Name: Przewlekła implantacja wielu elastycznych matryc elektrod polimerowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-10-04T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 54 s
Description: Poznaj metodę implantacji wielu elastycznych matryc elektrod polimerowych w mózgu szczura dla długoterminowych rejestracji elektrofizjologicznych. Technika umożliwia monitorowanie aktywności neuronalnej związanej z funkcjami poznawczymi.

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

Ta praca była wspierana przez U01NS090537 grantów NINDS dla L.M.F i V.M.T., granty NINH F30MH109292 dla J.E.C, a F30MH115582 granty NIMH dla H.R.J. J.E.C. i H.R.J. są również wspierane przez #T32GM007618 grantów NIGMS MSTP. Flatiron Institute jest oddziałem Fundacji Simonsa.

J.E.C i L.M.F. są wynalazcami oczekującego patentu związanego z opisywaną tutaj pracą.

Jest to metoda polegająca na wszczepianiu wielu matryc elektrod polimerowych do rozproszonych obszarów mózgu w celu rejestrowania pojedynczych jednostek przez miesiące. Metoda ta oznacza 8-krotny wzrost liczby kanałów zapisu i 4-krotny wzrost liczby insercji z najbliższego wielkoskalowego systemu opartego na matrycach polimerowych 2,3. System ten wykorzystywał system oparty na wstrzykiwaniu siatki polimerowej u myszy, ale nie podał bezwzględnej liczby przypuszczalnych pojedynczych jednostek, a zatem porównanie wydajności pojedynczego neuronu nie jest możliwe.
Metoda wprowadzania elastycznego urządzenia opiera się na wcześniejszym protokole z Felix et al.39, z istotnymi modyfikacjami: trzyczęściowym aparatem wprowadzającym do niezależnego ruchu krzemowego czółenka podczas chowania oraz wiązaniem matrycy na docelowej głębokości przed wycofaniem czółenka, co razem eliminuje potrzebę szybkiego wycofania opisanego w oryginalnym protokole. Zmiany te minimalizują uszkodzenia tkanek i utrzymują stabilność macierzy podczas chowania czółenka. Inne elastyczne strategie implantacji urządzeń, takie jak tymczasowe usztywnianie urządzeń materiałami rozpuszczalnymi w biodziałach, są zgodne z kolejnymi krokami tego protokołu. Zabezpieczenie urządzeń w implancie wymagało zintegrowania wcześniej zatwierdzonych strategii zakrywania mózgu i ochrony delikatnych wstęg urządzenia.
Ze względu na ich kruchość należy zachować ostrożność i uwagę, aby uniknąć bezpośredniego kontaktu lub innego przenoszenia siły na matryce elektrod polimerowych i silikonowe czółenka wprowadzające. Szczególnie podczas pracy z wieloma urządzeniami należy obserwować wprowadzanie pod mikroskopem, aby uniknąć zakłóceń między jednym urządzeniem a drugim. Ogólnie rzecz biorąc, możliwe jest delikatne obchodzenie się z matrycą elektrod za pomocą kleszczyków z plastikową końcówką, unikając śladów. Taka strategia jest odpowiednia, na przykład, jeśli układ elektrod polimerowych zaczyna się chować wraz z czółenkiem wprowadzającym. Może się to zdarzyć, jeśli PEG nie zostanie całkowicie rozpuszczony lub z powodu napięcia powierzchniowego soli fizjologicznej lub płynu mózgowo-rdzeniowego między polimerem a krzemem.
Jednym z najczęstszych możliwych do naprawienia błędów jest odłączenie macierzy od wahadłowca wprowadzającego. Może się to zdarzyć podczas wprowadzania, gdy wgłębienia w mózgu i ciśnienie na końcówce urządzenia wzrastają, jeśli matryca i czółenko są nieidealnie wyrównane lub jeśli kondensacja częściowo rozpuściła PEG. Aby ponownie przykleić matrycę, podnieś ją jak najwyżej ponad powierzchnię mózgu i poczekaj, aż wyschnie (około 5 minut).
Krytycznym aspektem planowania operacji implantacji wielomatrycowej jest konstrukcja elementu podstawowego tak, aby pomieścić wszystkie cele implantu i siedzieć bez przerw w stosunku do konturu czaszki. Podstawa to mały plastikowy kawałek, który jest mocowany do czaszki po oczyszczeniu czaszki, umieszczeniu i częściowej kraniektomii, przed wprowadzeniem matryc. Ma trzy funkcje: 1) do utrzymywania soli fizjologicznej w celu rozpuszczenia PEG po wprowadzeniu matrycy, ale przed wycofaniem wahadłowca krzemowego, 2) do zapewnienia miejsca nad powierzchnią czaszki, do którego matryce mogą być przymocowane za pomocą skrzydeł poliimidowych, umożliwiając w ten sposób odciążenie wzdłuż wstęgi powyżej jej punktu wprowadzenia w mózgu, oraz 3) do utrzymywania sztucznego uszczelniacza opony twardej, który stabilizuje i chroni macierze i mózg. Podstawa może być wykonana ręcznie lub wydrukowana w 3D. Zaobserwowano, że odsączanie i suszenie kawałka soli fizjologicznej jest bardzo ważne przed włożeniem urządzenia. Kroki te zapobiegają kondensacji i separacji macierzy i wózka wprowadzającego. Suszenie podstawy ma również kluczowe znaczenie dla wypełnienia jej sztucznym uszczelniaczem duralowym. Ważne jest również, aby podstawa nie przeciekała, ponieważ warstwa żelu silikonowego jest trudna do usunięcia z czaszki i zapobiega przyleganiu akrylu dentystycznego w celu niezawodnego, przewlekłego mocowania implantu do czaszki. Oczekuje się, że każdy biokompatybilny elastomer silikonowy o niskiej lepkości może być użyty do wypełnienia kraniektomii i części podstawowej, z otaczającym go elastomerem silikonowym o wyższej lepkości i odsłoniętymi wstęgami polimerowymi.
Postępy w nanowytwarzaniu polimerów przełożą się na matryce elektrod na bazie polimerów, zmniejszając rozmiary elementów i zwiększając możliwą liczbę elektrod w matrycy bliżej tej w urządzeniach krzemowych 15,16,17,18,19. Podobnie, pola przekroju poprzecznego urządzeń polimerowych będą się zmniejszać wraz z rozmiarami elementów, zapewniając jeszcze lepszą biokompatybilność8. Ponownie, podobnie jak w przypadku urządzeń krzemowych, integracja z układami wzmacniającymi, digitalizującymi i multipleksującymi17 umożliwi nagrywanie neuronowe na większą skalę.

Idealny implant neuronowy umożliwiałby rejestrację sygnałów z bardzo dużej liczby poszczególnych neuronów w rozproszonych obszarach mózgu przez okres od kilku tygodni do kilku miesięcy. Elastyczne polimerowe macierze elektrod zapewniają rejestrację elektrofizjologiczną o trwałości pozwalającej na pomiary przez wiele miesięcy oraz stabilności umożliwiającej śledzenie poszczególnych neuronów1,2,3. Jednakże te same właściwości mechaniczne, które ograniczają uszkodzenia ścinające4 i zapewniają biokompatybilność oraz zdolność rejestracji2,3,5,6,7,8, stanowią wyzwanie podczas ich wprowadzania do mózgu w porównaniu z ich sztywnymi odpowiednikami. Wcześniejsze prace pozwoliły na wprowadzenie maksymalnie czterech macierzy 32-kanałowych, jednak całkowita liczba wyodrębnionych domniemanych pojedynczych neuronów nie została podana2,3,9. Z drugiej strony, macierze elektrod oparte na krzemie były stosowane w implantach o wysokiej gęstości w wielu regionach, lecz technologiom tym brakuje albo zdolności do rejestrowania impulsów z neuronów przez wiele miesięcy (trwałość), albo możliwości śledzenia tych samych neuronów (stabilność) w takiej skali czasowej, albo gęstości pozwalającej na rejestrację z setek poszczególnych neuronów w wielu obszarach mózgu. Metoda zaprezentowana w niniejszej pracy rozwiązuje problem niskiej liczby implantacji w obecnych metodach opartych na polimerowych macierzach elektrod, zapewniając tym samym sposób rejestracji elektrofizjologicznej dużej liczby poszczególnych neuronów w wielu anatomicznie odległych regionach przez wiele miesięcy, z zachowaniem stabilności pozwalającej na rejestrację z tych samych poszczególnych neuronów przez wiele dni.
Istnieją pewne dyskusje dotyczące znaczenia stosowania podłoża polimerowego zamiast strategii opartych na mikrodrutach lub krzemie. Jak wykazali Dhawale i wsp.10, mikrodruty są rzeczywiście zdolne do stabilnych rejestracji trwających wiele miesięcy u gryzoni, choć implanty ograniczały się do 16 tetrod w jednym obszarze. Skalowanie rozmiaru implantu z mikodrutów osiąga stosunkowo wysoką górną granicę, przy czym u naczelnych niebędących ludźmi uzyskano do 1792 wszczepionych kanałów1. Jednak konstrukcja macierzy mikrodrutowych jest niekompatybilna z procesami nanolitografii krzemowej i jest dlatego niezwykle czasochłonna, wymagając ręcznej obsługi każdego kanału z osobna podczas budowy12,13,14. W związku z tym nie jest jasne, czy ta technologia mogłaby obsłużyć dziesięciokrotny wzrost liczby kanałów rejestrujących.
Obecne urządzenia krzemowe pozwalają na umieszczenie setek, a nawet ponad tysiąca elektrod na pojedynczym urządzeniu monolitycznym15,16,17,18,19. Najnowsze procesy produkcji krzemowej pozwalają na wytwarzanie urządzeń o mniejszych polach przekroju poprzecznego, niezależnie od materiału, co skutkuje mniejszą aktywacją glejową20,21,2,23,24 oraz większą podatnością urządzeń. W raportach dotyczących trwałości rejestracji pojedynczych jednostek za pomocą sond krzemowych występuje zmienność; niektóre wskazują, że stosunkowo duże sondy krzemowe mogą zapewniać długoterminową rejestrację25,26. Co istotne, najnowsze dostępne komercyjnie urządzenia krzemowe17 charakteryzują się trwałością pozwalającą na rejestrację przez kilka miesięcy i mają pola przekroju poprzecznego bardzo zbliżone do ramion użytych w opisanej tutaj metodzie (Jun et al. 201717: 70 µm x 20 µm, urządzenia opisane tutaj oraz w Chung et al. 20191: 68 µm – 80 µm x 14 µm). Ze względu na różnicę w stabilności, nie wykazano, aby ta sonda była w stanie rejestrować sygnały z tych samych neuronów przez wiele tygodni. Jest to prawdopodobnie wynik kombinacji zastosowania sztywnego krzemu oraz bezpośredniego przymocowania do czaszki, co w znanych przypadkach powoduje mikroruchy, niestabilność i gliozę na styku macierzy i mózgu27,28. Aby skonstruować urządzenie, które może poruszać się wraz z tkanką neuronalną, wymagane są materiały miękkie5,29 i elastyczne7. Wiele dostępnych polimerów (patrz przeglądy Geddes and Roeder30, Fattahi et al.31 oraz Weltman et al.32) posiada elastyczność i stabilność mikrodrutów, a jednocześnie są one kompatybilne z procesami nanofabrykacji, które umożliwiają gęste upakowanie elementów w urządzeniach krzemowych.
Wiele problemów związanych z implantacją neuronalną jest specyficznych dla zastosowania elastycznych polimerowych macierzy elektrod. Pierwszym z nich jest wprowadzenie macierzy, ponieważ układy elastyczne nie posiadają sztywności niezbędnej do przesunięcia ich w głąb mózgu w sposób stosowany w strategiach opartych na krzemie lub mikrodrutach. Większość strategii wprowadzania urządzeń elastycznych opiera się na tymczasnym usztywnieniu podłoża, tak jak ma to miejsce w niniejszej metodzie (patrz Weltman et al.32 (do przeglądu). Istnieje pięć istotnych strategii, które nie wykorzystują sztywnego prowadnika. Po pierwsze, istnieją metody wykorzystujące materiały, które po implantacji przechodzą ze stanu sztywnego w stan podatny.33,34Wadą tej strategii jest konieczność zastosowania stosunkowo dużej powierzchni przekroju poprzecznego, aby uzyskać siłę wymaganą do penetracji tkanki mózgowej przed wystąpieniem wyboczenia, zgodnie z obliczeniami siły wyboczeniowej Eulera.35Ten wzrost powierzchni przekroju poprzecznego będzie miał negatywny wpływ na stan zdrowotny otaczających tkanek.20,21,22,23,24Drugim elementem jest zastosowanie usuwalnej struktury wspierającej nad mózgiem36choć wymaga to czasochłonnego usuwania lub rozpuszczania rusztowania w celu zachowania minimalnej długości niewspartej (i wysokiej siły wyboczenia). Alternatywnie, wymagałoby to wprowadzenia macierzy z większą długością niewspartą, co z kolei wymusiłoby zastosowanie sztywniejszego podłoża macierzy lub większego przekroju poprzecznego macierzy. Trzecią opcją jest wstępna penetracja w celu wykonania otworu, w który następnie zostanie wprowadzona elastyczna macierz35Wymaga to precyzyjnego ponownego ustawienia lub stosunkowo dużej średnicy przed penetracją, a także sztywności i pola przekroju macierzy elektrod, aby umożliwić wprowadzenie bez wsparcia. Po czwarte, stosuje się rozpuszczalne powłoki w celu usztywnienia elastycznego urządzenia. Znacząco zwiększa to pole przekroju oraz stopień uszkodzeń ostrych spowodowanych wprowadzeniem, nawet przy zastosowaniu specjalnych środków ostrożności w celu zachowania ostrości końcówki urządzenia.37Piątą metodą jest wstrzyknięcie matrycy polimerowej. Strategia ta pozwoliła na pomyślne uzyskanie implantów z maksymalnie czterema wstawkami 32-kanałowymi.2, ale wymaga zastosowania znacznie większego pola przekroju podczas wprowadzania, a 250 µm – szklana kapilara o średnicy zewnętrznej 1,5 mm9powodując większe uszkodzenia ostre. W przeciwieństwie do tego, zastosowanie usuwalnego prowadnika, mimo zwiększenia pola przekroju podczas ostrej insercji, pozwala na użycie materiałów o najwyższej możliwej sztywności i może zatem stanowić teoretyczne minimum rozmiaru przy wprowadzaniu dowolnie elastycznego urządzenia. W związku z tym insercja za pomocą sztywnego prowadnika jest obecnie najkorzystniejszą opcją wprowadzania urządzeń elastycznych.
Każda metoda z wykorzystaniem prowadnicy do implantacji musi spełniać dwa wymagania: posiadać odpowiednio sztywny podkład oraz sposób połączenia elastycznego urządzenia z tym podkładem. Materiały stosowane na prowadnice to zazwyczaj krzem38,39,40,41, stal nierdzewna8,42 lub wolfram43,4,45, przy czym sztywniejsze materiały pozwalają na uzyskanie mniejszego przekroju poprzecznego. Są one zazwyczaj mocowane za pomocą kleju, takiego jak glikol polietylenowy (PEG)8,38,39,42,43, sił elektrostatycznych40 lub bezpośredniego połączenia fizycznego45,46. We wszystkich tych przypadkach wyzwaniem jest wyrównanie i połączenie macierzy elektrod z prowadnicą przed implantacją oraz rozłączenie ich po implantacji. Poniżej opisano udoskonalenie metody wprowadzonej przez Felixa i wsp.39, polegające na tymczasowym stabilizowaniu macierzy elektrod za pomocą krzemowej prowadnicy do implantacji, przymocowanej za pomocą PEG, która jest usuwana po wprowadzeniu macierzy na docelową głębokość.
Drugim wyzwaniem związanym z elastycznymi urządzeniami w obrębie implantów chronicznych jest stabilizacja urządzenia w mózgu przy jednoczesnym umożliwieniu jego integracji z implantem przymocowanym do czaszki. Mózg przemieszcza się względem czaszki z powodu naturalnych pulsacji, obrzękowych zmian potraumatycznych, uderzeń i innych przyczyn, w związku z czym macierz elektrod musi być przynajmniej w pewnym stopniu wolna w ruchu względem miejsca jej przytwierdzenia do czaszki i sprzętu rejestrującego. Osiąga się to za pomocą wydrukowanej w technologii 3D plastikowej podstawy, zaprojektowanej indywidualnie dla każdego zestawu celów implantacji, która pełni wiele funkcji: służy jako rezerwuar soli fizjologicznej podczas implantacji, miejsce mocowania polimerowych macierzy oraz obudowa dla żelu silikonowego. Miejsce mocowania nad czaszką oraz żel silikonowy współpracują ze sobą, tworząc większy promień krzywizny macierzy, co pozwala na przeniesienie większych sił ściskających na macierz. Z kolei umożliwia to przełożenie ruchu mózgu względem punktów zakotwiczenia macierzy (czaszki) na obciążenie krytyczne wyboczenia.
Dalsze wyzwania obejmują konieczność pomieszczenia wielu matryc oraz zapewnienia odpowiedniego odciążenia, aby zwierzę mogło swobodnie zachowywać się bez przenoszenia wibracji lub sił uderzenia na matryce elektrod, co mogłoby spowodować ich ruch względem tkanki nerwowej. Wyzwanie to rozwiązano poprzez adaptacje rozwiązań stosowanych w podobnych zastosowaniach, w których mózg musi pozostać stabilny względem sztywnego okna rejestracyjnego. Sztuczny silikonowy żel uszczelniający oponę twardą (Tabela materiałów), który wcześniej wykazano jako nietoksyczny i zapobiegający wyciekowi płynu mózgowo-rdzeniowego47, zapewnia przeciwciśnienie dla mózgu, aby zapobiec jego pęcznieniu na zewnątrz i ustabilizować matrycę na powierzchni mózgu. Dodatkowa warstwa ochronna dla taśm urządzenia zostaje naniesiona za pomocą silikonowego elastomeru chirurgicznego o średniej lepkości, którego zastosowanie w uszczelnianiu chronicznych implantów elektrod neuronowych zostało wcześniej udowodnione48. Na koniec implant z buforem silikonowym oraz głowica są obudowane wydrukowanymi w technologii 3D elementami, zaprojektowanymi specjalnie tak, aby utrzymać niski środek ciężkości dla minimalnego ograniczenia naturalnej mobilności zwierzęcia.
Niniejszy protokół rozpoczyna się od elastycznej polimerowej macierzy mikroelektrod zamontowanej na krzemowym prowadniku do insercji. Następnie opisano montaż urządzenia składającego się z macierzy i prowadnika do wydrukowanych w technologii 3D elementów insercyjnych, przedstawiono technikę chirurgiczną oraz etapy konstrukcji implantu niezbędne do prawidłowego wszczepienia go zwierzęciu; metoda ta umożliwia implantację szesnastu polimerowych macierzy wieloelektrodowych w ośmiu anatomicznie oddalonych obszarach u jednego szczura1.
Niniejszy protokół zakłada wykorzystanie materiałów wyjściowych w postaci polimerowych macierzy elektrod przytwierdzonych za pomocą biodegradowalnego kleju z glikolu polietylenowego (PEG) do krzemowego prowadnika wprowadzającego, zgodnie z opisem w pracy Felix i wsp.39, oraz co najmniej dwóch niezależnie ruchomych elementów wprowadzających: jednego, do którego zostanie przyklejony krzemowy prowadnik, oraz drugiego, do którego zostanie przytwierdzony konektor macierzy elektrod. Protokół ten wykorzystuje również trzeci element wprowadzający w celu bezpieczniejszego przymocowania dwóch elementów wprowadzających do mikromanipulatora o rozdzielczości mikrometrycznej. Wszystkie pliki do druku 3D znajdują się pod adresem: https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3DParts
Każda polimerowa macierz elektrod stosowana w tej metodzie składa się z dwóch do czterech trzonów rejestrujących, taśmy przesyłającej sygnały elektryczne oraz, na końcu taśmy, konektora sprzętowego lub płytki drukowanej. Macierz elektrod i taśma są przymocowane do krzemowego prowadnika za pomocą PEG. Do każdej taśmy, prostopadle do jej długości, za pomocą epoksydu utwardzanego promieniami UV, przytwierdzona jest rurka polimidowa o długości 2 cm i grubości 1 mm. Każde urządzenie (macierz elektrod i prowadnik wprowadzający) musi zostać osadzone w wydrukowanych w technologii 3D elementach wprowadzających, które służą do implantacji macierzy w mózgu i wycofania prowadnika (Rysunek 1). W tej konstrukcji hydrauliczny mikromanipulator wprowadzający (zielony, Tabela materiałów) przesuwa cały aparat wprowadzający (element 1, element 2 oraz mikromanipulator wycofujący, pomarańczowy) do docelowej głębokości. Po oddzieleniu macierzy od aparatu wprowadzającego i jej unieruchomieniu, drugi mikromanipulator, wycofujący (pomarańczowy), niezależnie od reszty aparatu wprowadzającego wycofuje element 1 wraz z przymocowanym prowadnikiem, usuwając prowadnik bez przemieszczania macierzy.
<img alt="Układ eksperymentu optycznego z niestandardowymi komponentami i aparaturą do pomiarów spektroskopowych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rycina 1: Elementy insertera. 
(AElementy 1 i 2 są tymczasowo połączone za pomocą wyjmowanego wkrętu i zostaną później zamocowane do tłoka mikromanipulatora retrakcyjnego (pomarańczowy).B) Matryca i czółenko wprowadzające są przyklejone do elementu 1, a złącze matrycy jest przymocowane do elementu 2 za pomocą dwustronnej taśmy klejącej. Element 3 łączy mikromanipulator cofający oraz elementy 1 i 2 z mikromanipulatorem wprowadzającym (zielony). Mikromanipulator wprowadzający jest przymocowany do adaptera stereotaktycznego służącego do pozycjonowania implantu. Elementy 1–3 przedstawiono w ich względnych rozmiarach. Element 4 jest częścią stabilizującą, zapewniającą prawidłowe wyrównanie czółenka wprowadzającego. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig01large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić większą wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>

<table><tbody><tr><td>3D Drukowane części adaptera stereotax (3) i podstawa (1) </td><td>N / A</td><td>N / A</td><td>części do druku 3d, zaproponuj < 30 &mu; Rozdzielczość m dla minimalnego ręcznego wykańczania części. Pliki dostępne w:</td></tr><tr><td>https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3dParts</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dental Acrylic (Hygenic Repair Resin, Coltene typ II quick set)</td><td>Colten/Whaledent</td><td>8886784, 8881627</td><td>Akryl dentystyczny do stosowania podczas budowy implantów</td></tr><tr><td>Mikromanipulator hydrauliczny (x2)</td><td>Narishige Group</td><td>MO-10</td><td>1-osiowy mikromanipulator</td></tr><tr><td><mocny>Kapton Taśma poliamidowa</mocny></td><td>Bertech</td><td>PPTDE-1/2</td><td>Taśma dwustronna</td></tr><tr><td><mocny>Kopf Stereotax Arm</mocny></td><td>&nbsp; Kopf Instruments</td><td>103088R, 103088L</td><td>Standardowy stereotax dla gryzoni</td></tr><tr><td>Light Curable Dental Acrylic, Vivid Flow</td><td>Coltene/Whaledent</td><td>D33-01-00</td><td>Światłoutwardzalny akryl dentystyczny do stosowania podczas budowy implantów</td></tr><tr><td>Loctite Gel Control</td><td>&nbsp; Henkel Corp.</td><td>&nbsp; 234790</td><td>1364076 1735574 1752699 Cyjanoakrylan do przyklejania silikonowego czółenka do odpowiedniej części drukowanej w 3D</td></tr><tr><td>Metabond Quick Cement</td><td>Parkell</td><td>S380</td><td>Do bezpośredniego stosowania na czaszkę w celu stworzenia silnego połączenia między czaszką a implantem</td></tr><tr><td>Polymer Electrode Arrays i silikonowe wahadłowce wprowadzające</td><td>Lawrence-Livermore National Laboratory</td><td>N/A</td><td>Wyprodukowane w Lawrence-Livermore National Laboratory, matryce elektrod poliimidowych, zestaw silikonowych czujników wprowadzających</td></tr><tr><td>Silicone Gel Kit, niska lepkość</td><td>Dow Corning</td><td>03/80</td><td>Żel silikonowy o niskiej lepkości do napełniania wydrukowanej w 3d części bazowej</td></tr><tr><td><mocny>silikon, zestaw o średniej lepkości</td><td>World Precision Instruments</td><td>&nbsp; Kwik-Sil</td><td>Żel silikonowy o średniej lepkości do ochrony matryc elektrod polimerowych</td></tr></tbody></table>

przewlekła implantacja wielu elastycznych matryc elektrod polimerowych

Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays

Jednoczesne nagrania z dużych populacji pojedynczych neuronów w rozproszonych regionach mózgu przez miesiące lub lata umożliwią nowe ścieżki rozwoju naukowego i klinicznego. Zastosowanie elastycznych matryc elektrod polimerowych może zapewnić długotrwałe nagrywanie, ale te same właściwości mechaniczne, które pozwalają na długowieczność zapisu, sprawiają, że wielokrotne wkłucie i integracja z przewlekłym implantem jest wyzwaniem. Oto metodologia, za pomocą której wiele matryc elektrod polimerowych można skierować na stosunkowo nieograniczony przestrzennie zestaw obszarów mózgu.
Metoda wykorzystuje cienkowarstwowe urządzenia polimerowe, wybrane ze względu na ich biokompatybilność i zdolność do osiągania długotrwałych i stabilnych interfejsów zapisu elektrofizjologicznego. Powstały w ten sposób implant umożliwia dokładne i elastyczne ukierunkowanie na anatomicznie odległe obszary, stabilność fizyczną przez wiele miesięcy i odporność na zakłócenia elektryczne. Metodologia ta obsługuje do szesnastu seryjnie wprowadzanych urządzeń w ośmiu różnych celach anatomicznych. Jak wykazano wcześniej, metodologia jest w stanie nagrywać z 1024 kanałów. Spośród nich 512 kanałów w tej demonstracji użytych do rejestracji pojedynczych neuronów dało 375 pojedynczych jednostek rozmieszczonych w sześciu miejscach nagrywania. Co ważne, metoda ta pozwala również rejestrować pojedyncze jednostki przez co najmniej 160 dni.
Ta strategia implantacji, obejmująca tymczasowe usztywnienie każdego urządzenia za pomocą wysuwanego silikonowego czółenka do wkładania, polega na przywiązaniu urządzeń na ich docelowej głębokości do przylegającej do czaszki plastikowej podstawy, która jest specjalnie zaprojektowana dla każdego zestawu rejestrujących celów, oraz stabilizacji/ochronie urządzeń w wypełnionej silikonem, specjalnie zaprojektowanej plastikowej obudowie. Omówiono również przygotowanie urządzeń do implantacji oraz zasady projektowania, które powinny kierować adaptacją do różnych kombinacji obszarów mózgu lub konstrukcji matryc.

Zastosowanie niniejszego protokołu w przypadku implantu neuronalnego z 1024 kanałami pozwoliło na zarejestrowanie 375 pojedynczych jednostek1 (posortowanych za pomocą MountainSort50, nakładanie szumu &lt; 0,03, izolacja &gt; 0,96, 512 kanałów wykorzystanych do rejestracji pojedynczych jednostek, Rysunek 9A). Protokół ten można wykorzystać do implantacji różnej liczby urządzeń o różnej liczbie kanałów i specyfikacji w różnych kombinacjach celów rejestracji. Przy zastosowaniu tego samego protokołu wykazano trwałość rejestracji pojedynczych jednostek przez co najmniej 160 dni1 w danych z 19 urządzeń (18 urządzeń 32-kanałowych w korze przedczołowej, jedno urządzenie 64-kanałowe w korze oczodołowo-czołowej) u trzech różnych szczurów (Rysunek 9B). U jednego z trzech zwierząt wystąpiła cyfrowa awaria elektryczna, która spowodowała brak możliwości rejestracji z czterech urządzeń. W pozostałych 15/19 urządzeniach średnia wydajność rejestracji wynosiła ~1 pojedynczą jednostkę na kanał. Poszczególne urządzenia wykazywały wydajność od zaledwie kilku pojedynczych jednostek do ~2 jednostek na kanał. Typowe jest obserwowanie bardzo różnych wydajności w urządzeniach implantowanych temu samemu zwierzęciu w tym samym obszarze.
Ponadto inny zespół chirurgiczny, postępując zgodnie z opisanym tutaj protokołem, wszczepił sześciu dodatkowym zwierzętom kombinację 4-6 urządzeń 32-kanałowych skierowanych do kory oczodołowo-czołowej i jądra półleżącego oraz tetrodowy hyperdrive (całkowita masa implantów wynosiła około 50 g). U jednego zwierzęcia implant odłączył się w ciągu miesiąca od operacji. Drugie zwierzę padło w okresie rekonwalescencji pooperacyjnej, co prawdopodobnie nie było związane z opisanymi tutaj krokami protokołu. Pozostałe cztery zwierzęta pozostały zdrowe, a ich implanty były stabilne przez cały czas trwania eksperymentu, który trwał od 4 do 1 miesięcy. Liczba zarejestrowanych pojedynczych jednostek (single units) była zbliżona do wyników wcześniej raportowanych dla urządzeń 32-kanałowych.
<img alt="Panel A: Diagram nakładania się skupisk i szumu, przedstawiający wskaźniki izolacji. Panel B: Wykres jednostek/dobę dla mPFC i OFC." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig09.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 9"> 
Rysunek 9: Wydajność pojedynczych jednostek i trwałość rejestracji. 
(A) Liczba domniemanych klastrów pojedynczych jednostek z 512 kanałów (z implantu posiadającego 1024 kanały), uwarstwiona według progów wskaźników jakości. Automatyczna kuratela z wykorzystaniem programu MountainSort (nakładanie szumów 0,03, izolacja 0,96, czarna skrzynka w prawym górnym rogu) pozwoliła na identyfikację 375 pojedynczych jednostek z 512 kanałów. Powielone za zgodą czasopisma Neuron [Rycina 2A]1. (B) Wydajność pojedynczych jednostek dla macierzy polimerowych na kanał (lewa oś y) lub na 16-kanałowy shank (prawa oś y) w ciągu 160 dni po implantacji (oś x) u szczurów. Linia ciągła oznacza średnią wydajność komórek dla 8 shanków, linie przerywane ± 1 SE. Pojedyncze punkty czasowe dla każdego shanka przedstawiono jako kolorowe kropki w podziale na regiony. Przedruk za zgodą Neuron [Rycina 3A]1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig09large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej figury.</a>

Opisana poniżej jest metoda implantacji wielu układów elektrod polimerowych w anatomicznie odległych obszarach mózgu w celu przewlekłego zapisu elektrofizjologicznego u swobodnie poruszających się szczurów. Przygotowanie i implantacja chirurgiczna są szczegółowo opisane, z naciskiem na zasady projektowania, które mają pomóc w adaptacji tych metod do stosowania u innych gatunków.

Przewlekła implantacja wielu elastycznych matryc elektrod polimerowych

Simultaneous recordings from large populations of individual neurons across distributed brain regions over months to years will enable new avenues of ...

Metoda ta umożliwia monitorowanie dużych, rozproszonych populacji neuronów przez dni, tygodnie lub miesiące, stawiając pytania o to, w jaki sposób te populacje zmieniają się i wspierają funkcje poznawcze w zasięgu ręki. Implantacja wielu urządzeń polimerowych i związana z nimi konstrukcja implantów łączą się, tworząc platformę nagrywania, która jest zdolna do dużej liczby kanałów, wieloregionalnych, długoterminowych, ciągłych i stabilnych nagrań. Procedurę zademonstruje Clay Smyth, technik z mojego laboratorium.Aby przygotować matryce elektrod polimerowych do włożenia, włóż przez wyrównane pionowo zorientowane otwory w dwóch elementach wprowadzających, aby je zablokować razem i przytrzymać elementy w imadle. Przymocuj taśmę dwustronną do górnej części drugiego elementu i przymocuj element stabilizujący do końca pierwszego elementu. Element stabilizujący będzie utrzymywany na miejscu przez tarcie.Ręcznie wyrównaj układ elektrod i przymocuj czółenko wprowadzające do wąskiego segmentu końcowego pierwszego elementu. Gdy sonda jest wyrównana z osią podłużną elementu pierwszego, przyklej złącze matrycy do dwustronnej taśmy poliamidowej na płaskiej części elementu drugiego. Za pomocą kleszczyków z plastikową końcówką, łączących tylko skrzydełko poliamidowe przymocowane do wstążki matrycy, podnieś końcówkę urządzenia do wkładania elektrody wahadłowej z pierwszego elementu na zewnątrz elementu stabilizującego.Nałóż 10 mikrolitrów odpowiedniego kleju na koniec pierwszego kawałka. Używając kleszczyków z plastikową końcówką, aby zetknąć się tylko ze skrzydełkiem poliamidowym przymocowanym do wstążki matrycy, użyj kwadratowej wypustki czółenka wkładającego, aby wyrównać urządzenie z wąskim segmentem pierwszego elementu. Manipuluj bokiem silikonowego czółenka lub kołka, aby dokonać niewielkich korekt wyrównania, uważając, aby nie wywierać nadmiernej siły na taśmę lub trzonki.Następnie użyj kleszczy, aby delikatnie docisnąć w dół po obu stronach elementu stabilizującego i wyjmij element stabilizujący z zespołu bez przesuwania układu. Następnie ustaw mikromanipulator pierwszego elementu w pozycji wysuniętej. Tłok przesunie się na głębokość końcową wewnątrz elementu pierwszego.Załaduj elementy pierwszy i drugi na tłok wciągający. Ustaw mikromanipulator trzeciego elementu w pozycji wsuniętej. Zamontuj drugi element w górnej części elementu trzeciego tak, aby otwory były wyrównane i załaduj element trzeci na tłok mikromanipulatora wkładanego.Przykręć elementy na miejscu na spodzie elementu trzeciego, a następnie załaduj i skręć ze sobą kawałki dwa i trzy, tak aby przesunięcie mikromanipulatora wkładającego poruszyło cały aparat do wkładania. Wykręć mocującą razem elementy pierwszy i dwa. Następnie włóż do bocznego otworu elementu pierwszego prostopadłego do toru tłoka, aż śruba wywrze nacisk na tłok, aby upewnić się, że element pierwszy porusza się zgodnie z cofającym się tłokiem.Element pierwszy powinien poruszać się niezależnie od elementu drugiego, umożliwiając oddzielne wycofanie czółenka wprowadzającego z aparatu. Po zakończeniu budowy urządzenia, oglądając wprowadzenie pod mikroskopem stereoskopowym, szybko opuść instrument stereotaktyczny z prędkością 25 mikrometrów na sekundę. Urządzenie nie przeniknie od razu do mózgu.Stopień oporu i wgłębień będzie zależał od lokalizacji docelowej i konstrukcji urządzenia. Gdy urządzenie przeniknie do mózgu, przełącz prędkość mikromanipulatora na 10 mikrometrów na sekundę i opuść urządzenie do jednego do dwóch milimetrów powyżej docelowej głębokości, wizualizując skrzydła urządzenia i punkt wkłucia podczas opuszczania, aby uniknąć przedwczesnego odłączenia się układu wahadłowca. Gdy urządzenie znajdzie się od jednego do 0,5 milimetra powyżej docelowej głębokości, zwolnij wkładanie do pięciu mikrometrów na sekundę.A następnie, gdy urządzenie znajdzie się w odległości 500 mikrometrów od celu, spowolnij wprowadzanie do jednego do dwóch mikrometrów na sekundę. Po osiągnięciu docelowej głębokości osusz w razie potrzeby punkt mocowania na podstawie, a następnie zakotwicz oba skrzydełka z poliamidu do miejsc mocowania podstawy za pomocą odpowiedniego kleju. Przed rozpuszczeniem, kołek pojawi się jako kulista masa siedząca na szczycie macierzy i interfejsu wahadłowca insercyjnego.Aby rozpuścić kołek, delikatnie slej sól fizjologiczną o temperaturze ciała na matrycę w punkcie, w którym kołek jest przyklejony do czółenka. Gdy kołek całkowicie się rozpuści, granice tablicy będą widoczne z czółenka i elementu pierwszego. Po zamocowaniu matrycy na miejscu, użyj mikromanipulatora retrakcyjnego, aby powoli wycofać czółenko wprowadzające, kontynuując nakładanie pojedynczych kropli soli fizjologicznej na matrycę, gdy jest ona chowana z tą samą szybkością wycofywania, co urządzenie, obserwując interfejs między matrycą a czółenkiem wprowadzającym podczas wciągania.Po wsunięciu czółenko widocznie oddzieli się od układu polimerowego, który będzie wyglądał na półprzezroczysty żółty między trzonkami czółenka wprowadzającego. Gdy urządzenie zostanie całkowicie schowane, przenieś złącze macierzy z elementu drugiego w miejsce, które nie będzie przeszkadzać w kolejnych wkładkach. Układ elektrod polimerowych zostanie umieszczony w mózgu i nie będzie już podłączony do instrumentu stereotaktycznego.Zdemontować czółenko wkładające i inne elementy wkładania. W razie potrzeby wykonaj dodatkowe wkłucia. W celu budowy implantu, po ostatecznym wprowadzeniu matrycy, należy opróżnić sól fizjologiczną z elementu bazowego, uważając, aby nie naruszyć wszczepionych matryc lub wstążek.Wypełnij kraniektomię i podstawę odpowiednim sztucznym uszczelniaczem oponowym. I pozwól szczeliwu się utwardzić. Umieść łączniki sprzętowe w miejscu, w którym nie będą przeszkadzać, a w razie potrzeby wykonaj wielokrotne wstawianie.Odpowiednio ustaw i podłącz złącza macierzy do sprzętu nagrywającego, tak aby wstążki znalazły się w ostatecznej żądanej pozycji. Na koniec owiń wstążki od miejsca, w którym opuszczają sztuczny uszczelniacz duralowy, do końców łącznika w bardziej lepkim żelu silikonowym. Zgodnie z tym protokołem, reprezentatywny 1024-kanałowy zapis implantu neuronowego dał 375 pojedynczych jednostek.W tym eksperymencie długowieczność zapisu dla pojedynczej jednostki została utrzymana przez co najmniej 160 dni w danych z 19 urządzeń na trzech różnych szczurach. Spośród 15 funkcjonalnych urządzeń, średnia wydajność nagrywania wynosiła około jednej jednostki na kanał, a pojedyncze urządzenia miały wydajność od kilku pojedynczych jednostek do około dwóch jednostek na kanał. Podczas wkładania urządzenia ważne jest, aby upewnić się, że wahadłowiec macierzy jest suchy.Jeśli tak nie jest, istnieje duże prawdopodobieństwo, że macierz odłączy się od wahadłowca podczas próby wstawienia. Technika ta jest kompatybilna z innymi metodami nagrywania, w tym mikroprzewodami, a także z manipulacjami, w tym symulacją elektryczną i optogenetyką. Ta technika pozwala nam rejestrować z tych samych neuronów przez wiele dni, co pozwala zrozumieć, jak reakcje zmieniają się w czasie.

chronic-implantation-of-multiple-flexible-polymer-electrode-arrays

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Przedstawiamy przydatne informacje dla chirurgów uczących się procesu implantacji chronicznych elektrod do rejestracji sygnałów neuronalnych. Opisano techniki stosowane dla systemów elektrod penetrujących oraz powierzchniowych w modelu gryzoni.

Chirurgiczna implantacja chronicznych elektrod neuronowych do rejestracji aktywności pojedynczych jednostek i sygnałów elektrokortykograficznych

Niniejszy artykuł szczegółowo opisuje konstrukcję multipleksowego czujnika opartego na mikroiigłach. Urządzenie to jest opracowywane w celu prowadzenia pobierania próbek in situ oraz analizy elektrochemicznej wielu analitów w sposób szybki i selektywny. Przewidujemy zastosowanie tych czujników opartych na mikroigłach w medycynie klinicznej oraz badaniach biomedycznych.

Czujnik oparty na pustych mikroiğłach do multipleksowego transdermalanego detekcji elektrochemicznej

Wprowadzenie elastycznych sond mikroelektrod neuronowych jest możliwe dzięki dołączeniu sond do sztywnych usztywnień z glikolem polietylenowym (PEG). Unikalny proces montażu zapewnia jednolite i powtarzalne mocowanie. Po wprowadzeniu do tkanki PEG rozpuszcza się, a usztywnienie jest ekstrahowane. Metoda badawcza in vitro ocenia technikę w żelu agarozowym.

Wprowadzanie elastycznych sond neuronowych za pomocą sztywnych usztywnień przymocowanych za pomocą biorozpuszczalnego kleju

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

Zaprojektowaliśmy procedurę, w której utrwalone formaldehydem ludzkie zwłoki są używane do pomocy neurochirurgom w szkoleniu do wszczepiania układów mikroelektrod do kory nowej ludzkiego mózgu.

Szkolenie chirurgiczne w zakresie implantacji układów mikroelektrod kory nowej przy użyciu modelu zwłok ludzkich utrwalonych formaldehydem

Ten protokół opisuje procedurę konstruowania układów mikroelektrod z włókna węglowego do przewlekłych i ostrych zapisów elektrofizjologicznych in vivo u myszy (Mus musculus) i fretki (Mustela putorius furo) z wielu obszarów mózgu. Każdy krok, po zakupie surowych włókien węglowych do implantacji matrycy mikroelektrodowej, jest szczegółowo opisany, z naciskiem na budowę matrycy mikroelektrodowej.

Budowa i implementacja układów mikroelektrod z włókna węglowego do przewlekłych i ostrych nagrań in vivo

Tutaj opisujemy metodologię produkcji konfigurowalnych układów elektrod z włókna węglowego do nagrywania in vivo w nerwach i mózgu.

Zestaw narzędzi typu open source: laboratoryjny zestaw mikroelektrod z włókna węglowego do nagrywania nerwów

Tutaj prezentujemy metodę długoterminowej oceny wydajności i bezpieczeństwa miękkich matryc elektrod podtwardówkowych w modelu minipig, opisując metodę i narzędzia chirurgiczne, pooperacyjny rezonans magnetyczny, elektrofizjologię kory słuchowej, właściwości elektrochemiczne implantu oraz immunochemię pośmiertną.

Implantacja matrycy podtwardówkowej miękkiej elektrokortykografii (ECoG) i długotrwała rejestracja kory mózgowej u świnek miniaturowych

Proponuje się tani system zapisu elektroencefalograficznego w połączeniu z cewką o rozmiarach milimetrowych do napędzania przezczaszkowej stymulacji magnetycznej mózgu myszy in vivo. Korzystając z konwencjonalnych elektrod śrubowych z niestandardowym, elastycznym podłożem z matrycą wieloelektrodową, można przeprowadzić zapis w wielu miejscach z mózgu myszy w odpowiedzi na przezczaszkową stymulację magnetyczną.

Niedrogi elektroencefalograficzny system zapisu w połączeniu z cewką o rozmiarach milimetrowych do przezczaszkowej stymulacji mózgu myszy in vivo

Tutaj przedstawiamy lekki, opłacalny system implantacji sond dla przewlekłej elektrofizjologii u gryzoni, zoptymalizowany pod kątem łatwości użycia, odzyskiwania sondy, wszechstronności eksperymentalnej oraz zgodności z zachowaniem.

Implant DREAM: lekki, modułowy i opłacalny system implantów do przewlekłej elektrofizjologii u myszy zamocowanych na głowie i swobodnie zachowujących się

Opracowaliśmy uproszczone i opłacalne podejście do produkcji elektrod i przeprowadziliśmy zapisy sygnałów w wielu regionach u swobodnie poruszających się myszy. Wykorzystanie optogenetyki, wraz z elektrofizjologią wieloregionalną i rejestracją sygnału wapnia, umożliwiło ujawnienie aktywności neuronalnej w różnych regionach w modelu rozpalania napadów.

Zintegrowana metoda tworzenia elastycznych i wygodnych optymór elektrofizjologicznych do wieloregionalnego zapisu in vivo

Poznaj metodę implantacji wielu elastycznych matryc elektrod polimerowych w mózgu szczura dla długoterminowych rejestracji elektrofizjologicznych. Technika umożliwia monitorowanie aktywności neuronalnej związanej z funkcjami poznawczymi.

Przewlekła implantacja wielu elastycznych matryc elektrod polimerowych

Przeglądaj więcej filmów