Metoda systematycznej oceny elektrochemicznej i elektrofizjologicznej elektrod rejestrujących działanie neuronów
3 marca 2014
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.
Ogólnym celem tej procedury jest wiarygodne określenie najlepszej elektrody do ostrego zapisu neuronowego. Osiąga się to poprzez pierwszą modyfikację gołych elektrod, w tym przypadku poprzez osadzanie organicznych polimerów przewodzących. Drugim krokiem jest przetestowanie właściwości powłok in vitro.
Następnie elektrody umieszcza się w modelu zwierzęcym szczura w celu nagrania ostrej neurony. Ostatnim krokiem jest ponowne przetestowanie elektrod in vitro w celu określenia ich biostabilności. Ostatecznie porównanie różnych elektrod za pomocą szeregu technik analitycznych, w tym elektrofizjologii i elektrochemii, jest wykorzystywane do określenia kluczowych właściwości chemicznych i fizycznych implantów nerwowych.
Metoda ta może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania związane z opracowywaniem nowych interfejsów mózg-maszyna, takich jak kluczowe właściwości elektrod mogą poprawić stosunek szumu sygnału i stabilność inq do biostabilności. Sime i Morgan będą mi pomagać w tej procedurze. Rozpocznij tę procedurę od znieczulenia szczura przez wstrzyknięcie uretanu IP.
Upewnij się, że znieczulenie rozpocznie się, testując pod kątem odruchu wycofania palca u nogi. Jeśli znieczulenie nie jest wystarczające, należy podać dodatkowe dawki uretanu. Następnie ogol głowę szczura.
Umieść go w pozycji leżącej na talerzu homeo. Następnie włóż sondę doodbytniczą, aby utrzymać płytkę homeo tematyczną w temperaturze 37,5 stopnia Celsjusza. Następnie umieść jedną listwę douszną w przybliżonej oczekiwanej pozycji końcowej w ramce stereotaktycznej i wyreguluj zwierzę tak, aby ustawić nausznik w zewnętrznej akustyce akustycznej.
Następnie wyrównaj drugi pasek słuchowy i umieść go w przeciwległym zewnętrznym mitos akustycznym. Następnie ustaw zwierzę tak, aby wyrównać nauszniki z uchwytem na zęby. Otwórz szczękę zwierzęcia za pomocą kleszczy do zębów szczura.
Zaczep górne siekacze o uchwyt zęba i zaciśnij nos na miejscu. Następnie wykonaj nacięcie w skórze głowy około jednego milimetra na prawo od linii środkowej i od 10 milimetrów rostralnie do 10 milimetrów. Rozpieszczanie Lambda cofa skórę i mięsień bocznie z nacięcia.
Aby odsłonić kości ciemieniowe i międzyciemieniowe, wyszoruj powierzchnię odsłoniętej kości 20% roztworem nadtlenku wodoru i gazikiem pod mikroskopem. Wywierć otwór o długości około trzech milimetrów kwadratowych w kości międzyciemieniowej jak najbliżej Lambda i linii środkowej. Przepłucz otwór sterylną solą fizjologiczną, aby usunąć wszelkie kości, kurz lub fragmenty, które mogą uszkodzić elektrodę.
Następnie wytnij poniżej karku szyi, nożyczkami. Aby utworzyć ubytek, owiń srebrny drut chlorkowy watą i nasącz go solą fizjologiczną. Następnie włóż elektrodę odniesienia do wnęki.
Następnie wykonaj nacięcie w oponie twardej na płaszczyźnie strzałkowej. Za pomocą końcówki igły przymocuj matrycę elektrod do manipulatora elektrod. Następnie dostosuj jego położenie nad otworem pod kątem rozpieszczenia Ros 19 stopni.
Ręcznie włóż elektrodę około dwóch milimetrów do mózgu w kierunku dolnej części jelita grubego. Następnie przymocuj głośnik do lewego pustego paska na ucho. Upewnij się, że amplifier jest włączony.
Następnie zamknij drzwi komory nagraniowej. Teraz dostarczaj serie białego szumu. Maksymalna szybkość, z jaką powinny być dostarczane serie, to jedna seria co 200 milisekund.
W tym samym czasie monitoruj aktywność na każdej elektrodzie za pomocą zmotoryzowanego mikronapędu. Powoli wkładaj układ elektrod, aż aktywność sterowana akustycznie zostanie zarejestrowana na trzech najbardziej dystalnych elektrodach na każdym trzpieniu. Następnie wykonaj protokół stymulacji akustycznej, używając 300 powtórzeń 50-milisekundowych wybuchów białego szumu z jednosekundową częstotliwością powtarzania przy 70 decybelach i zarejestruj aktywność wielu jednostek na każdej elektrodzie z częstotliwością próbkowania 24,4 kiloherca.
Powoli włóż układ elektrod na kolejne 200 mikronów do dolnego wzgórka, aby ustawić każdą elektrodę w mniej więcej tej samej pozycji, co bardziej dystalna elektroda od początkowej pozycji zapisu. Następnie powtórz protokół stymulacji akustycznej i nagrywania neuronowego. Kontynuuj wkładanie układu elektrod w krokach co sto mikronów i wykonuj protokół stymulacji akustycznej i rejestracji neuronowej, aż wszystkie elektrody zarejestrują aktywność sterowaną akustycznie z co najmniej trzech pozycji.
Następnie wsuń układ elektrod w krokach co 200 mikronów i kontynuuj wykonywanie protokołu stymulacji akustycznej i rejestracji neuronowej, aż do osiągnięcia początkowej pozycji układu elektrod. Następnie ostrożnie wsuń ręcznie matrycę elektrod. W tej procedurze delikatnie przepłucz układ elektrod wodą destylowaną, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia.
Następnie podłącz matrycę elektrod do potencjometru. Ostrożnie umieść matrycę elektrod w roztworze testowym i clamp na miejscu. Następnie podłącz elektrody licznika i elektrody odniesienia do statystyki potencjału za pomocą statystyki potencjału.
Wykonaj sekwencyjną elektrochemiczną spektroskopię impedancji i cykliczną telemetrię objętościową na wszystkich elektrodach. Pomiędzy każdym testem stosuje się czas ciszy wynoszący jedną sekundę. Wszystkie 32 elektrody mają kontakt z roztworem przez pełną sesję testową trwającą jedną godzinę.
Następnie wyjmij matrycę elektrod z roztworu testowego i delikatnie spłucz wodą dejonizowaną. Umieść matrycę elektrod w enzymatycznym roztworze czyszczącym na 24 godziny. Następnie powtórz procedury ponownie przed umieszczeniem sondy w suchym pojemniku ochronnym, aby zapobiec uszkodzeniu i degradacji powierzchni elektrody.
Rysunek ten przedstawia histogram czasu bodźca peri, mierzony na każdej elektrodzie, uśredniony z ponad 300 powtórzeń przy 70 decybelach, biały szum przy zeru mikronów i głębokości wprowadzenia 800 mikronów w wzgórku dolnym. Elektrody powlekane są oznaczone gwiazdką, a ten rysunek przedstawia dane strumieniowe mierzone na każdej elektrodzie z wybuchami białego szumu o natężeniu 70 decybeli przy zeru mikronów i głębokości wprowadzenia 800 mikronów w wzgórku dolnym. Zakodowane elektrody są oznaczone gwiazdką.
Stosunek sygnału do szumu podczas wkładania i wciągania matrycy elektrod do wzgórka dolnego jest pokazany tutaj. 70 decybeli. Biały szum na reprezentatywnej elektrodzie niepowlekanej jest wskazywany linią przerywaną, a przewodząca elektroda pokryta polimerem jest oznaczona linią ciągłą pokazaną tutaj są różne poziomy ciśnienia akustycznego od 40 do 70 decybeli na membranie z polimeru przewodzącego Zgodnie z tym protokołem.
Inne metody, takie jak rentgenowska spektroskopia fotoelektronów i spektrometria mas, mogą być stosowane w celu zrozumienia różnych typów białek, które absorbują się na powierzchni elektrody i jak różne materiały mogą na nie wpływać.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia metodę oceny różnych powłok elektrod stosowanych w rejestracji aktywności neuronalnej. Podkreśla on wpływ tych powłok na właściwości elektrochemiczne, chemiczne i mechaniczne oraz omawia trudności związane z porównaniami in vivo.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Elektrofizjologia
- Inżynieria neuronalna
Wstęp
- Powłoki elektrod mogą znacząco wpływać na wydajność rejestracji sygnałów neuronalnych.
- Porównania in vitro są proste, podczas gdy oceny in vivo są skomplikowane.
- Zrozumienie tych różnic jest kluczowe dla udoskonalenia implantów neuronalnych.
- Niniejsze badanie koncentruje się na systematycznym podejściu do oceny elektrod.
Cel badania
- Identyfikacja optymalnej elektrody do ostrej rejestracji aktywności neuronalnej.
- Ocena wpływu powłok z organicznych polimerów przewodzących na elektrody.
- Porównanie elektrod z wykorzystaniem różnych technik analitycznych.
Zastosowane metody
- Modyfikacja niepowlekanych elektrod organicznymi polimerami przewodzącymi.
- Badania właściwości elektrod in vitro.
- Ostre rejestrowanie sygnałów neuronalnych w modelu szczura.
- Ponowne badanie elektrod in vitro w celu oceny biostabilności.
Główne wyniki
- Porównanie różnych elektrod wykazało kluczowe różnice w ich wydajności.
- Analizy elektrofizjologiczne i elektrochemiczne dostarczyły informacji na temat właściwości elektrod.
- Modyfikacje powłok doprowadziły do zmian w jakości rejestracji.
- Wyniki in vivo podkreśliły znaczenie odległości między elektrodą a neuronem.
Wnioski
- Badanie oferuje solidną metodę oceny elektrod do rejestracji sygnałów neuronalnych.
- Wyniki mogą pomóc w opracowaniu ulepszonych implantów neuronalnych.
- Przyszłe badania powinny skupić się na optymalizacji konstrukcji elektrod w celu uzyskania lepszej wydajności.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie przemysłowe
Systematyczna ocena elektrochemiczna i elektrofizjologiczna elektrod do rejestracji sygnałów neuronalnych pozwala na wypełnienie istotnej luki w racjonalnym doborze implantów oraz optymalizacji materiałów w badaniach i rozwoju neurotechnologii. Poprzez korelację wskaźników wydajności in vitro oraz in vivo, niniejszy protokół zwiększa pewność predykcyjną w projektowaniu elektrod i wspiera decyzje o dalszym rozwoju interfejsów neuronalnych w oparciu o analizę ryzyka. Podejście to umożliwia zespołom badawczym priorytetyzację potencjalnych elektrod w oparciu o ilościowe, powtarzalne dane istotne dla rozwoju translacyjnego i przedklinicznego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia badanie właściwości materiałów elektrodowych wpływających na wierność sygnału neuronalnego i biostabilność.
- Wspiera walidację funkcjonalną konstrukcji elektrod poprzez bezpośredni pomiar stosunku sygnału do szumu oraz impedancji.
- Ułatwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez izolację zmiennych materiałowych i konstrukcyjnych w kontrolowanych warunkach.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Zapewnia zestandaryzowane schematy testowania in vitro i in vivo do porównawczej oceny elektrod.
- Dostarcza powtarzalnych, ilościowych wyników, takich jak widma impedancji i zapisy elektrofizjologiczne.
- Umożliwia skalowalne przesiewanie nowych materiałów i powłok elektrodowych dla późniejszych platform neurotechnologicznych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dostosowuje parametry wydajności elektrod do wymagań rejestracji sygnałów neuronalnych istotnych dla danej jednostki chorobowej.
- Zapewnia ciągłość procesu od etapu oceny materiałów w fazie odkrywczej po przedkliniczną walidację interfejsów neuronalnych.
- Zmniejsza ryzyko translacyjne poprzez korelację odpowiedzi elektrod in vitro i in vivo.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół integruje procesy od wczesnego etapu odkryć, poprzez identyfikację wiodących kandydatów, aż po walidację przedkliniczną w rozwoju interfejsów neuronalnych.
- Biologia odkrywcza: Ilościowe badanie właściwości elektrod pozwala na wybór materiałów w oparciu o hipotezy oraz wyjaśnienie ścieżek sygnałowych.
- Przesiewanie: Znormalizowane testy impedancyjne i elektrofizjologiczne umożliwiają powtarzalne porównanie potencjalnych materiałów elektrod.
- Analityka: Zapewnia rzetelne pomiary stosunku sygnału do szumu oraz impedancji, co umożliwia podejmowanie decyzji w oparciu o dane.
- Badania translacyjne: Koreluje dane in vitro i in vivo w celu zapewnienia ciągłości przedklinicznej i dopasowania biomarkerów.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Adaptowalny protokół wspiera ocenę różnorodnych materiałów i konstrukcji elektrod w ramach wielu projektów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w wyborze elektrod.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje testowanie, poprawia powtarzalność i wspiera skalowalny screening elektrod.
- Wartość strategiczna: Umożliwia świadome podejmowanie decyzji go/no-go i redukuje ryzyko biologiczne na późnych etapach w portfolio interfejsów neuronowych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój kandydatów na elektrody.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu elektrochemii, elektrofizjologii i neurochirurgii.
- Wymaga dostępu do instrumentacji analitycznej do spektroskopii impedancyjnej i rejestracji elektrofizjologicznej.
- Konieczna jest międzyzespołowa standaryzacja protokołów testowych i analizy danych.
- Metoda jest adaptowalna do różnych materiałów elektrod, powłok i docelowych obszarów tkanki nerwowej.
- Potencjalne ograniczenia obejmują zmienność modeli zwierzęcych oraz pozycjonowania elektrod.
