Um Método para Sistemática de Eletroquímica e eletrofisiológica Avaliação do Neurais gravação Eletrodos
3 de março de 2014
Revestimentos de eletrodos diferentes afetar o desempenho de gravação neural através de alterações nas propriedades eletroquímicas, químicas e mecânicas. Comparação de eléctrodos in vitro é relativamente simples, no entanto Comparação in vivo da resposta é tipicamente complicada pelas variações de distância entre os eléctrodos / neurónio e entre animais. Este artigo fornece um método robusto para comparar eletrodos de registro neurais.
O objetivo geral deste procedimento é determinar de forma confiável o melhor eletrodo para gravação neural aguda. Isso é realizado primeiramente modificando eletrodos nus, neste caso, por meio da deposição de polímeros condutores orgânicos. O segundo passo consiste em testar as propriedades dos revestimentos in vitro.
Em seguida, os eletrodos são colocados em um modelo animal de rato para registro neural agudo. O passo final é retestar os eletrodos in vitro para determinar sua bioestabilidade. Por fim, uma comparação entre diferentes eletrodos por meio de uma variedade de técnicas analíticas, incluindo eletrofisiologia e eletroquímica, é utilizada para determinar as principais propriedades químicas e físicas de implantes neurais.
Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais no desenvolvimento de novas interfaces cérebro-máquina, como quais propriedades-chave dos eletrodos podem melhorar a relação sinal-ruído e a estabilidade bioelétrica. Sime e Morgan irão me auxiliar neste procedimento. Inicie este procedimento anestesiando uma rata por injeção intraperitoneal de uretano.
Assegure o início da anestesia testando o reflexo de retirada do dedo do pé. Se a anestesia não for suficiente, devem ser administradas doses suplementares de uretano. Em seguida, depile a cabeça da rata.
Coloque-o em posição prona sobre uma placa homeotérmica. Em seguida, insira uma sonda retal para manter a placa homeotérmica a 37,5 graus Celsius. Posteriormente, posicione uma haste auricular na posição final aproximadamente esperada dentro do estereotáxico e ajuste o animal para posicionar a haste no meato acústico externo.
Em seguida, alinhe a segunda haste auricular e posicione-a no meato acústico externo contralateral. Depois disso, posicione o animal para alinhar as hastes auriculares com o suporte dental. Abra a mandíbula do animal com uma pinça dentária para rato.
Encaixe os incisivos superiores no suporte dentário e prenda o nariz no lugar. Em seguida, faça uma incisão na pele da cabeça aproximadamente um milímetro à direita da linha média, e de 10 milímetros rostral a 10 milímetros. Coddle de Lambda retrai lateralmente a pele e o músculo a partir da incisão.
Para expor os ossos parietais e o osso interparietal, esfregue a superfície do osso exposto com solução de peróxido de hidrogênio a 20% e uma gaze sob o microscópio. Faça um orifício de aproximadamente três milímetros quadrados no osso interparietal o mais próximo possível de Lambda e da linha média. Lave o orifício com soro fisiológico estéril para remover qualquer osso, poeira ou fragmentos, que possam danificar o eletrodo.
Em seguida, dissecar abaixo da nuca com a tesoura romba. Para criar uma cavidade, envolver um fio de prata, cloreto de prata com algodão e saturá-lo com solução salina. Em seguida, inserir o eletrodo de referência na cavidade.
Posteriormente, faça uma incisão na dura-máter no plano sagital. Usando a ponta de uma agulha, fixe a matriz de eletrodos ao manipulador de eletrodos. Em seguida, ajuste sua posição sobre a abertura com um ângulo Ros coddle de 19 graus.
Insira manualmente o eletrodo aproximadamente dois milímetros dentro do cérebro, em direção ao colículo inferior. Em seguida, conecte o alto-falante à haste auditiva oca esquerda. Certifique-se de que o amplificador esteja ligado.
Em seguida, feche a porta da câmara de gravação. Agora, aplique rajadas de ruído branco. A taxa máxima com que as rajadas devem ser aplicadas é de uma rajada a cada 200 milissegundos.
Ao mesmo tempo, monitore a atividade em cada eletrodo utilizando o microdrive motorizado. Insira lentamente o arranjo de eletrodos até que atividade induzida acusticamente seja registrada nos três eletrodos mais distais de cada haste. Em seguida, realize o protocolo de estimulação acústica usando 300 repetições de estímulos de ruído branco de 50 milissegundos com taxa de repetição de um segundo a 70 decibéis, e registre a atividade multissunitária em cada eletrodo com uma taxa de amostragem de 24,4 quilohertz.
Insira lentamente o arranjo de eletrodos por mais 200 mícrons no colículo inferior para posicionar cada eletrodo aproximadamente na mesma posição do eletrodo mais distal da posição inicial de registro. Em seguida, repita o protocolo de estimulação acústica e registro neural. Continue inserindo o arranjo de eletrodos em etapas de cem mícrons e realize o protocolo de estimulação acústica e registro neural até que todos os eletrodos tenham registrado atividade induzida acusticamente de pelo menos três posições.
Posteriormente, recolha o arranjo de eletrodos em etapas de 200 mícrons e continue a realizar o protocolo de estimulação acústica e gravação neural até que a posição inicial do arranjo de eletrodos seja alcançada. Em seguida, recolha cuidadosamente o arranjo de eletrodos manualmente. Neste procedimento, enxágue suavemente o arranjo de eletrodos com água destilada para remover qualquer contaminação.
Em seguida, conecte a matriz de eletrodos a um potenciostato. Coloque cuidadosamente a matriz de eletrodos na solução de teste e fixe-a com braçadeira. A seguir, conecte os eletrodos auxiliar e de referência ao potenciostato utilizando o potenciostato.
Realize espectroscopia de impedância eletroquímica sequencial e voltametria cíclica em todos os eletrodos. Um tempo de repouso de um segundo é utilizado entre cada teste. Todos os 32 eletrodos permanecem em contato com a solução durante toda a sessão de testes, que dura uma hora.
Posteriormente, remova o arranjo de eletrodos da solução de teste e enxágue suavemente com água desionizada. Coloque o arranjo de eletrodos em uma solução enzimática de limpeza por 24 horas. Em seguida, repita os procedimentos novamente antes de armazenar a sonda em um recipiente protetor seco para evitar danos e degradação da superfície do eletrodo.
Esta figura mostra o histograma peri estímulo-temporal medido em cada eletrodo, média de 300 repetições a 70 decibéis, ruído branco nas profundidades de inserção de zero mícrons e 800 mícrons no colículo inferior. Os eletrodos revestidos são indicados por asterisco, e esta figura mostra os dados de streaming medidos em cada eletrodo com estímulos de ruído branco de 70 decibéis nas profundidades de inserção de zero mícrons e 800 mícrons no colículo inferior. Os eletrodos codificados são indicados por asterisco.
A relação sinal-ruído durante a inserção e retirada do arranjo de eletrodos no colículo inferior é mostrada aqui. 70 decibéis. O ruído branco no eletrodo representativo sem revestimento é indicado pela linha tracejada, e o eletrodo revestido com polímero condutor é indicado pela linha contínua. Aqui são mostrados diferentes níveis de pressão sonora de 40 a 70 decibéis em um eletrodo revestido com polímero condutor seguindo este protocolo.
Outros métodos, como espectroscopia de fotoelétrons por raios X e espectrometria de massas, podem ser aplicados para compreender os diferentes tipos de proteínas que se adsorvem em uma superfície eletroda e como os diferentes materiais podem estar afetando essas interações.
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Visão Geral
Este artigo apresenta um método para avaliar diferentes revestimentos de eletrodos utilizados no registro neural. Destaca o impacto desses revestimentos sobre as propriedades eletroquímicas, químicas e mecânicas, e discute os desafios das comparações in vivo.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Neurociência
- Eletrfisiologia
- Engenharia Neural
Contexto
- Os revestimentos dos eletrodos podem influenciar significativamente o desempenho da gravação neural.
- As comparações in vitro são diretas, enquanto as avaliações in vivo são complicadas.
- Compreender essas diferenças é crucial para melhorar os implantes neurais.
- Este estudo enfoca uma abordagem sistemática para a avaliação de eletrodos.
Objetivo do Estudo
- Identificar o eletrodo ideal para gravação neural aguda.
- Avaliar os efeitos de revestimentos de polímeros condutores orgânicos sobre eletrodos.
- Comparar eletrodos utilizando diversas técnicas analíticas.
Métodos Utilizados
- Modificação de eletrodos nus com polímeros condutores orgânicos.
- Teste in vitro das propriedades dos eletrodos.
- Gravação neural aguda em um modelo de rato.
- Reavaliação dos eletrodos in vitro quanto à bioestabilidade.
Resultados Principais
- A comparação de diferentes eletrodos revelou diferenças fundamentais no desempenho.
- As análises eletrofisiológicas e eletroquímicas forneceram informações sobre as propriedades dos eletrodos.
- Modificações no revestimento resultaram em variações na qualidade da gravação.
- Os resultados in vivo destacaram a importância da distância entre o eletrodo e o neurônio.
Conclusões
- O estudo oferece um método robusto para avaliar eletrodos de registro neural.
- Os resultados podem orientar o desenvolvimento de implantes neurais aprimorados.
- A pesquisa futura deve focar na otimização de designs de eletrodos para um desempenho melhor.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A avaliação sistemática eletroquímica e eletrofisiológica de eletrodos de registro neural aborda uma lacuna crítica na seleção racional de implantes e na otimização de materiais para pesquisa e desenvolvimento em neurotecnologia. Ao correlacionar métricas de desempenho in vitro e in vivo, este protocolo aumenta a confiança preditiva no design de eletrodos e apoia decisões de avanço ajustadas ao risco nos fluxos de trabalho de interfaces neurais. A abordagem permite que equipes de pesquisa priorizem candidatos a eletrodos com base em dados quantitativos e reprodutíveis, relevantes para o desenvolvimento translacional e pré-clínico.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêuticos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a investigação das propriedades dos materiais dos eletrodos que afetam a fidelidade do sinal neural e a bioestabilidade.
- Apoia a validação funcional de designs de eletrodos por meio da medição direta da relação sinal-ruído e da impedância.
- Facilita a redução de riscos mecanicistas ao isolar variáveis de material e de design em condições controladas.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Fornece fluxos de trabalho padronizados in vitro e in vivo para avaliação comparativa de eletrodos.
- Oferece resultados quantitativos e reprodutíveis, como espectros de impedância e gravações eletrofisiológicas.
- Permite a triagem em escala de novos materiais e revestimentos para eletrodos em plataformas de neurotecnologia futuras.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Alinha métricas de desempenho do eletrodo com requisitos de gravação neural relevantes para doenças.
- Apoia a continuidade da avaliação de materiais em estágio de descoberta até a validação pré-clínica da interface neural.
- Reduz o risco translacional ao correlacionar respostas de eletrodos in vitro e in vivo.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Este protocolo integra as fases iniciais de descoberta até a identificação de compostos líderes e validação pré-clínica no desenvolvimento de interfaces neurais.
- Biologia Descoberta: Testes quantitativos das propriedades do eletrodo orientam a seleção de materiais baseada em hipóteses e a elucidação de vias.
- Triagem: Ensaios padronizados de impedância e eletrofisiológicos permitem comparação reprodutível entre candidatos a eletrodos.
- Análise: Fornece medições robustas da relação sinal-ruído e da impedância para tomada de decisões baseada em dados.
- Pesquisa Translacional: Correlaciona dados in vitro e in vivo para apoiar a continuidade pré-clínica e o alinhamento de biomarcadores.
- Reutilização Empresarial: Protocolo adaptável permite a avaliação de diversos materiais e desenhos de eletrodos em diferentes projetos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista na seleção de eletrodos.
- Valor Operacional: Padroniza testes, melhora a reprodutibilidade e apoia a triagem escalável de eletrodos.
- Valor Estratégico: Permite decisões informadas de prosseguir/não prosseguir e reduz riscos biológicos em estágios avançados em portfólios de interfaces neurais.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização e o avanço de candidatos a eletrodos com ajuste de risco.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em eletroquímica, eletrofisiologia e cirurgia neural.
- Exige acesso a instrumentação analítica para espectroscopia de impedância e registro eletrofisiológico.
- Necessita padronização entre equipes dos protocolos de testes e análise de dados.
- Adaptável a diversos materiais de eletrodos, revestimentos e regiões-alvo neurais.
- Limitações potenciais incluem variabilidade em modelos animais e posicionamento dos eletrodos.
