Методическая статья

Стабилизатор напряжения, циклической вольтамперометрии, и электрического сопротивления спектроскопии для нейронных интерфейсов

DOI:

10.3791/3566

⸱

24 февраля 2012 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
1Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, 2Biomedical Engineering, University of Wisconsin-Madison, 3Biomedical Engineering, University of Michigan , 4Department of Biological Sciences, Purdue University

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Электрод-ткань интерфейс нейронных электродами записи можно охарактеризовать с электрическим сопротивлением спектроскопия (EIS) и циклической вольтамперометрии (CV). Применение напряжения смещения изменения электрохимических свойств электродов ткани интерфейс и может улучшить возможность записи. Напряжение смещения, EIS, CV, и нервные записи друг друга.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Электрическое сопротивление спектроскопия (EIS) и циклической вольтамперометрии (CV) мера свойств электродов ткани интерфейс без дополнительных инвазивных процедур, и может быть использован для мониторинга производительности по сравнению с электродами в долгосрочной перспективе. EIS меры электрического сопротивления на разных частотах, и увеличение сопротивления свидетельствуют о повышении глиальных формирование рубца вокруг устройства, в то время циклической вольтамперометрии измеряет заряд грузоподъемностью электрода, и показывает, как заряд передается на разных уровнях напряжения. Как имплантированных электродов возраста, EIS и резюме данных изменений, а электрод сайтов, которые ранее записанные пики нейроны часто обладают значительно ниже эффективности для нейронных записи. Использование короткого импульса напряжения на электрод имплантированных массивов, известных как омоложение, может вернуть пики активности в противном случае молчать сайтов электрод для определенного периода времени. Омоложение изменяет EIS и резюме, и могут быть проверены на эти дополнительные методы. Как правило, EIS измеряется ежедневно, как указание на ткань ответ на электроде сайта. Если шипы отсутствуют в канале, которые ранее были шипы, то CV используется для определения заряда грузоподъемностью электрода сайте и омоложения может быть применена для улучшения интерфейса эффективность. Резюме и EIS затем повторяется для проверки изменений на электроде ткани интерфейс, и нервные записи собираются. Основной целью омоложения является расширение функциональных жизни имплантировали массивов.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Настройка инструмента электрохимии

  1. Электрохимии приборы, такие как Methrohm Autolab PGSTAT (Утрехт, Нидерланды) необходимо для EIS, резюме и омоложения. FRA2 дополнения позволяет EIS и канальный мультиплексор (MUX) дополнения полезен для тестирования многоканальных электродов.
  2. Построить headstage адаптер для подключения к каналу MUX headstage.
  3. Сделать соединений. Подключите работы и зондирования электродами канал MUX, и подключить счетчик ссылок и электродов со стороны headstage адаптер, подключенный к текущему пути возвращения, как правило, имплантированных из нержавеющей стали или титана кости винтом.

2. Электрическое сопротивление спектроскопии

  1. Запуск анализатора частот (FRA) программного обеспечения и проверки параметров Процедура файл. Порядок должен быть установлен для проверки двух различных сигналов синус каждая из которых состоит из 15 синусов одновременно в пределах от 10 Гц до 30кГц. Приложенное напряжение должно быть 25 мВ или менее (см. дополнительные методы).
  2. Открываем и редактируем файл проекта. В проекте используются процедуры файла, просматривает каждый канал, и сохраняет результат (см. дополнительные методы).
  3. Подключите животное тему с пассивными (не усилители) headstage. Активное headstages не пройдет входных сигналов.
  4. Запустите файл проекта. Каждый канал занимает несколько десятков секунд в зависимости от настроек.
  5. Отображение и интерпретация результатов. Разбор файлов вывода текста с MATLAB (Натик, штат Массачусетс), и сделать сюжет Найквиста. Полукругом на более высоких частотах указывает на ткани ответ.

3. Циклической вольтамперометрии

  1. Начало общего назначения электрохимии системы (GPES) программного обеспечения и проверки параметров Процедура файл. Эта процедура должна быть установлена ​​в местах напряжения 50 мВ / с в пределах гидролиза, которая находится между 0,8 и -0,6 V для типичных нейронных электродных материалов (Pt,Ir, IROX). По меньшей мере три сканирования должна быть запущена для системы для достижения равновесия. Результаты окончательного сканирования сохраняются (см. дополнительные методы). Скорость сканирования может быть увеличена до 1 В / сек сократить время измерения, однако, форма кривой IV, скорее всего, изменится, если скорость сканирования быстрее, чем перенос заряда реакций, протекающих на электроде ткани интерфейс.
  2. Открываем и редактируем файл проекта. В проекте используются процедуры файла, просматривает каждый канал, и сохраняет результат (см. дополнительные методы).
  3. Подключите животное предмет с пассивным headstage.
  4. Запустите файл проекта. Каждый канал занимает около трех минут, в зависимости от настроек. Увеличение скорости сканирования до 1 В / с сокращает время измерения около десяти секунд на канал.
  5. Отображение и интерпретация результатов. Разбор файлов вывода текста с MATLAB, и построить отношения IV. Заряд грузоподъемностью количественно за счет интеграции областикатодного тока в резюме.

4. Омоложение

  1. Начало общего назначения электрохимии системы (GPES) программного обеспечения и проверки параметров Процедура файл. Используя шаги и Зачистки метод, процедура должна быть установлена ​​на шаг напряжение до 1,5 В с продолжительностью 4 секунды (см. дополнительные методы).
  2. Открываем и редактируем файл проекта. В проекте используются процедуры файла, просматривает каждый канал, и сохраняет результат (см. дополнительные методы).
  3. Подключите животное предмет с пассивным headstage.
  4. Запустите файл проекта. Каждый канал занимает около десяти секунд. 4.5) собирать EIS и резюме данных и интерпретации результатов.

5. Представитель Результаты

Типичный рабочий процесс, в том числе записи, EIS, резюме и омоложения, показано на рисунке 1. Записи и EIS собраны наиболее часто (ежедневно или еженедельно) по всем каналам, в то время как резюме иомоложения можно использовать, если пики активности не обнаружено.

EIS изменения в течение нескольких дней или недель после имплантации электродов. Когда EIS данные отображаются в виде участка Найквиста, полукругом на более высоких частотах (около нуля) свидетельствует о реакции тканей на электроде сайта (рис. 2).

CV производит ток-напряжение (IV) кривая некоторые гистерезиса. Наиболее значимые CV статистика заряда грузоподъемность, площадь внутри кривой IV нормированная площадь участка электрод (рис. 3). Электроды с большой емкостью заряда являются предпочтительными для микро-стимуляцию.

Во время омоложения импульс напряжения подается, что обычно приводит к увеличению емкости аккумулятора и снижению величины сопротивления (рис. 3а и б). Пики могут быть восстановлены в каналах, которые ранее были шипы (рис. 4а). В то время как омоложение имеет лишь краткосрочный эффект на сопротивление и сигнал неISE (SNR), этот метод может быть применен в день. Рисунок 4б и показывает ежедневно с пре-и пост-омоложение 1 кГц величина импеданса и SNR данных для 16-канального массива имплантированы в морской свинки мозга. Омоложение имеет надежную влияние на снижение 1 кГц Сопротивление по величине на порядок после каждого применения. В результате восстановления сигналов и низким импедансом, SNR увеличивается после каждой сессии омоложения. В конечном счете, все сигналы были потеряны после 160 дней после имплантации и омоложения уже не эффективны.

figure-protocol-1
Рисунок 1. EIS измеряется после каждой сессии записи. Если не шипы, записанные на канал, который ранее был шипы, и EIS показывает большой компонент ткани, которая возросла с течением времени, то резюме и омоложения пытался на этом канале. EIS и записи, затем используется для определения, если лечение было успешным.


Рисунок 2. EIS данных, отображаемых в заговоре Найквиста электрод сайте сразу же после имплантации (синий), и 4 месяца (зеленый). Каждая точка на графике Найквиста представляет реальную и мнимую сопротивление на одной частоте. Частичное полукругом из-за ткани вокруг места очевидно на более высоких частотах.

figure-protocol-2
Рисунок 3. Резюме и EIS изменения имплантированных электродов оксида иридия до и после обновления. (А) Омоложение увеличивает площадь кривой IV соответствующий повышенным зарядом грузоподъемности. (Б) существенный сдвиг в сопротивление specra к снижению уровней сопротивления, как правило, наблюдаются после омоложения.

figure-protocol-3
Рисунок 4. Эффек.т.н. напряжения смещения на записи и сопротивления. (A) до и после омоложения записи показывают, шипы могут быть восстановлены по каналам, которые ранее были молчать. Ежедневно до и после омоложения приводит к надежной (б) падение в 1 кГц величина импеданса и (C) увеличение SNR примерно 150 дней после операции. Errorbars представляют стандартную ошибку из данных, собранных из 16-канального массива имплантированы в морской свинки мозга.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Нейронные записи протезно системы отображения ограниченные функциональные жизни, как возможность записи уменьшается со временем, после имплантации. Вероятно вклад в уменьшение производительности реактивный ответ ткани имплантировали устройство как компактный глиальные оболочки функционально изолирует посторонний предмет из здоровых тканей 1. Наряду с нервными записи электрохимических измерений (EIS и CV) обычно используются для продольной мониторинг электрода ткани интерфейс 2,3. EIS практически полезными в оценке возможности записи на интерфейсе. Сопротивление быстро возрастает с увеличением времени после имплантации свидетельствует реактивный ответ ткань изменяет электрические свойства интерфейса 3. Кроме того, EIS данные могут быть использованы для моделирования клеточного состава, прилегающих к имплантированных электродов 3-5. Циклической вольтамперометрии могут быть использованы для дальнейшего изучения изменений в записи и EIS. Электрода материала и шероховатости, а также электрохимических реакций и окружающие ткани влияет на форму кривой IV. Большой заряд грузоподъемности, определяется из области кривой IV, как правило, предпочтительнее, особенно для электрических микро-стимуляцию. Низкая емкость заряда часто ассоциируется с повышенным EIS. Потенциала, подаваемого в резюме может сам изменять мощность заряда и EIS, особенно, если напряжение достаточно велико, чтобы вести окислительно-восстановительных реакций.

Подачи напряжения смещения, или омоложения, могут быть использованы с целью повышения пропускной способности заряд, снижая сопротивление и увеличивая число каналов с записанной шипы 5. Окисление, вероятно, происходит на электроде интерфейсом во время омоложения, и иридия материалы, водный монослой оксида образуется в анодных потенциалов 1,2 В 6. Было высказано предположение, что формирование этого монослоя может удалить клеточном и ACELlular материал прилагается к электрода приводит к снижению сопротивления на границе 5. В то время как омоложение может восстановить потерянные нервные сигналы, это наиболее эффективно, если использовать на каналы, которые ранее были спайки в течение нескольких дней до этого. Записи, EIS, CV, и омоложения может быть наилучшим образом использованы в качестве дополнительного инструмента для мониторинга нейронных интерфейсов и улучшения долгосрочных функциональность имплантированных устройств.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Нет конфликта интересов объявлены.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Это исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения (R03DC009339-02, NIDCD) и Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Технологии Управления (МТО), под эгидой доктора Джека В. Джуди (jack.judy @ darpa.mil) в рамках Программы Надежный нейронных технологий, через пространство и Naval Warfare системы Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Тихоокеанского грант № N66001-11-1-4013.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Оборудование Компания Номер по каталогу Комментарии
Электрохимии инструментов Metrohm Autolab PGSTAT128N дополнения: FRA2, канал MUX
Пассивный Headstage Такер-Davis технологии Модель зависит от разъема и число каналов
26-контактный разъем AMP 5749069-2 Адаптер Headstage или заменить соответствующий разъем для headstage
Банан Jacks Конденсаторы J151-ND Headstage адаптер канал Autolab MUX имеет банан

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Szarowski, D. H., Andersen, M. D., Retterer, S., Spence, A. J., Isaacson, M., Craighead, H. G., Turner, J. N., Shain, W. Brain responses to micro-machined silicon devices. Brain Res. 983, 23-35 (2003).
  2. Vetter, R. J., Williams, J. C., Hetke, J. F., Nunamaker, E. A., Kipke, D. R. Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. IEEE Trans. Biomed. Eng. 51, 896-904 (2004).
  3. Williams, J. C., Hippensteel, J. A., Dilgen, J., Shain, W., Kipke, D. R. Complex impedance spectroscopy for monitoring tissue responses to inserted neural implants. J. Neural Eng. 4, 410-423 (2007).
  4. Johnson, M. D., Otto, K. J., Kipke, D. R. Repeated voltage biasing improves unit recordings by reducing resistive tissue impedances. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 13, 160-165 (2005).
  5. Otto, K. J., Johnson, M. D., Kipke, D. R. Voltage pulses change neural interface properties and improve unit recordings with chronically implanted microelectrodes. IEEE Trans. Biomed. Eng. 53, 333-340 (2006).
  6. Pickup, P. G., Birss, V. I. A model for anodic hydrous oxide-growth at iridium. J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Electrical Impedance SpectroscopyCyclic VoltammetryVoltage BiasingNeural Interface MonitoringElectrode Tissue InterfaceCharge Carrying CapacityImpedance Spectroscopy AnalysisVoltage Pulse RejuvenationFrequency Response AnalysisHead Stage Adapter

Похожие статьи