Summary
Den elektrod-vävnadsgränssnittet av neurala registrerande elektroder kan karakteriseras med elektrisk impedans spektroskopi (EIS) och cyklisk voltametri (CV). Anbringandet av en spänning förspänna förändringar de elektrokemiska egenskaperna hos elektrod-vävnadsgränssnittet och kan förbättra inspelningskapacitet. Spänning förspänning, EIS, CV, och neurala inspelningar kompletterar varandra.
Abstract
Elektriska impedansen spektroskopi (EIS) och cyklisk voltametri (CV) mäter egenskaperna hos elektrod-vävnadsgränssnittet utan ytterligare invasiva procedurer, och kan användas för att övervaka elektrodens prestanda på lång sikt. EIS mäter elektriska impedansen på flera frekvenser, och ökar i impedans indikerar ökat glial ärrbildning runt enheten, medan cyklisk voltammetri mäter laddningen bärförmåga elektroden och anger hur laddning överförs på olika spänningsnivåer. Som implanterade elektroder ålder, miljökonsekvensbeskrivning och CV uppgifter förändring och webbplatser elektrod som tidigare spelats in standardtillsatser nervceller uppvisar ofta betydligt lägre effekt för neural inspelning. Tillämpningen av en kort spänningspuls till implanterade elektroder arrayer, så kallade föryngring, kan få tillbaka tillsatta aktiviteten i övrigt tysta elektrodställena för en tid. Föryngring förändrar EIS och CV, och kan följas med dessa kompletterande metoder. Normalt är EIS mäts dagligen som en indikation på vävnaden svar vid elektroden platsen. Om spikar är frånvarande i en kanal som tidigare haft spikar, så CV används för att bestämma avgiften bärförmåga elektroden webbplatsen och föryngring kan tillämpas för att förbättra gränssnittet effekt. CV och EIS sedan upprepas för att kontrollera förändringar på elektrod-vävnaden gränssnitt och neurala inspelningar samlas. Det övergripande målet för föryngring är att utvidga den funktionella livslängden av implanterade matriser.
Protocol
1. Ställ in Elektrokemi instrumentet
- Elektrokemi instrumentering såsom en Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, Nederländerna) är nödvändig för EIS, CV och föryngring. Den FRA2 add-on möjliggör EIS, och kanalen multiplexer (MUX) add-on är användbar för att testa flera kanaler elektroder.
- Bygg en huvudsteg adapter för att ansluta kanalen MUX till huvudsteg.
- Gör anslutningarna. Anslut arbets-och avkänningselektroder till kanalen MUX, och anslut referens-och motelektroderna till den del av huvudsteg adaptern är ansluten till returkretsen, typiskt en implanterad rostfritt stål eller titan benskruv.
2. Elektrisk Impedans Spektroskopi
- Starta Frekvensomfång Analyzer (FRA) mjukvara och kontrollera inställningarna Procedur fil. Förfarandet bör sättas för att testa två multi-sine vågformer vardera bestående av 15 Sines samtidigt från 10 Hz till 30kHz. Den pålagda spänningen ska vara 25 mV eller lägre (se kompletterande metoder).
- Öppna och redigera Project-fil. Projektet använder förfarandet filen loopar igenom varje kanal, och sparar resultatet (se kompletterande metoder).
- Anslut djurpatient med ett passivt (inga förstärkare) huvudsteg. Aktiva headstages kommer inte att vidarebefordra insignaler.
- Kör Project-fil. Varje kanal tar tiotals sekunder beroende på inställningar.
- Visa och tolka resultat. Analysera de filer utgående text med MATLAB (Natick, MA), och gör en Nyquist tomt. En halvcirkel vid högre frekvenser indikerar en vävnadssvar.
3. Cyklisk voltametri
- Starta General Purpose Elektrokemi System (GPES) mjukvara och kontrollera inställningarna Procedur fil. Förfarandet ska vara inställd på sopa spänningen vid 50 mV / s inom ramen för hydrolys som är mellan 0,8 och -0,6 V för typiska neurala elektrodmaterial (Pt,Ir, IrOx). Åtminstone tre avsökningar bör köras för att systemet skall nå jämvikt. Resultaten från den slutliga skanningen sparas (se kompletterande metoder). Skanningen kan ökas till 1 V / s för att minska mättid, men kommer formen på IV kurvan sannolikt förändras om avsökningshastighet är snabbare än de reaktioner laddningsöverföringar inträffar vid elektrod-vävnad.
- Öppna och redigera Project-fil. Projektet använder förfarandet filen loopar igenom varje kanal, och sparar resultatet (se kompletterande metoder).
- Anslut djurpatient med en passiv huvudsteg.
- Kör Project-fil. Varje kanal tar ungefär tre minuter beroende på inställningar. Öka avsökningshastighet till 1 V / s minskar mättiden till ca tio sekunder per kanal.
- Visa och tolka resultat. Analysera de filer utgående text med MATLAB och plotta IV relationen. Den laddningsbärande förmåga kvantifieras genom integrering av areanav katodströmmen i CV.
4. Föryngring
- Starta General Purpose Elektrokemi System (GPES) mjukvara och kontrollera inställningarna Procedur fil. Med hjälp av stegen och sveper metod, bör förfarandet ställas till steg spänningen till 1,5 V under en tid av 4 sekunder (se kompletterande metoder).
- Öppna och redigera Project-fil. Projektet använder förfarandet filen loopar igenom varje kanal, och sparar resultatet (se kompletterande metoder).
- Anslut djurpatient med en passiv huvudsteg.
- Kör Project-fil. Varje kanal tar ungefär tio sekunder. 4,5) Samla miljökonsekvensbeskrivningen och CV data och tolka resultat.
5. Representativa resultat
Ett typiskt arbetsflöde, inklusive inspelningar, EIS, CV och föryngring, visas i figur 1. Inspelningar och EIS samlas oftast (dagligen eller varje vecka) i alla kanaler, medan CV ochföryngring kan användas om tillsatta verksamheten inte längre är detekterbar.
EIS förändringar under loppet av dagar till veckor efter en elektrod är implanterad. När MKB data visas som en Nyquist tomt, en halvcirkel vid högre frekvenser (nära origo) är ett tecken på vävnaden svar vid elektroden platsen (figur 2).
CV alstrar en ström-spännings-(IV) kurva som visar några hysteres. Den mest relevanta CV statistik är avgiften bärkraft, området innanför IV kurvan normaliseras genom elektroden områdets yta (Fig. 3 a). Elektroder med stor laddningskapacitet är att föredra för mikro-stimulering.
Under föryngring en spänningspuls tillämpas som vanligtvis resulterar i ökad laddningskapacitet och minskad impedans storheter (figur 3a & b). Tillsatta kan också återställas i kanaler som tidigare haft spikar (figur 4a). Även föryngring har bara kortsiktiga effekter på impedans och signal-till-noise-förhållande (SNR), kan denna teknik appliceras dagligen. Figur 4b & c visar dagligen före och efter föryngring 1 kHz impedans storlek och SNR data för ett 16 kanals uppsättning implanteras i marsvin cortex. Föryngring har en robust effekt på att sänka den 1 storleken kHz impedans med en storleksordning efter varje applikation. Som ett resultat av återvunna signaler och lägre impedans ökar SNR efter varje föryngring session. I slutändan var alla signaler förlorade efter 160 dagar efter implantation och föryngring inte längre var effektiv.
Figur 1. MKB mäts efter varje inspelning. Om inga spikar registreras på en kanal som tidigare haft spikar och EIS visar en stor vävnad komponent som har ökat över tid, då CV och föryngring prövas på denna kanal. EIS och inspelningar används sedan för att avgöra om behandlingen var framgångsrik.
Figur 2. EIS data som visas i en Nyquist-diagram av en elektrod-ställe omedelbart efter implantation (blå) och 4 månader senare (grönt). Varje punkt på Nyquist-diagram representerar den reala och imaginära impedans vid en enda frekvens. En partiell halvcirkel på grund av vävnaden runt området är uppenbar vid högre frekvenser.
Figur 3. CV och EIS förändringar en implanterad iridiumoxid elektrod före och efter-föryngring. (A) föryngring ökar området av IV kurvan motsvarar en ökad kostnad bärförmåga. (B) En betydande förändring i impedansen specra till lägre impedans nivåer i allmänhet observeras efter föryngring.
Figur 4. Effects av spänning förspänning på inspelningar och impedans. (A) före och efter föryngring inspelningar visar spikar kan återvinnas på kanaler som tidigare hade varit tyst. Daglig före och efter föryngring resulterar i en robust (B) minskade 1 kHz impedans storlek och (C) ökning i SNR för cirka 150 dagar efter operationen. Errorbars representerar standardfel från data som samlats in från ett 16-kanals uppsättning implanteras i marsvin cortex.
Discussion
Neurala inspelning protetiska system uppvisar en begränsad funktionell livstid som inspelningen anlagen minskar med tiden efter implantation. Den sannolika bidraget till att minska prestanda är den reaktiva vävnaden på den implanterade enheten som en kompakt glia mantel funktionellt isolerar det främmande föremålet från frisk vävnad 1. Tillsammans med neural inspelning är elektrokemiska mätningar (EIS och CV) som normalt används för longitudinell övervakning av elektrod-vävnaden gränssnittet 2,3. EIS är praktiskt användbar vid bedömningen av inspelningen anlagen av gränssnittet. Impedansen ökar snabbt med tiden efter implantation antyder den reaktiva vävnadssvaret förändrar de elektriska egenskaperna hos gränsytan 3. Dessutom kan EIS data användas för att modellera den cellulära sammansättningen i anslutning till den implanterade elektroden 3-5. Cyklisk voltammetri kan användas för att ytterligare undersöka förändringar i inspelningar och EIS. Den elekode material och grovhet och de elektrokemiska reaktionerna och den omgivande vävnaden påverka formen av IV-kurvan. Stor laddning bärförmåga, bestämdes från det område av IV kurvan, är vanligtvis föredraget, speciellt för elektrisk mikro-stimulering. Låg laddningskapacitet är ofta förknippat med ökad EIS. Potentialen tillämpas under CV kan själv förändra laddningskapacitet och EIS, särskilt om spänningen är stort nog att köra redoxreaktioner.
Tillämpningen av spänning förspännande eller föryngring, kan användas i syfte att öka laddningen bärkraft, minskar impedans, och öka antalet kanaler med inspelade spikar 5. Oxidation är sannolikt inträffar vid elektroden gränssnittet under föryngring och med iridium material bildar en vattenhaltig oxid monolager vid anodiska potentialer 1,2 V 6. Det har föreslagits att bildandet av denna cellslager kan ta cell-och acellular material ansluten till elektroden resulterar i lägre impedans vid gränsytan 5. Även föryngring kan återställa förlorade neurala signaler, är det mest effektiva om de används på kanaler som tidigare hade spikar inom några dagar tidigare. Inspelningar, EIS, CV och föryngring kan bäst användas som kompletterande verktyg i övervakningen neurala gränssnitt och förbättra den långsiktiga funktionen hos implanterade enheter.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Denna forskning stöds av National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD) och av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), under ledning av Dr Jack W. Judy (jack.judy @ darpa.mil) som en del av de pålitliga Neural Technology Program, genom Space and Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) System Center (SSC) Pacific bidrag nr N66001-11-1-4013.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Electrochemistry Instrument | Metrohm Autolab | PGSTAT128N | add-ons: FRA2, channel MUX |
| Passive Headstage | Tucker-Davis Technologies | model depends on connector and channel count | |
| 26-pin female connector | AMPI | 5749069-2 | Headstage Adapter Or substitute appropriate connector for your headstage |
| Banana Jacks | Digi-Key | J151-ND | Headstage Adapter The Autolab channel MUX has banana plugs |
| null | |||
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Pickup, P. G., Birss, V. I. A model for anodic hydrous oxide-growth at iridium. J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).
