Name: Polaryzacja napięcia, woltamperometria cykliczna i spektroskopia impedancji elektrycznej dla interfejsów neuronowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-02-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 51 s
Description: Poznaj metody polaryzacji napięcia i spektroskopii impedancji elektrycznej dla interfejsów neuronowych. Techniki te poprawiają jakość sygnałów i wydłużają funkcjonalność implantowanych elektrod.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Konfiguracja urządzenia do elektrochemii
<ol>
 <li>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.</li>
 <li>Zbuduj adapter do głowicy pomiarowej, aby połączyć multiplekser MUX z głowicą.</li>
 <li>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.</li>
</ol>
2. Spektroskopia impedancyjna
<ol>
 <li>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).</li>
 <li>Otwórz i edytuj plik projektu. Projekt wykorzystuje plik procedury, przechodzi w pętli przez każdy kanał i zapisuje wynik (patrz: metody uzupełniające).</li>
 <li>Podłącz zwierzę doświadczalne za pomocą pasywnej (bez wzmacniaczy) głowicy. Głowice aktywne nie przepuszczają sygnałów wejściowych.</li>
 <li>Uruchom plik projektu. Pomiar każdego kanału trwa kilkadziesiąt sekund w zależności od ustawień.</li>
 <li>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.</li>
</ol>
3. Woltamperometria cykliczna
<ol>
 <li>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.</li>
 <li>Otwórz i edytuj plik projektu (Project file). Projekt wykorzystuje plik procedury, przechodzi w pętli przez każdy kanał i zapisuje wynik (patrz: metody uzupełniające).</li>
 <li>Podłącz zwierzę badawcze za pomocą pasywnego przedwzmacniacza głowowego (headstage).</li>
 <li>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.</li>
 <li>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.</li>
</ol>
4. Odmładzanie
<ol>
 <li>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).</li>
 <li>Otwórz i edytuj plik Projektu. Projekt wykorzystuje plik Procedury, wykonuje pętlę dla każdego kanału i zapisuje wynik (patrz metody uzupełniające).</li>
 <li>Podłącz obiekt zwierzęcy za pomocą pasywnego przedwzmacniacza głowowego (passive headstage).</li>
 <li>Uruchom plik Projektu. Pomiar każdego kanału trwa około dziesięciu sekund.
 4.5) Zbierz dane EIS i CV, a następnie zinterpretuj wyniki.</li>
</ol>
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.
<img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig1.jpg" alt="Schemat spektroskopii impedancyjnej, cykl procesu woltamperometrii cyklicznej, metoda badawcza." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
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.
<img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig2.jpg" alt="Wykres reaktancji w funkcji rezystancji; zmiana częstotliwości; analiza danych; badanie impedancji elektrycznej." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
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.
<img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig3.jpg" alt="Analiza elektrochemiczna; krzywa I-V i wykres Nyquista; woltamperometria cykliczna, spektroskopia impedancyjna." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
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.
<img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig4.jpg" alt="Porównanie sygnałów neuronalnych przed i po operacji, zmiany impedancji i SNR; analiza wykresów i przebiegów falowych." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 4"> 
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.

<ol><li>Szarowski, D. H., Andersen, M. D., Retterer, S., Spence, A. J., Isaacson, M., Craighead, H. G., Turner, J. N., Shain, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+responses+to+micro-machined+silicon+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Brain responses to micro-machined silicon devices.</a> Brain Res. 983, 23-35 (2003).</li>
<li>Vetter, R. J., Williams, J. C., Hetke, J. F., Nunamaker, E. A., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chronic+neural+recording+using+silicon-substrate+microelectrode+arrays+implanted+in+cerebral+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 51, 896-904 (2004).</li>
<li>Williams, J. C., Hippensteel, J. A., Dilgen, J., Shain, W., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complex+impedance+spectroscopy+for+monitoring+tissue+responses+to+inserted+neural+implants%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Complex impedance spectroscopy for monitoring tissue responses to inserted neural implants.</a> J. Neural Eng. 4, 410-423 (2007).</li>
<li>Johnson, M. D., Otto, K. J., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Repeated+voltage+biasing+improves+unit+recordings+by+reducing+resistive+tissue+impedances%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Neural+Syst.+Rehabil.+Eng%22%5BJournal%5D)">Repeated voltage biasing improves unit recordings by reducing resistive tissue impedances.</a> IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 13, 160-165 (2005).</li>
<li>Otto, K. J., Johnson, M. D., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Voltage+pulses+change+neural+interface+properties+and+improve+unit+recordings+with+chronically+implanted+microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">Voltage pulses change neural interface properties and improve unit recordings with chronically implanted microelectrodes.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 53, 333-340 (2006).</li>
<li>Pickup, P. G., Birss, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+model+for+anodic+hydrous+oxide-growth+at+iridium%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electroanal.+Chem%22%5BJournal%5D)">A model for anodic hydrous oxide-growth at iridium.</a> J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).</li>
</ol>

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

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.

<table><tbody><tr><td>Urządzenie elektrochemiczne</td><td>Metrohm Autolab</td><td>PGSTAT128N</td><td>dodatki: FRA2, moduł MUX</td></tr><tr><td>Pasywna głowica wzmacniacza</td><td>Tucker-Davis Technologies</td><td></td><td>model zależy od złącza i liczby kanałów</td></tr><tr><td>Złącze żeńskie 26-pinowe</td><td>AMPI</td><td>5749069-2</td><td>Adapter głowicy lub odpowiednie złącze dostosowane do głowicy</td></tr><tr><td>Wtyki bananowe</td><td>Digi-Key</td><td>J151-ND</td><td>Adapter głowicy; moduł MUX Autolab posiada wtyki bananowe</td></tr><tr><td colspan="4">null</td></tr></tbody></table>

polaryzacja napięciowa, woltametria cykliczna i spektroskopia impedancyjna dla interfejsów neuronalnych

Voltage Biasing, Cyclic Voltammetry, &amp; Electrical Impedance Spectroscopy for Neural Interfaces

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.

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.

Polaryzacja napięciowa, woltametria cykliczna i spektroskopia impedancyjna dla interfejsów neuronalnych

Spektroskopia impedancyjna (EIS) oraz woltametria cykliczna (CV) służą do pomiaru właściwości interfejsu elektroda-tkanka bez konieczności stosowania dodatkowych inwazyjnych...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest monitorowanie jakości interfejsu między elektrodą a tkanką w implantowanych protetycznych systemach rejestracji neuronalnej, a także poprawa jakości rejestracji i długoterminowej funkcjonalności. Osiąga się to poprzez codzienne gromadzenie danych z elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej oraz danych z rejestracji neuronalnej. Dane z telemetrii CV (woltamperometrii cyklicznej) są zbierane w celu uzyskania szczegółowych informacji o jakości interfejsów elektroda-tkanka, które nie wykazują aktywności neuronalnej i charakteryzują się wysoką impedancją.Następnie przez cztery sekundy przykłada się korygujące napięcie polaryzacyjne o wartości 1,5 V. Po tym następuje dalsza akwizycja danych oraz dodatkowa polaryzacja napięciowa w razie potrzeby. Ostatecznie, zastosowanie tych metod umożliwia uzyskanie niższej impedancji oraz poprawę lub przywrócenie rejestrowanej aktywności neuronalnej.Główną zaletą tej techniki w stosunku do istniejących metod, takich jak dostarczanie leków czy modyfikacja powierzchni, jest fakt, że polaryzacja napięciowa może wywierać trwały wpływ na poprawę funkcjonalności i wydajności protetycznych systemów rejestracji aktywności neuronalnej od kilkudziesięciu do kilkuset dni po implantacji. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie inżynierii neuronalnej, na przykład w kwestii tego, jak wydłużyć funkcjonalny czas życia implantowalnych systemów elektrodowych. Zastosowania tej techniki rozciągają się na terapię lub diagnostykę wielu deficytów neurologicznych.Jest to istotne, ponieważ rozpowszechnienie oraz opcje leczenia tych deficytów zwiększają się. Na meth auto lab. PG stat dostosowany z dodatkami FA two oraz channel mucks. Zbuduj adapter stopnia głowicy, aby połączyć channel mucks ze stopniem głowicy.Następnie podłącz elektrody robocze i pomiarowe do modułu dodatkowego kanałów. Następnie podłącz elektrody odniesienia i pomocnicze przymocowane do zwierzęcia do części adaptera głowicy podłączonej do ścieżki powrotnej prądu. Uruchom oprogramowanie analizatora odpowiedzi częstotliwościowej i upewnij się, że plik procedury jest ustawiony na testowanie dwóch przebiegów sinusoidalnych o wielu częstotliwościach, z których każdy składa się z 15 sinusoid w zakresie od 10 hertz do 30 kilohertz, emitowanych jednocześnie.Należy również upewnić się, że przyłożone napięcie wynosi 25 millivolts lub mniej. Teraz należy otworzyć i edytować plik projektu. Projekt wykorzystuje plik procedury, który przechodzi w pętli przez każdy kanał i zapisuje wynik.Połącz zwierzę z pasywną przystawką głowową bez wzmocnienia. Aktywne przystawki głowowe nie przepuszczą sygnałów wejściowych. Uruchom plik projektu zgodnie z ustawieniami.Nagrania z każdego kanału trwają od 10 sekund do kilku minut. Teraz wyświetl i zinterpretuj wynik. Prześlij wyjściowe pliki tekstowe do programu MATLAB i utwórz wykres Nyquista lub Bode'a.Zależne od częstotliwości przesunięcia fazowe wskazują na odpowiedź tkanki. Uruchom oprogramowanie ogólnego systemu elektrochemicznego. Zweryfikuj, czy ustawienia pliku procedury są skonfigurowane na zmianę napięcia z szybkością 50 mV/s i mieszczą się w granicach hydrolizy.Przeprowadź co najmniej trzy skanowania, aby układ osiągnął stan równowagi, a następnie zapisz wyniki z ostatniego skanowania. Szybkość skanowania można zwiększyć do 1 V/s w celu skrócenia czasu pomiaru. Należy jednak pamiętać, że kształt krzywej IV prawdopodobnie ulegnie zmianie, jeśli szybkość skanowania będzie wyższa niż szybkość reakcji przeniesienia ładunku zachodzących na granicy faz elektroda-tkanka.Następnie otwórz i edytuj plik projektu. Projekt wykorzystuje plik procedury, który przechodzi w pętli przez każdy kanał i zapisuje wyniki. Podłącz zwierzę za pomocą pasywnego modułu głowicowego i uruchom plik projektu z prędkością jednego volta na sekundę.Akwizycja danych trwa 10 sekund na kanał przy zastosowaniu szybkości skanowania 50 millivolts per second. Cały proces zajmuje około trzech minut na kanał. Na koniec wyświetl i zinterpretuj wyniki.Przetwórz wyjściowe pliki tekstowe za pomocą programu MATLAB i wykreśl zależność IV. Pojemność przenoszenia ładunku jest określana poprzez całkowanie pola prądu cewnika w obrębie CV E. Najważniejszą decyzją w tym protokole jest ustalenie momentu przyłożenia napięcia polaryzującego. Jest to możliwe dzięki cyklicznej telemetrii impedancji oraz zarejestrowanym danym.Uruchom oprogramowanie ogólnego systemu elektrochemicznego i sprawdź, czy w pliku procedury ustawiono metodę kroków i sweepów. Zastosuj skok napięcia do 1,5 volts na czas czterech sekund. Następnie otwórz i edytuj plik projektu, który wykorzystuje plik procedury do zapętlenia każdego kanału i zapisania wyniku.Połącz zwierzę z pasywnym modułem głowicowym i przeprowadź nagrania zgodnie z plikiem projektu dla każdego kanału. Odczekaj około 10 sekund, a następnie zbierz dane z EIS, CV oraz nagrania i zinterpretuj wyniki w typowym schemacie analizy. Nagrania i pomiary EIS są zbierane codziennie lub co tydzień we wszystkich kanałach, natomiast CV i procedura regeneracji mogą być stosowane w razie potrzeby.Jeśli aktywność impulsowa (spiking) nie jest już wykrywalna, EIS zmienia się w ciągu dni lub tygodni po implantacji elektrody. Dane zaznaczone na niebiesko zostały zebrane bezpośrednio po implantacji, a dane na zielono cztery miesiące później. Gdy dane EIS są przedstawione w formie wykresu Nyquista, półokrąg przy wyższych częstotliwościach w pobliżu początku układu współrzędnych wskazuje na odpowiedź tkankową w miejscu implantacji elektrody.Analiza CV pozwala na uzyskanie krzywej prądowo-napięciowej wykazującej pewną histerezę. Najistotniejszym parametrem statystycznym CV jest pojemność ładunkowa, definiowana jako pole powierzchni wewnątrz krzywej IV znormalizowane przez powierzchnię miejsca elektrody. W mikrostymulacji preferowane są elektrody o dużej pojemności ładunkowej.Podczas procesu odmładzania przykładany jest impuls napięcia. Zazwyczaj skutkuje to zwiększeniem pojemności ładunkowej oraz zmniejszeniem wartości impedancji; w kanałach, w których wcześniej występowały impulsy (spikes), mogą one zostać przywrócone. Chociaż odmładzanie ma jedynie krótkotrwały wpływ na impedancję i stosunek sygnału do szumu, technikę tę można stosować codziennie.W danych gromadzonych codziennie od świnki morskiej z wszczepioną macierzą 16 kanałów, regeneracja miała silny wpływ na obniżenie modułu impedancji przy częstotliwości 1 kHz o rząd wielkości po każdym zastosowaniu. W wyniku odzyskania sygnałów i obniżenia impedancji, SNR zwiększał się po każdej sesji regeneracji. Ostatecznie wszystkie sygnały zostały utracone 160 dni po implantacji, a regeneracja przestała być skuteczna.Po opanowaniu techniki, procedura ta zajmuje około jednej godziny. Podczas jej wykonywania ważne jest upewnienie się, że połączenia zostały wykonane prawidłowo oraz że wyniki spektroskopii impedancyjnej wskazują na znaczną odpowiedź tkanki przed rozpoczęciem zabiegów bioelektrycznych.

voltage-biasing-cyclic-voltammetry-electrical-impedance-spectroscopy

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Polaryzacja napięciowa, woltamperometría cykliczna i spektroskopia impedancji elektrycznej dla interfejsów neuronalnych

Tutaj prezentujemy histologiczną metodę przechwytywania, znakowania, optycznego oczyszczania i obrazowania nienaruszonego interfejsu tkanki mózgowej wokół przewlekle wszczepionych mikrourządzeń w tkance mózgowej gryzoni.  Wyniki technik obejmujących tę metodę są przydatne do zrozumienia wpływu różnych penetrujących implantów mózgowych na otaczające je tkanki.

Nienaruszona charakterystyka histologiczna mikrourządzeń z implantami do mózgu i otaczających tkanek

Różne powłoki elektrod wpływają na wydajność rejestracji neuronowej poprzez zmiany właściwości elektrochemicznych, chemicznych i mechanicznych. Porównanie elektrod in vitro jest stosunkowo proste, jednak porównanie odpowiedzi in vivo jest zwykle skomplikowane ze względu na różnice w odległości między elektrodami a neuronami oraz między zwierzętami. Ten artykuł zawiera solidną metodę porównywania elektrod do rejestracji neuronowej.

Metoda systematycznej oceny elektrochemicznej i elektrofizjologicznej elektrod rejestrujących działanie neuronów

Protokoły zamkniętej pętli stają się coraz bardziej powszechne we współczesnej elektrofizjologii. Przedstawiamy prosty, wszechstronny i niedrogi sposób wykonywania złożonych protokołów elektrofizjologicznych w korowych neuronach piramidowych in vitro, przy użyciu komputera stacjonarnego i cyfrowej płytki akwizycyjnej.

Elektrofizjologia w czasie rzeczywistym: wykorzystanie protokołów zamkniętej pętli do badania dynamiki neuronów i nie tylko

Opisujemy tutaj metodę wytwarzania matryc mikroelektrod Ti3C2 MXene i wykorzystywania ich do rejestracji neuronowej in vivo.

Produkcja matryc mikroelektrod Ti3C2 MXene do rejestracji neuronowej in vivo

Prezentowany tutaj jest protokół do analizy zmian nanostrukturalnych podczas polaryzacji in situ z transmisyjną mikroskopią elektronową (TEM) dla ułożonej struktury metal-izolator-metal. Ma on znaczące zastosowania w rezystancyjnych poprzeczkach przełączających dla nowej generacji programowalnych obwodów logicznych i sprzętu neuronaśladującego, aby ujawnić ich podstawowe mechanizmy działania i praktyczne zastosowanie.

Transmisyjna mikroskopia elektronowa in situ z polaryzacją i wytwarzaniem asymetrycznych poprzeczek w oparciu o mieszane fazy a-VO x

Ten protokół opisuje użycie nanoprzewodów krzemowych do wewnątrzkomórkowej optycznej biomodulacji komórki w prosty i łatwy do wykonania sposób. Technika ta jest wysoce elastyczna i może być stosowana zarówno do zastosowań in vitro, jak i in vivo.

Nanodruty krzemowe i stymulacja optyczna do badań wewnątrz- i międzykomórkowego sprzężenia elektrycznego

Protokół ten przedstawia zaawansowane metody wytwarzania materiałów i ex vivo badania serca szczurów do optycznego i elektrycznego dwukierunkowego biointerfejsu, umożliwiając precyzyjną stymulację serca, rejestrację i modelowanie zawału na potrzeby badań bioelektronicznych.

Dwukierunkowe interfejsy elektryczne i optoelektroniczne w zdrowych i niedokrwionych sercach szczurów ex vivo

Dynamiczna elektrofizjologia zaciskowa może ustalić związki przyczynowe między deficytami wyładowania neuronów a dysfunkcją kanału jonowego. Opisujemy metody i protokoły dynamicznego zaciskania w myszowych neuronach Purkinjego w móźku, zwracając uwagę na przydatne zasoby i kwestie techniczne. W badaniu reprezentatywnym dodaliśmy modelowaną przewodność sodu do neuronów Tsc1-/- Purkinje, aby zapobiec powtarzalnemu wyładowaniu.

Metody dynamicznego zacisku do badania upośledzonej pobudliwości neuronów związanych z autyzmem

Procedura opisana w niniejszym protokole wykazuje, że podawanie testosteronu oraz powszechne przekonania na jego temat mogą być powiązane z bezpośrednio przeciwstawnymi zachowaniami społecznymi.

Połączenie endokrynologii behawioralnej i ekonomii eksperymentalnej: testosteron a podejmowanie decyzji społecznych

Wykorzystanie szybkoskanującej woltamperometrii cyklicznej do pomiaru elektrycznie wywołanej dynamiki dopaminy presynaptycznej w skrawkach mózgowych prążkowia.

Dynamika dopaminy presynaptycznej w przekrojach mózgu w obrębie prążka z wykorzystaniem szybkiej woltamperometrii cyklicznej

Poznaj metody polaryzacji napięcia i spektroskopii impedancji elektrycznej dla interfejsów neuronowych. Techniki te poprawiają jakość sygnałów i wydłużają funkcjonalność implantowanych elektrod.

Polaryzacja napięciowa, woltametria cykliczna i spektroskopia impedancyjna dla interfejsów neuronalnych

Przeglądaj więcej filmów