$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Implanty neuronowe są coraz częściej wykorzystywane do badań, kontroli protetyki i leczenia zaburzeń takich jak choroba Parkinsona, epilepsja i utrata czucia1,2. Pomiar i/lub kontrolowanie zarówno składu chemicznego, jak i elektrycznego mózgu jest podstawą wszystkich implantów neuronowych. Jednak ważne jest, aby stosować leczenie tylko wtedy, gdy tkanka nerwowa jest w nieprawidłowym stanie, aby zmniejszyć skutki uboczne3. Na przykład, głębokie stymulatory mózgu do leczenia padaczki powinny aplikować impuls elektryczny do mózgu tylko podczas napadu. Niektóre działania niepożądane mogą obejmować dystonię, utratę pamięci, dezorientację, upośledzenie funkcji poznawczych, halucynacje, depresję lub działanie przeciwdepresyjne3,4. W wielu urządzeniach system zamkniętej pętli jest zatem niezbędny do rejestrowania aktywności elektrycznej i wyzwalania stymulacji w przypadku wykrycia nieprawidłowego stanu. Elektrody rejestrujące są również Służy do kontroli wyrobów protetycznych. Bardzo ważne jest, aby rejestrować docelową aktywność neuronalną z najwyższym możliwym stosunkiem sygnału do szumu, aby uzyskać jak najdokładniejsze wyzwalanie i sterowanie urządzeniem. Duży stosunek sygnału do szumu jest również wysoce pożądany w zastosowaniach badawczych, ponieważ można uzyskać bardziej wiarygodne dane, co skutkuje mniejszą liczbą wymaganych obiektów testowych. Pozwoli to również na lepsze zrozumienie mechanizmów i ścieżek zaangażowanych w stymulację neuronalną i rejestrację.
Po umieszczeniu implantu neuronowego w mózgu, uruchamiana jest odpowiedź immunologiczna5,6. Przebieg reakcji jest zazwyczaj podzielony na fazy ostre i przewlekłe, z których każda składa się z różnych procesów biologicznych7. Odpowiedź immunologiczna może mieć dramatyczny wpływ na wydajność implantu, taki jak izolacja elektrod od docelowych neuronów poprzez zamknięcie w bliznę glejową lub chemiczną degradację implantu Materiały 8. Może to zmniejszyć stosunek sygnału do szumu elektrody rejestrującej i moc wyjściową elektrody stymulującej oraz prowadzić do awarii elektrody9. Staranny wybór konstrukcji i materiałów implantu jest niezbędny, aby zapobiec awarii przez cały okres użytkowania implantu.
Ostatnio opracowano wiele różnych materiałów i projektów implantów, aby poprawić stosunek sygnału do szumu i stabilność implantu do rejestracji neuronowej. Materiały elektrodowe obejmowały platynę, iryd, wolfram, tlenek irydu, tlenek tantalu, grafen, nanorurki węglowe, domieszkowane polimery przewodzące, a ostatnio także hydrożele. Testowane materiały podłoża obejmują również krzem, tlenek krzemu, azotek krzemu, jedwab, teflon, poliimidem i silikonem. Badano również różne modyfikacje elektrod przy użyciu powłok takich jak laminina, neurotrofiny lub samoorganizujące się monowarstwy oraz zabiegi z wykorzystaniem technik elektrochemicznych, plazmowych i optycznych. Projekty implantów mogą być 1-, 2- lub 3-wymiarowe, przy czym elektrody zazwyczaj znajdują się na końcu sondy izolacyjnej lub wzdłuż krawędzi trzonka w przypadku elektrod penetrujących lub w dwuwymiarowym układzie w przypadku implantów powierzchniowych kory mózgowej. Niezależnie od elektrody projekt lub materiał, wcześniejsza literatura zazwyczaj wykazywała wydajność nowego implantu bez odniesienia do innych konstrukcji implantów. Uniemożliwia to systematyczną ocenę ich właściwości.
Ten protokół dostarcza metody porównywania różnych materiałów elektrodowych za pomocą szeregu technik analitycznych i elektrofizjologicznych. Jest on oparty na niedawno opublikowanym artykule, w którym porównano 4 różne domieszkowane powłoki polimerowe (polipirol (Ppy) i poli-3,4-etylenodioksytiofen (PEDOT) domieszkowany siarczanem (SO4) lub para-sulfonianem toluenu (pTS)) oraz 4 różne grubości powłok10 . W artykule tym stwierdzono, że jeden materiał, PEDOT-pTS o czasie osadzania wynoszącym 45 sekund, miał najwyższy stosunek sygnału do szumu i liczbę impulsów przy najmniejszym szumie tła oraz że parametry te zależały od impedancji elektrody. PEDOT-pTS wykazywał również lepszą ostrą biostabilność w porównaniu z innymi domieszkowanymi polimerami przewodzącymi i gołymi elektrodami irydowymi. Protokół pozwala na określenie i wykorzystanie krytycznych parametrów kontrolujących stosunek sygnału do szumu i stabilność jeszcze bardziej poprawić wydajność neuronowych elektrod rejestrujących.