach anodowych 1,2 V tworzy się monowarstwa tlenku uwodnionego6. Sugerowano, że powstanie tej monowarstwy może usuwać przytwierdzony do elektrody materiał komórkowy i niekomórkowy, co skutkuje obniżeniem impedancji na styku5. Choć rejuvenacja może przywrócić utracone sygnały neuronalne, jest ona najskuteczniejsza, jeśli zostanie zastosowana w kanałach, w których impulsy występowały w ciągu kilku poprzednich dni. Rejestracje, EIS, CV oraz rejuvenacja mogą być najlepiej wykorzystane jako komplementarne narzędzia w monitorowaniu interfejsu neuronowego i poprawie długoterminowej funkcjonalności implantowanych urządzeń.
Oświadczenia
Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.
Podziękowania
Badania te były wspierane przez Narodowe Instytuty Zdrowia (R03DC009339-02, NIDCD) oraz Biuro Technologii Mikrosystemów (MTO) Agencji Projektów Badawczych Zaawansowanych Technologii Obronnych (DARPA), pod nadzorem dr. Jacka W. Judy'ego (jack.judy@darpa.mil) w ramach Programu Niezawodnych Technologii Neuronalnych, za pośrednictwem grantu nr N66001-11-1-4013 przyznanego przez Space and Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Pacific.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Urządzenie elektrochemiczne | Metrohm Autolab | PGSTAT128N | dodatki: FRA2, moduł MUX |
| Pasywna głowica wzmacniacza | Tucker-Davis Technologies | model zależy od złącza i liczby kanałów | |
| Złącze żeńskie 26-pinowe | AMPI | 5749069-2 | Adapter głowicy lub odpowiednie złącze dostosowane do głowicy |
| Wtyki bananowe | Digi-Key | J151-ND | Adapter głowicy; moduł MUX Autolab posiada wtyki bananowe |
| null |
Bibliografia
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Pickup, P. G., Birss, V. I. A model for anodic hydrous oxide-growth at iridium. J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).
Przedruki i uprawnienia
