Method Article

Polaryzacja napięcia, woltamperometria cykliczna i spektroskopia impedancji elektrycznej dla interfejsów neuronowych

DOI:

10.3791/3566

⸱

February 24th, 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 This Article

Summary

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

Interfejs elektroda-tkanka elektrod rejestrujących neurony można scharakteryzować za pomocą spektroskopii impedancji elektrycznej (EIS) i cyklicznej woltamperometrii (CV). Zastosowanie polaryzacji napięcia zmienia właściwości elektrochemiczne granicy faz elektroda-tkanka i może poprawić zdolność rejestrowania. Polaryzacja napięciowa, EIS, CV i zapisy neuronowe są komplementarne.

Abstract

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

Spektroskopia impedancji elektrycznej (EIS) i cykliczna woltamperometria (CV) mierzą właściwości granicy faza elektroda-tkanka bez dodatkowych inwazyjnych procedur i mogą być używane do monitorowania wydajności elektrody w długim okresie. EIS mierzy impedancję elektryczną przy wielu częstotliwościach, a wzrost impedancji wskazuje na zwiększone tworzenie się blizn glejowych wokół urządzenia, podczas gdy woltamperometria cykliczna mierzy nośność ładunku elektrody i wskazuje, w jaki sposób ładunek jest przenoszony przy różnych poziomach napięcia. Wraz z wiekiem wszczepionych elektrod zmieniają się dane EIS i CV, a miejsca elektrod, które wcześniej rejestrowały neurony impulsowe, często wykazują znacznie niższą skuteczność w zapisie neuronalnym. Zastosowanie krótkiego impulsu napięcia do wszczepionych matryc elektrod, znane jako odmładzanie, może przywrócić na pewien czas gwałtowną aktywność w miejscach cichych elektrod. Odmładzanie zmienia EIS i CV i może być monitorowane za pomocą tych uzupełniających się metod. Zazwyczaj EIS jest mierzony codziennie jako wskaźnik odpowiedzi tkanek w miejscu elektrody. Jeśli skoki są nieobecne w kanale, w którym wcześniej występowały skoki, wówczas CV służy do określenia nośności ładunku w miejscu elektrody i można zastosować odmładzanie w celu poprawy skuteczności interfejsu. CV i EIS są następnie powtarzane w celu sprawdzenia zmian na granicy elektroda-tkanka, a następnie zbierane są zapisy neuronalne. Ogólnym celem odmładzania jest wydłużenie funkcjonalnego okresu eksploatacji wszczepionych macierzy.

Protocol

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

1. Konfiguracja instrumentu elektrochemicznego

  1. Oprzyrządowanie elektrochemiczne, takie jak Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, Holandia) jest potrzebne do EIS, CV i odmładzania. Rozszerzenie FRA2 umożliwia EIS, a rozszerzenie multiplekser kanałów (MUX) jest przydatne do testowania elektrod wielokanałowych.
  2. Zbuduj adapter do stacji czołowej, aby połączyć kanał MUX ze sceną główną.
  3. Nawiąż połączenia. Podłącz elektrody robocze i czujnikowe do kanału MUX, a elektrody referencyjne i przeciwelektrody podłącz do części adaptera headstage podłączonej do ścieżki powrotnej prądu, zwykle wszczepionej kostnej ze stali nierdzewnej lub tytanu.

2. Spektroskopia impedancji elektrycznej

  1. Uruchom oprogramowanie Frequency Response Analyzer (FRA) i sprawdź ustawienia pliku procedury. Procedura powinna być ustawiona tak, aby testować dwa przebiegi wielosinusoidalne, z których każdy składa się z 15 sinusów jednocześnie w zakresie od 10 Hz do 30 kHz. Przyłożone napięcie powinno wynosić 25 mV lub mniej (patrz metody dodatkowe).
  2. Otwórz i edytuj plik projektu. Projekt korzysta z pliku Procedure, przechodzi przez każdy kanał i zapisuje wynik (zobacz metody uzupełniające).
  3. Połącz obiekt zwierzęcy z pasywną (bez wzmacniaczy) sceną główną. Aktywne stopnie czołowe nie przepuszczają sygnałów wejściowych.
  4. Uruchom plik projektu. Każdy kanał zajmuje kilkadziesiąt sekund w zależności od ustawień.
  5. Wyświetlanie i interpretowanie wyników. Przeanalizuj wyjściowe pliki tekstowe za pomocą MATLAB (Natick, MA) i utwórz wykres Nyquista. Półkole przy wyższych częstotliwościach wskazuje na odpowiedź tkankową.

3. Woltamperometria cykliczna

  1. Uruchom oprogramowanie systemu elektrochemicznego ogólnego przeznaczenia (GPES) i sprawdź ustawienia pliku procedury. Procedurę należy ustawić tak, aby przemiatać napięcie na poziomie 50 mV/s w granicach hydrolizy, które wynosi od +0,8 do -0,6 V dla typowych materiałów elektrod nerwowych (Pt, Ir, IrOx). Aby system osiągnął równowagę, należy uruchomić co najmniej trzy skany. Wyniki końcowego skanowania są zapisywane (patrz metody uzupełniające). Szybkość skanowania można zwiększyć do 1 V/s w celu skrócenia czasu pomiaru; jednak kształt krzywej I-V prawdopodobnie ulegnie zmianie, jeśli szybkość skanowania jest szybsza niż reakcje przenoszenia ładunku zachodzące na granicy elektroda-tkanka.
  2. Otwórz i edytuj plik projektu. Projekt korzysta z pliku Procedure, przechodzi przez każdy kanał i zapisuje wynik (zobacz metody uzupełniające).
  3. Połącz obiekt zwierzęcy z pasywną sceną główną.
  4. Uruchom plik projektu. Każdy kanał trwa około trzech minut, w zależności od ustawień. Zwiększenie szybkości skanowania do 1 V/s skraca czas pomiaru do około dziesięciu sekund na kanał.
  5. Wyświetlanie i interpretowanie wyników. Przeanalizuj wyjściowe pliki tekstowe za pomocą programu MATLAB i wykreśl relację I-V. Zdolność ładunku określa się ilościowo poprzez całkowanie obszaru prądu katodowego w CV.

4. Odmłodzenie

  1. Uruchom oprogramowanie systemu elektrochemicznego ogólnego przeznaczenia (GPES) i sprawdź ustawienia pliku procedury. Stosując metodę Steps and Sweeps, procedurę należy ustawić tak, aby zwiększać napięcie do 1,5 V przez 4 sekundy (patrz metody dodatkowe).
  2. Otwórz i edytuj plik projektu. Projekt korzysta z pliku Procedure, przechodzi przez każdy kanał i zapisuje wynik (zobacz metody uzupełniające).
  3. Połącz obiekt zwierzęcy z pasywną sceną główną.
  4. Uruchom plik projektu. Każdy kanał trwa około dziesięciu sekund. 4.5) Zbieraj dane EIS i CV oraz interpretuj wyniki.

5. Reprezentatywne wyniki

Typowy przepływ pracy, w tym nagrania, EIS, CV i odmładzanie, jest pokazany na rysunku 1. Nagrania i EIS są zbierane najczęściej (codziennie lub co tydzień) we wszystkich kanałach, podczas gdy CV i odmładzanie mogą być stosowane, jeśli aktywność skokowa nie jest już wykrywalna.

EIS zmienia się w ciągu kilku dni do tygodni po wszczepieniu elektrody. Gdy dane EIS są wyświetlane jako wykres Nyquista, półkole przy wyższych częstotliwościach (w pobliżu początku) wskazuje na odpowiedź tkanki w miejscu elektrody (ryc. 2).

CV tworzy krzywą prąd-napięcie (I-V) wykazującą pewną histerezę. Najistotniejszą statystyką CV jest nośność ładunku, obszar wewnątrz krzywej I-V znormalizowany przez obszar miejsca elektrody (rys. 3 a). Do mikrostymulacji preferowane są elektrody o dużej pojemności ładunkowej.

Podczas odmładzania stosowany jest impuls napięcia, który zwykle powoduje zwiększenie pojemności ładunku i zmniejszenie impedancji (Rys. 3a i b). Skoki można również przywrócić w kanałach, w których wcześniej występowały skoki (Rysunek 4a). Chociaż odmładzanie ma tylko krótkotrwały wpływ na impedancję i stosunek sygnału do szumu (SNR), technika ta może być stosowana codziennie. Rysunek 4b i c przedstawia dzienne dane przed i po odmłodzeniu, wielkości impedancji 1 kHz i SNR dla 16-kanałowej macierzy wszczepionej w korę świnki morskiej. Odmładzanie ma silny wpływ na obniżenie impedancji 1 kHz o rząd wielkości po każdym zastosowaniu. W wyniku odzyskanych sygnałów i niższej impedancji, SNR wzrasta po każdej sesji odmładzającej. Ostatecznie wszystkie sygnały zostały utracone po 160 dniach od implantacji, a odmładzanie nie było już skuteczne.

figure-protocol-1
Rysunek 1. EIS jest mierzony po każdej sesji nagraniowej. Jeśli nie zostaną zarejestrowane żadne skoki na kanale, który wcześniej miał kolce, a EIS pokazuje duży składnik tkankowy, który zwiększył się w czasie, wówczas na tym kanale próbuje się CV i odmłodzenie. EIS i nagrania są następnie wykorzystywane do określenia, czy leczenie zakończyło się sukcesem.

figure-protocol-2
Rysunek 2. Dane EIS wyświetlane na wykresie Nyquista miejsca elektrody bezpośrednio po implantacji (kolor niebieski) i 4 miesiące później (kolor zielony). Każdy punkt na wykresie Nyquista reprezentuje impedancję rzeczywistą i urojoną przy jednej częstotliwości. Częściowe półkole spowodowane tkanką wokół miejsca jest widoczne przy wyższych częstotliwościach.

figure-protocol-3
Rysunek 3. Zmiany CV i EIS wszczepionej elektrody z tlenku irydu przed i po odmłodzeniu. (A) Odmładzanie zwiększa obszar krzywej I-V, co odpowiada zwiększonej nośności ładunku. (B) Po odmłodzeniu na ogół obserwuje się znaczne przesunięcie widm impedancji do niższych poziomów impedancji.

figure-protocol-4
Rysunek 4. Wpływ polaryzacji napięcia na nagrania i impedancję. (A) Nagrania przed i po odmłodzeniu pokazują, że skoki można odzyskać na kanałach, które wcześniej były ciche. Codzienne odmładzanie przed i po odmładzaniu powoduje znaczny (B) spadek impedancji 1 kHz i (C) wzrost SNR przez około 150 dni po zabiegu. Paski błędów reprezentują błąd standardowy na podstawie danych zebranych z 16-kanałowej macierzy wszczepionej do kory świnki morskiej.

Discussion

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

Systemy protetyczne z zapisem neuronowym mają ograniczoną żywotność funkcjonalną, ponieważ zdolność nagrywania zmniejsza się wraz z upływem czasu po implantacji. Prawdopodobnym czynnikiem przyczyniającym się do spadku wydajności jest reaktywna odpowiedź tkanki na wszczepione urządzenie, ponieważ zwarta osłonka glejowa funkcjonalnie izoluje ciało obce od zdrowej tkanki1. Wraz z rejestracją neuronalną, pomiary elektrochemiczne (EIS i CV) są zwykle stosowane do monitorowania wzdłużnego granicy faz elektroda-tkanka2,3. EIS jest praktycznie przydatny w ocenie możliwości nagrywania interfejsu. Impedancja szybko wzrasta z czasem po implantacji, co sugeruje, że reaktywna odpowiedź tkanki zmienia właściwości elektryczne interfejsu3. Dodatkowo dane EIS można wykorzystać do modelowania składu komórkowego przylegającego do wszczepionej elektrody3-5. Woltamperometria cykliczna może być wykorzystana do dalszego badania zmian w zapisach i EIS. Materiał i chropowatość elektrody, a także reakcje elektrochemiczne i otaczająca tkanka wpływają na kształt krzywej I-V. Zwykle preferowana jest duża nośność ładunku, określana na podstawie obszaru krzywej I-V, szczególnie w przypadku mikrostymulacji elektrycznej. Niska pojemność ładowania często wiąże się ze zwiększonym EIS. Potencjał zastosowany podczas CV może sam w sobie zmienić pojemność ładunku i EIS, zwłaszcza jeśli zakres napięcia jest wystarczająco duży, aby napędzać reakcje redoks.

Zastosowanie polaryzacji napięcia lub odmładzania może być stosowane w celu zwiększenia nośności ładunku, zmniejszenia impedancji i zwiększenia liczby kanałów z zarejestrowanymi skokami5. Podczas odmładzania prawdopodobnie zachodzi utlenianie na granicy faz elektrod, a w przypadku materiałów irydowych tworzy się uwodniona monowarstwa tlenku o potencjałach anodowych 1,2 V6. Zasugerowano, że utworzenie tej monowarstwy może usunąć materiał komórkowy i bezkomórkowy przyczepiony do elektrody, co skutkuje niższą impedancją na granicy faz5. Chociaż odmładzanie może odzyskać utracone sygnały neuronowe, jest najbardziej skuteczne, jeśli jest stosowane na kanałach, które wcześniej miały skoki w ciągu kilku dni wcześniej. Nagrania, EIS, CV i odmładzanie mogą być najlepiej wykorzystywane jako narzędzia uzupełniające w monitorowaniu interfejsu neuronowego i poprawie długoterminowej funkcjonalności wszczepionych urządzeń.

Disclosures

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

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Acknowledgements

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

To badanie było wspierane przez National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD) oraz przez Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), pod auspicjami Dr. Jack W. Judy (jack.judy@darpa.mil) w ramach Programu Niezawodnej Technologii Neuronowej, poprzez grant Space and Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Pacific No. N66001-11-1-4013.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Elektrochemia InstrumentMetrohm AutolabPGSTAT128Ndodatki: FRA2, kanał MUX
Pasywna stacja czołowaModel Tucker-Davis Technologieszależy od złącza i liczby kanałów
26-pinowe złącze żeńskieAMPI5749069-2Adapter do stacji czołowej Lub zastąp odpowiednie złącze do swojej stacji
głównej Gniazda bananoweDigi-KeyJ151-NDAdapter sceny czołowej Kanał Autolab MUX ma wtyki
null
bananowe

References

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

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

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

Related Articles