Метод систематической электрохимический и электрофизиологические оценки нейронных регистрирующих электродов
3 марта 2014 г.
Различные электродные покрытия влияет нейронной производительность записи путем внесения изменений в электрохимические, химические и механические свойства. Сравнение электродов в пробирке является относительно простым, однако сравнение ответа в естественных условиях, как правило, осложняется изменений в расстоянии электрод / нейронов и между животными. Эта статья предусматривает надежный метод для сравнения нейронных электроды записи.
Общая цель данной процедуры заключается в надежном определении наилучшего электрода для острой нейронной регистрации. Это достигается путем предварительной модификации голых электродов, в данном случае посредством осаждения органических проводящих полимеров. Вторым этапом является тестирование свойств покрытий in vitro.
Затем электроды устанавливают в модель крысы для проведения острой нейронной регистрации. Заключительным этапом является повторное тестирование электродов in vitro для определения их биостабильности. В конечном итоге для определения ключевых химических и физических свойств нейронных имплантатов используется сравнение различных электродов с помощью ряда аналитических методов, включая электрофизиологию и электрохимию.
Данный метод поможет ответить на ключевые вопросы при разработке новых интерфейсов «мозг-компьютер», например, какие основные свойства электродов могут улучшить соотношение сигнал/шум и биостабильность. Сайм и Морган будут помогать мне в выполнении этой процедуры. Начните выполнение процедуры с анестезии крысы путем внутрибрюшинного введения уретана.
Убедитесь в наступлении анестезии, проверив наличие рефлекса отдергивания лапы при сжатии пальца. Если анестезия недостаточна, следует ввести дополнительные дозы уретана. Затем выбрейте шерсть на голове крысы.
Поместите животное в положение на животе на гомеотермическую пластину. Затем введите ректальный датчик для поддержания температуры гомеотермической пластины на уровне 37.5 °C. После этого установите один ушной фиксатор примерно в предполагаемое конечное положение в стереотаксической раме и отрегулируйте положение животного так, чтобы ушной фиксатор находился в наружном слуховом проходе.
Затем выровняйте вторую ушную планку и вставьте ее в противоположный наружный слуховой проход. После этого расположите животное таким образом, чтобы ушные планки были соосны с зубным держателем. Раскройте челюсть животного с помощью зубных щипцов для крыс.
Зацепите верхние резцы за зубной держатель и зафиксируйте нос зажимом. Затем сделайте надрез кожи головы примерно в одном миллиметре справа от срединной линии, на расстоянии от 10 мм рострально до 10 мм каудально от лямбды, и раздвиньте кожу и мышцы латерально от места разреза.
Чтобы обнажить теменные и межтеменные кости, очистите поверхность открытой кости с помощью 20% раствора перекиси водорода и марлевого тампона под микроскопом. Просверлите в межтеменной кости отверстие площадью примерно три квадратных миллиметра как можно ближе к лямбде и срединной линии. Промойте отверстие стерильным физраствором, чтобы удалить костную пыль или фрагменты, которые могут повредить электрод.
После этого выполните разрез ниже загривка, используя тупоконечные ножницы. Для создания полости оберните серебряно-хлоридную проволоку ватой и смочите её физиологическим раствором. Затем введите электрод сравнения в образовавшуюся полость.
Затем сделайте разрез твердой мозговой оболочки в сагиттальной плоскости. С помощью кончика иглы закрепите массив электродов в электроманипуляторе. После этого отрегулируйте его положение над отверстием под углом 19 градусов по Росу.
Вручную введите электрод примерно на два миллиметра в мозг в направлении к нижнему коликкулю. Затем закрепите динамик на левом ушном зажиме. Убедитесь, что усилитель включен.
После этого закройте дверь регистрационной камеры. Теперь подавайте вспышки белого шума. Максимальная частота подачи вспышек должна составлять одну вспышку каждые 200 milliseconds.
Одновременно с этим контролируйте активность на каждом электроде с помощью моторизованного микроманипулятора. Медленно вводите электродную матрицу до тех пор, пока на трех самых дистальных электродах каждого стержня не будет зафиксирована активность, вызванная акустическим воздействием. Затем проведите протокол акустической стимуляции, используя 300 повторений 50 миллисекундных всплесков белого шума с частотой повторения один секунда при интенсивности 70 децибел, и запишите многоединичную активность на каждом электроде с частотой дискретизации 24.4 килогерц.
Медленно введите электродную матрицу еще на 200 микрон в нижнее двухолмие, чтобы расположить каждый электрод примерно в том же положении, в котором находился более дистальный электрод в исходной точке записи. Затем повторите протокол акустической стимуляции и нейронной записи. Продолжайте вводить электродную матрицу шагами по сто микрон, выполняя протокол акустической стимуляции и нейронной записи до тех пор, пока все электроды не зафиксируют активность, вызванную акустическим воздействием, как минимум в трех позициях.
После этого выводите электродную матрицу шагами по 200 micron и продолжайте выполнять протокол акустической стимуляции и регистрации нейронной активности до тех пор, пока матрица не вернется в исходное положение. Затем осторожно извлеките электродную матрицу вручную. В ходе данной процедуры аккуратно промойте электродную матрицу дистиллированной водой для удаления возможных загрязнений.
Затем подключите электродную матрицу к потенциостату. Осторожно поместите электродную матрицу в тестовый раствор и зафиксируйте её зажимом. Далее с помощью потенциостата подключите вспомогательный и электрод сравнения к потенциостату.
Выполните последовательную электрохимическую импедансную спектроскопию и циклическую вольтамперометрию для всех электродов. Между тестами выдерживайте интервал покоя продолжительностью одну секунду. Все 32 электрода должны находиться в контакте с раствором в течение всего сеанса тестирования длительностью один час.
После этого извлеките электродную матрицу из тестового раствора и осторожно промойте ее деионизированной водой. Поместите электродную матрицу в раствор для ферментативной очистки на 24 часа. Затем повторите эти процедуры еще раз, после чего поместите зонд в сухой защитный контейнер для хранения, чтобы предотвратить повреждение и деградацию поверхности электрода.
На этом рисунке представлена гистограмма пеristимульного времени, измеренная на каждом электроде и усредненная по 300 повторениям при интенсивности 70 дБ белого шума и глубине введения 0 мкм и 800 мкм в нижний холм. Электроды с покрытием отмечены звездочкой; на данном рисунке также представлены потоковые данные, измеренные на каждом электроде при воздействии вспышек белого шума интенсивностью 70 дБ при глубине введения 0 мкм и 800 мкм в нижний холм. Кодированные электроды отмечены звездочкой.
Здесь показано отношение сигнал/шум при введении и извлечении электродной матрицы из нижнего двухолмия. 70 децибел. Белый шум на репрезентативном электроде без покрытия обозначен пунктирной линией, а электрод с покрытием из проводящего полимера — сплошной линией; здесь представлены различные уровни звукового давления от 40 до 70 децибел на электроде с покрытием из проводящего полимера при следовании данному протоколу.
Для изучения различных типов белков, адсорбирующихся на поверхности электрода, а также влияния различных материалов на этот процесс, могут быть применены другие методы, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и масс-спектрометрия.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен метод оценки различных покрытий электродов, используемых при регистрации нейронной активности. Рассматривается влияние этих покрытий на электрохимические, химические и механические свойства, а также обсуждаются сложности проведения сравнений in vivo.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Электрофизиология
- Нейронная инженерия
Теоретические основы
- Покрытия электродов могут существенно влиять на эффективность регистрации нейронной активности.
- Сравнения in vitro просты в исполнении, тогда как оценки in vivo затруднены.
- Понимание этих различий имеет решающее значение для совершенствования нейронных имплантатов.
- Данное исследование посвящено систематическому подходу к оценке электродов.
Цель исследования
- Определить оптимальный электрод для острого нейронного регистрирования.
- Оценить влияние органических проводящих полимерных покрытий на электроды.
- Сравнить характеристики электродов с помощью различных аналитических методов.
Используемые методы
- Модификация незащищенных электродов органическими проводящими полимерами.
- Тестирование свойств электродов in vitro.
- Острая нейронная регистрация на модели крысы.
- Повторное тестирование электродов in vitro для проверки биостабильности.
Основные результаты
- Сравнение различных электродов выявило ключевые различия в их рабочих характеристиках.
- Электрофизиологический и электрохимический анализы позволили получить представление о свойствах электродов.
- Модификации покрытия привели к изменениям качества регистрируемых сигналов.
- Результаты in vivo подчеркнули важность расстояния между электродом и нейроном.
Выводы
- Данное исследование предлагает надежный метод оценки нейронных регистрирующих электродов.
- Полученные результаты могут быть использованы при разработке усовершенствованных нейронных имплантатов.
- Будущие исследования должны быть сосредоточены на оптимизации конструкции электродов для повышения их эффективности.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Систематическая электрохимическая и электрофизиологическая оценка регистрирующих нейронных электродов восполняет критический пробел в рациональном подборе имплантатов и оптимизации материалов для исследований и разработок в области нейротехнологий. Путем корреляции показателей эффективности in vitro и in vivo данный протокол повышает прогностическую достоверность при проектировании электродов и обосновывает решения по снижению рисков при разработке нейроинтерфейсов. Такой подход позволяет исследовательским группам отдавать приоритет наиболее перспективным вариантам электродов на основе количественных, воспроизводимых данных, имеющих значение для трансляционных и доклинических разработок.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичное открытие и валидация мишени
- Позволяет исследовать свойства материалов электродов, которые влияют на точность нейронного сигнала и биостабильность.
- Обеспечивает функциональную проверку конструкций электродов посредством прямого измерения отношения сигнал/шум и импеданса.
- Способствует снижению механистических рисков за счет изоляции переменных материала и конструкции в контролируемых условиях.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает стандартизированные рабочие процессы тестирования in vitro и in vivo для сравнительной оценки электродов.
- Позволяет получать воспроизводимые количественные данные, такие как спектры импеданса и электрофизиологические записи.
- Обеспечивает возможность масштабируемого скрининга новых материалов и покрытий электродов для последующего использования в нейротехнологических платформах.
Трансляционные и доклинические исследования
- Согласует показатели эффективности электродов с требованиями к регистрации нейронной активности, актуальными для конкретных заболеваний.
- Обеспечивает преемственность процессов — от оценки материалов на этапе открытия до доклинической валидации нейроинтерфейсов.
- Снижает трансляционный риск путем корреляции ответов электродов in vitro и in vivo.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный протокол объединяет этапы от раннего поиска до идентификации перспективных соединений и доклинической валидации в разработке нейронных интерфейсов.
- Открывательная биология: Количественное тестирование свойств электродов позволяет обоснованно подбирать материалы на основе гипотез и уточнять пути реализации.
- Скрининг: Стандартизированные анализы импеданса и электрофизиологические тесты обеспечивают воспроизводимое сравнение различных вариантов электродов.
- Аналитика: Обеспечивает точные измерения отношения сигнал/шум и импеданса для принятия решений на основе данных.
- Трансляционные исследования: Сопоставление данных in vitro и in vivo для обеспечения преемственности на доклиническом этапе и согласования биомаркеров.
- Повторное использование в организации: Адаптируемый протокол поддерживает оценку различных материалов и конструкций электродов в рамках разных проектов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает точность прогнозирования и снижает неопределенность механизмов при выборе электрода.
- Операционная ценность: стандартизирует тестирование, улучшает воспроизводимость и обеспечивает возможность масштабируемого скрининга электродов.
- Стратегическая ценность: позволяет принимать обоснованные решения о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и снижает биологические риски на поздних этапах в портфелях нейроинтерфейсов.
- Влияние на портфель: способствует приоритизации и продвижению кандидатов в электроды с учетом оценки рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области электрохимии, электрофизиологии и нейрохирургии.
- Необходим доступ к аналитическому оборудованию для импедансной спектроскопии и электрофизиологической регистрации.
- Необходима межкомандная стандартизация протоколов тестирования и анализа данных.
- Метод применим к различным электродным материалам, покрытиям и целевым областям нейронных структур.
- Потенциальные ограничения включают вариабельность животных моделей и позиционирования электродов.
