Name: Tensão de polarização, voltametria cíclica, espectroscopia de impedância elétrica e para Interfaces Neurais (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-02-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 51 s
Description: Aprenda a monitorar e melhorar a interface eletrodo-tecido em sistemas de gravação neural usando espectroscopia de impedância elétrica e voltametria cíclica. Este método de polarização de tensão aumenta a qualidade dos sinais neurais.

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Esta pesquisa foi financiada pelo National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD) e pela Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Tecnologia Office (OMP), sob os auspícios do Dr. Jack W. Judy (jack.judy @ darpa.mil) como parte do Programa de Tecnologia de confiança Neural, através do Espaço e Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) do Pacífico concessão n º N66001-11-1-4013.

1. Configure o Instrumento Eletroquímica <ol><li> Instrumentação eletroquímica como uma Autolab Methrohm PGSTAT (Utrecht, NL) é necessária para o EIS, CV e Rejuvenescimento. O FRA2 add-on permite EIS, eo canal multiplexador (MUX) add-on é útil para testar multi-canal eletrodos. </li><li> Construir um adaptador para conectar o headstage canal ao MUX headstage. </li><li> Faça as conexões. Ligue o trabalho e eléctrodos sensores para o canal MUX, e ligar a referência e os eléctrodos do contador para a parte do adaptador de headstage ligada ao circuito de retorno da corrente, tipicamente um parafuso de osso implantado em aço inoxidável ou titânio. </li></ol> 2. Espectroscopia de Impedância Elétrica <ol><li> Inicie o Resposta de Freqüência Analisador de software (FRA), e verificar as configurações de arquivo de procedimento. O procedimento deve ser definido para testar dois multi-seno ondas cada um consistindo de 15 senos simultaneamente que variam de 10 Hz a 30kHz. A tensão aplicada deve ser de 25 mV ou menos (ver métodos suplementares). </li><li> Abrir e editar o arquivo de projeto. O projeto utiliza o arquivo de Processo, percorre cada canal, e salva o resultado (ver métodos complementares). </li><li> Ligue assunto animal com um headstage (sem amplificadores) passiva. Headstages ativos não vai passar sinais de entrada. </li><li> Execute o arquivo do projeto. Cada canal tem dezenas de segundos dependendo das configurações. </li><li> Apresentar e interpretar resultados. Analisar os arquivos de texto de saída com MATLAB (Natick, MA), e faça um gráfico de Nyquist. Um semicírculo em freqüências mais altas indica uma resposta do tecido. </li></ol> 3. Voltametria Cíclica <ol><li> Inicie o General Purpose Eletroquímica Sistema de software (GPES), e verificar as configurações de arquivo de procedimento. O procedimento deve ser ajustado para varrer a tensão a 50 mV / s, dentro dos limites de hidrólise que se situa entre 0,8 e -0,6 V para típicos materiais de eléctrodo neurais (Pt,IR, IROX). Pelo menos três scans deve ser executado para que o sistema atinja o equilíbrio. Os resultados da digitalização final são guardados (ver métodos suplementares). A velocidade de varrimento pode ser aumentada para 1 V / s para reduzir o tempo de medição, no entanto, a forma da curva IV irá provavelmente mudar se a velocidade de varrimento é mais rápido do que as reacções de transferência de carga que ocorrem na interface tecido-eléctrodo. </li><li> Abrir e editar o arquivo de projeto. O projeto utiliza o arquivo de Processo, percorre cada canal, e salva o resultado (ver métodos complementares). </li><li> Ligue assunto animal com um headstage passiva. </li><li> Execute o arquivo do projeto. Cada canal tem cerca de três minutos, dependendo da configuração. Aumentando a velocidade de varrimento para 1 V / s reduz o tempo de medição para cerca de dez segundos por canal. </li><li> Apresentar e interpretar resultados. Analisar os arquivos de texto de saída com MATLAB, e traçar a relação IV. A carga de capacidade de carga é quantificada por integração da áreada corrente catódica dentro do CV. </li></ol> 4. Rejuvenescimento <ol><li> Inicie o General Purpose Eletroquímica Sistema de software (GPES), e verificar as configurações de arquivo de procedimento. Usando as etapas e método Sweeps, o procedimento deve ser definido para a etapa a tensão para 1,5 V para uma duração de 4 segundos (ver métodos complementares). </li><li> Abrir e editar o arquivo de projeto. O projeto utiliza o arquivo de Processo, percorre cada canal, e salva o resultado (ver métodos complementares). </li><li> Ligue assunto animal com um headstage passiva. </li><li> Execute o arquivo do projeto. Cada canal leva cerca de dez segundos. 4.5) Coleta de dados do EIS e CV e interpretar resultados. </li></ol> 5. Os resultados representativos Um fluxo de trabalho típica, incluindo gravações, de EIE, CV e rejuvenescimento, é mostrado na figura 1. Gravações e EIS são coletados com maior freqüência (diária ou semanal) em todos os canais, enquanto CV erejuvenescimento pode ser usado se spiking actividade já não é detectável. Mudanças de EIE, ao longo de dias ou semanas após a um eléctrodo é implantado. Quando EIS dados são apresentados como uma trama de Nyquist, um semicírculo a frequências mais elevadas (próximo da origem) é indicativo da resposta do tecido no local da eléctrodo (Fig. 2). CV produz uma curva de corrente-tensão (IV), mostrando algumas histerese. O mais relevante estatística CV é a carga a capacidade de suporte, a área dentro da curva IV normalizado pela área local do eléctrodo (Fig. 3 um). Eletrodos com grande capacidade de carga são os preferidos para micro-estimulação. Durante rejuvenescimento um pulso de tensão é aplicada, que geralmente resulta em aumento da capacidade de carga e diminuição da magnitude da impedância (Fig. 3a e b). Spiking também pode ser restaurado em canais que anteriormente tinham picos (Figura 4a). Enquanto rejuvenescimento tem apenas efeitos de curto prazo sobre impedância e sinal-para-nãoise (SNR), esta técnica pode ser aplicada diariamente. Figura 4b e c mostra diariamente pré e pós-rejuvenescimento-1 magnitude da impedância kHz e dados SNR para uma matriz de canal 16 implantado em cobaia córtex. Rejuvenescimento tem um efeito na redução da robusta 1 magnitude da impedância kHz por uma ordem de magnitude após cada aplicação. Como um resultado de sinais recuperados e inferior de impedância, a SNR aumenta após cada sessão de rejuvenescimento. Em última análise, todos os sinais foram perdidos após 160 dias após o implante e rejuvenescimento já não era eficaz. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig1.jpg" alt="A Figura 1" /> Figura 1. EIS é medida após cada sessão de gravação. Se não houver picos são registrados em um canal que já teve picos, e EIS mostra um componente grande de tecido que tem aumentado ao longo do tempo, em seguida, CV e rejuvenescimento são julgados neste canal. EIS e gravações são então usados ​​para determinar se o tratamento foi bem sucedida. Figura 2. Dados EIS exibidos em um gráfico de Nyquist de um local do eletrodo imediatamente após o implante (azul), e 4 meses depois (verde). Cada ponto no gráfico de Nyquist representa a impedância real e imaginário em uma única freqüência. Um semicírculo parcial devido ao tecido em torno do local é evidente em freqüências mais altas. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig3.jpg" alt="A Figura 3" /> Figura 3. CV e EIS mudanças de um eletrodo implantado irídio óxido de pré-e pós-rejuvenescimento. (A) Rejuvenescimento aumenta a área da curva de IV correspondente a uma carga aumentada capacidade de carga. (B) Uma mudança significativa na specra impedância para baixar os níveis de impedância é geralmente observada após rejuvenescimento. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig4.jpg" alt="A Figura 4" /> Figura 4. Effects de tensão de polarização em gravações e impedância. (A) pré-e pós-rejuvenescimento gravações mostram picos podem ser recuperados em canais que tinham sido previamente silenciosa. Diário pré e pós-rejuvenescimento resulta em uma queda de (B) robusto em 1 kHz e magnitude da impedância (C) aumento da SNR para aproximadamente 150 dias após a cirurgia. Barra de erros representam erro padrão a partir de dados coletados a partir de um conjunto de 16 canais implantados no córtex cobaia.

<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>

Não há conflitos de interesse declarados.

Sistemas de gravação Neurais protéticos exibir uma vida limitada funcional, capacidade de gravação diminui com o tempo pós-implantação. O contribuinte provável que o desempenho diminuir é a resposta do tecido reativo ao dispositivo implantado como uma camada compacta glial funcionalmente isola o objeto estranho do tecido saudável 1. Junto com a gravação neural, as medidas eletroquímicas (EIS e CV) são normalmente utilizados para o monitoramento longitudinal da interface eletrodo-tecido 2,3. EIS é praticamente útil na avaliação da capacidade de gravação de interface. A impedância aumenta rapidamente com o tempo pós-implantação sugerindo a resposta do tecido reactivo altera as propriedades eléctricas do interface de 3. Além disso, os dados de EIE pode ser utilizado para modelar a composição celular adjacente ao eléctrodo implantado 3-5. Voltametria cíclica pode ser usado para investigar alterações em gravações e EIS. O electrode material e rugosidade, bem como as reacções electroquímicas e do tecido circundante influenciar a forma da curva de IV. Carga grande capacidade de carga, determinada a partir da área da curva de IV, é geralmente preferido, especialmente para a estimulação de micro-eléctrico. Baixa capacidade de carga é freqüentemente associada com o aumento EIS. O potencial aplicado durante o CV pode-se alterar a capacidade de carga e EIS, especialmente se a faixa de tensão é grande o suficiente para conduzir reações redox. A aplicação de tensão de polarização, rejuvenescimento, ou, pode ser utilizado com a finalidade de aumentar a capacidade de suporte carga, diminuindo impedância, e aumentando o número dos canais com picos gravados 5. A oxidação é provável que ocorre na interface do eléctrodo durante rejuvenescimento, e com materiais de irídio, uma monocamada de óxido hidratado forma a potenciais anódica de 1,2 V 6. Tem sido sugerido que a formação deste monocamada celular pode remover e acelmaterial de intracelular ligado ao eléctrodo de resultando em menor impedância no 5 interface. Enquanto rejuvenescimento pode recuperar perdido sinais neurais, é mais eficaz se for utilizado em canais que anteriormente tinham picos dentro de alguns dias antes. Gravações, EIS, cv, e rejuvenescimento pode melhor ser utilizados como ferramentas complementares no controlo da interface neural e melhorar a funcionalidade a longo prazo de dispositivos implantados.

<table border="1"><tbody><tr><td> Equipamento </td><td> Companhia </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentários </td></tr><tr><td> Instrumento Eletroquímica </td><td> Metrohm Autolab </td><td> PGSTAT128N </td><td> add-ons: FRA2, canal MUX </td></tr><tr><td> Headstage passiva </td><td> Tucker-Davis Technologies </td><td></td><td> modelo depende do conector e quantidade de canais </td></tr><tr><td> 26 pinos conector fêmea </td><td> AMP </td><td> 5749069-2 </td><td> Adaptador Headstage Ou conector apropriado para o seu substituto headstage </td></tr><tr><td> Jacks Banana </td><td> Digikey </td><td> J151-ND </td><td> Adaptador Headstage O canal Autolab MUX tem fichas de banana </td></tr></tbody></table>

tensão de polarização, voltametria cíclica, espectroscopia de impedância elétrica e para interfaces neurais

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

Espectroscopia de impedância elétrica (EIS) e voltametria cíclica (CV) propriedades de medida da interface eletrodo-tecido sem adicionais procedimentos invasivos, e pode ser usado para monitorar o desempenho do eletrodo a longo prazo. EIS mede impedância elétrica em múltiplas freqüências, e aumentos de impedância indicam a formação de cicatriz glial aumentou em torno do dispositivo, enquanto voltametria cíclica mede a carga a capacidade de suporte do eletrodo, e indica a carga é transferida em diferentes níveis de tensão. Como eletrodos implantados idade, EIS e CV alteração de dados e sites de eléctrodos que previamente gravados neurônios spiking muitas vezes apresentam eficácia significativamente menor para a gravação neural. A aplicação de um impulso de tensão breve para conjuntos de eléctrodos implantados, conhecidos como rejuvenescimento, podem trazer de volta spiking actividade em caso contrário, sítios de eléctrodos de silêncio por um período de tempo. Rejuvenescimento altera EIS e CV, e pode ser monitorado por estes métodos complementares. Tipicamente, DIA é medido diariamente como uma indicação da resposta do tecido no local do eléctrodo. Se picos estão ausentes em um canal que anteriormente tinha picos, em seguida, CV é usado para determinar a capacidade de transporte de carga do local do eléctrodo, e rejuvenescimento pode ser aplicado para melhorar a eficácia de interface. CV e EIS são então repetidos para verificar as mudanças na interface eletrodo-tecido, e as gravações neurais são coletados. O objetivo geral do rejuvenescimento é a prolongar a vida funcional de matrizes implantadas.

A interface eletrodo-tecido de eletrodos de registro neurais podem ser caracterizados com espectroscopia de impedância elétrica (EIS) e voltametria cíclica (CV). Aplicação de capacidade de gravação de tensão de polarização alterações das propriedades eletroquímicas da interface eletrodo-tecido e pode melhorar. Tensão de polarização, EIS, CV, e gravações neurais são complementares.

Tensão de polarização, voltametria cíclica, espectroscopia de impedância elétrica e para Interfaces Neurais

A espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) e a voltametria cíclica (CV) medem as propriedades da interface eletrodo-tecido sem a necessidade de procedimentos invasivos adicionais...

O objetivo geral deste procedimento é monitorar a qualidade da interface entre o eletrodo e o tecido em sistemas protéticos neurais implantados para gravação, bem como melhorar a qualidade da gravação e a funcionalidade a longo prazo. Isso é realizado primeiramente coletando dados diários de espectroscopia de impedância eletroquímica e de gravação neural. Dados de telemetria de voltametria cíclica ou dados de CV são coletados para obter mais detalhes sobre a qualidade das interfaces entre o eletrodo e o tecido que não apresentam atividade neural e exibem alta impedância.Em seguida, aplica-se uma tensão corretiva de 1,5 volt por quatro segundos. Isso é seguido pela continuação da coleta de dados e por polarizações adicionais conforme necessário. Em última análise, é possível obter menor impedância e a melhoria ou recuperação da atividade neural registrada utilizando esses métodos.A principal vantagem desta técnica em comparação com métodos existentes, como entrega de fármacos ou modificação de superfície, é que a polarização por tensão pode ter um efeito robusto na melhoria da funcionalidade e do desempenho de sistemas neurais protéticos de registro após dezenas a centenas de dias de implante. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área de engenharia neural, como como melhorar a vida útil funcional de sistemas eletrodos implantáveis. As implicações desta técnica estendem-se para terapia ou diagnóstico de uma multiplicidade de déficits neurológicos.Isso é importante à medida que a prevalência e as opções de tratamento desses déficits aumentam no laboratório automatizado de metanfetamina. Adaptar o PG stat com FA dois e os complementos channel mucks. Construa um adaptador de estágio craniano para conectar os channel mucks ao estágio craniano.Agora conecte os eletrodos de trabalho e de sensibilidade ao módulo adicional do canal. Em seguida, conecte os eletrodos de referência e contrarrreferência ligados ao animal de estudo à parte do adaptador da cabeça conectada ao caminho de retorno da corrente. Inicie o software do analisador de resposta em frequência e verifique se o arquivo de procedimento está configurado para testar duas formas de onda multisinal, cada uma composta por 15 sinais simultaneamente variando de 10 hertz a 30 quilohertz.Além disso, certifique-se de que a tensão aplicada seja de 25 milivolts ou menos. Agora, abra e edite o arquivo de projeto. O projeto utiliza o arquivo de procedimento que percorre cada canal e salva o resultado.Conecte o animal a uma plataforma cefálica passiva sem amplificação. Plataformas cefálicas ativas não transmitirão sinais de entrada. Execute o arquivo do projeto conforme as configurações.Os registros de cada canal levam entre 10 segundos e alguns minutos. Agora exiba e interprete o resultado. Passe os arquivos de texto de saída para o MATLAB e gere um gráfico de Nyquist ou de Bode.Desvios na fase dependentes da frequência indicam uma resposta do tecido. Inicie o software do sistema de eletroquímica de uso geral. Verifique se as configurações do arquivo de procedimento estão definidas para varrer a tensão a 50 milivolts por segundo e se estão dentro dos limites da hidrólise.Execute pelo menos três varreduras para que o sistema atinja o equilíbrio e salve os resultados da última varredura. A taxa de varredura pode ser aumentada para um volt por segundo para reduzir o tempo de medição. No entanto, a forma da curva IV provavelmente mudará se a taxa de varredura for mais rápida do que as reações de transferência de carga que ocorrem na interface entre o eletrodo e o tecido.A seguir, abra e edite o arquivo do projeto. O projeto utiliza o arquivo de procedimento para percorrer cada canal e salvar os resultados. Conecte o animal com um estágio de cabeça passivo e execute o arquivo do projeto a um volt por segundo.A coleta leva 10 segundos por canal enquanto se utiliza uma taxa de varredura de 50 milivolts por segundo. Leva cerca de três minutos por canal. Por fim, exiba e interprete os resultados.Transfira os arquivos de texto de saída para o MATLAB e trace a relação IV. A capacidade de transporte de carga é quantificada pela integração da área da corrente do cateter dentro do CV E. A decisão mais crítica neste protocolo é decidir quando aplicar um potencial elétrico. Isso é permitido pelos dados cíclicos de telemetria e registros de impedância.Inicie o software do sistema eletroquímico de uso geral e verifique se o arquivo de procedimento está configurado para utilizar o método de etapas e varreduras. Aplique uma tensão de 1,5 volts por durações de quatro segundos. Em seguida, abra e edite o arquivo de projeto, que utiliza o arquivo de procedimento para percorrer cada canal e salvar o resultado.Conecte o animal experimental a uma etapa passiva da cabeça e execute as gravações do arquivo do projeto a partir de cada canal. Aguarde cerca de 10 segundos, então colete os dados de EIS, CV e gravações e interprete os resultados em um fluxo de trabalho típico. As gravações e o EIS são coletados diariamente ou semanalmente em todos os canais, enquanto o CV e a rejuvenescência podem ser utilizados.Se a atividade de disparo não for mais detectável, as alterações no EIS ocorrem ao longo de dias a semanas após o implante de um eletrodo. Os dados em azul foram coletados imediatamente após o implante e os dados em verde, quatro meses depois. Quando os dados do EIS são exibidos como um gráfico de Nyquist, um semicírculo em frequências mais altas próximo à origem é indicativo da resposta tecidual no local do eletrodo.A análise de CV produz uma curva de corrente versus tensão que mostra alguma histerese. A estatística de CV mais relevante é a capacidade de transporte de carga, a área dentro da curva IV normalizada pela área do sítio do eletrodo. Eletrodos com alta capacidade de carga são preferidos para estimulação micro.Durante a rejuvenescência, um pulso de tensão é aplicado. Isso geralmente resulta em aumento da capacidade de carga e diminuição das magnitudes de impedância; picos também podem ser restaurados em canais que anteriormente apresentavam picos. Embora a rejuvenescência tenha apenas efeitos de curto prazo sobre a impedância e a relação sinal-ruído, esta técnica pode ser aplicada diariamente.Em dados coletados diariamente de um porquinho-da-índia com um arranjo de 16 canais implantado, a rejuvenescência teve um efeito acentuado na redução da magnitude da impedância em um quilohertz em uma ordem de grandeza após cada aplicação. Como resultado da recuperação dos sinais e da menor impedância, a razão sinal-ruído (SNR) aumentou após cada sessão de rejuvenescência. Em última análise, todos os sinais foram perdidos após 160 dias da implantação, e a rejuvenescência deixou de ser eficaz.Uma vez dominada, esta técnica pode ser realizada em aproximadamente uma hora. Ao tentar este procedimento, é importante garantir que as conexões adequadas sejam feitas e que os resultados da espectroscopia de impedância indiquem uma resposta tecidual significativa antes dos tratamentos bioelétricos com tensão.

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