Summary
ويمكن وصف واجهة قطب من الأقطاب الكهربائية الأنسجة العصبية مع تسجيل الطيفي المعاوقة الكهربائية (EIS) ودوري voltammetry (السيرة الذاتية). تطبيق الجهد قدرة تسجيل يتحامل التغييرات خصائص الكهروكيميائية واجهة قطب النسيج وتحسين يمكن. يتحامل التيار الكهربائي، EIS، السيرة الذاتية، والتسجيلات العصبية متكاملان.
Abstract
ويمكن استخدام التحليل الطيفي مقاومة كهربائية (EIS) ودوري voltammetry (CV) خصائص مقياس من واجهة قطب النسيج دون إجراءات إضافية الغازية، ورصد أداء الكهربائي على المدى الطويل. EIS يقيس المعاوقة الكهربائية عند ترددات متعددة، والزيادات في مقاومة تشير إلى زيادة تكوين ندب الدبقية حول الجهاز، في حين voltammetry دوري يقيس تهمة تحمل قدرة القطب الكهربائي، ويشير إلى كيفية نقل المسؤول في مستويات الجهد مختلفة. كما أقطاب كهربائية مزروعة العمر، والسيرة الذاتية EIS تغيير البيانات، ومواقع القطب الذي سبق تسجيله الخلايا العصبية التشويك تظهر في كثير من الأحيان أقل من ذلك بكثير فعالية لتسجيل العصبية. ويمكن تطبيق نبضة الجهد قصيرة لصفائف القطب المزروع، والمعروفة باسم تجديد، اعادة ارتفاعه النشاط على مواقع غير ذلك القطب صامتا لفترة من الزمن. تجديد يغير EIS والسيرة الذاتية، ويمكن رصدها من قبل هذه الأساليب التكميلية. عادة، يتم قياس EIS اليومي، وذلك دلالة على استجابة الأنسجة في موقع القطب. إذا لا وجود طفرات في القناة التي سبق المسامير، ثم يتم استخدام السيرة الذاتية لتحديد المسؤول القدرة على التحمل من موقع القطب، ويمكن تطبيقها تجديد لتحسين فعالية واجهة. وتتكرر بعد ذلك السيرة الذاتية وEIS للتحقق من التغييرات في واجهة الكهربائي في الأنسجة، ويتم جمع التسجيلات العصبية. الهدف العام من تجديد هو توسيع مدى الحياة الوظيفية للصفائف مزروع.
Protocol
1. إعداد الصك كهربية
- وهناك حاجة الأجهزة الكهربائية مثل PGSTAT Autolab Methrohm (أوترخت، هولندا) لنظام المعلومات البيئية، والسيرة الذاتية والتجدد. وFRA2 إضافة على تمكن EIS، ومعدد قناة (MUX) إضافة على غير مفيدة لاختبار متعدد القنوات الأقطاب.
- بناء محول headstage لربط قناة MUX إلى headstage.
- جعل اتصالات. ربط العمل والاستشعار عن بعد الأقطاب الكهربائية إلى القناة MUX، وربط مرجعية وأقطاب كهربائية مضادة لجزء من محول headstage متصلا طريق العودة الحالية، وعادة ما تزرع المسمار عظم الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم.
2. المعاوقة الكهربائية التحليل الطيفي
- بدء محلل استجابة التردد (فرنسا) والبرمجيات، والتحقق من إعدادات ملف الداخلي. وينبغي وضع إجراءات لاختبار 2 متعددة شرط الطول الموجي يتألف كل منها من 15 في وقت واحد الجيوب التي تتراوح من 10 هرتز إلى 30كيلوهرتز. يجب أن يطبق الجهد أن يكون 25 أو أقل بالسيارات (انظر الطرق التكميلية).
- فتح وتحرير ملف المشروع. ويستخدم المشروع ملف الداخلي، حلقات عبر كل قناة، ويوفر النتيجة (انظر الطرق التكميلية).
- ربط موضوع الحيوان مع headstage (لا توجد مكبرات الصوت) المبني للمجهول. وسوف headstages نشط لن تمر إشارات الدخل.
- تنفيذ ملف المشروع. كل قناة يستغرق عشرات ثانية اعتمادا على إعدادات.
- عرض وتفسير النتائج. تحليل ملفات نصية الإخراج مع MATLAB (ناتيك، ماجستير)، وجعل مؤامرة نايكويست. شكل نصف دائرة على ترددات أعلى يشير إلى وجود استجابة الأنسجة.
3. دوري Voltammetry
- بدء كهربية الغرض النظام العام (GPES) والبرمجيات، والتحقق من إعدادات الملف الداخلي. وينبغي وضع إجراءات لاكتساح التيار الكهربائي في 50 بالسيارات / ثانية وذلك في حدود المائي الذي هو بين +0.8 و -0.6 V لنموذجي المواد القطب العصبية (حزب العمال،الأشعة تحت الحمراء، IrOx). يجب تشغيل لا يقل عن ثلاث عمليات التفحص لنظام للوصول إلى التوازن. ويتم حفظ نتائج من الفحص النهائي (انظر الطرق التكميلية). ويمكن زيادة معدل المسح إلى 1 V / S للحد من قياس الوقت، إلا أن شكل المنحنى الرابع سيتغير على الأرجح إذا كان معدل المسح الضوئي أسرع من ردود الفعل ونقل المسؤول عن الذي يحدث في واجهة الكهربائي في الأنسجة.
- فتح وتحرير ملف المشروع. ويستخدم المشروع ملف الداخلي، حلقات عبر كل قناة، ويوفر النتيجة (انظر الطرق التكميلية).
- ربط موضوع الحيوان مع headstage السلبي.
- تنفيذ ملف المشروع. كل قناة يستغرق حوالي ثلاث دقائق اعتمادا على إعدادات. زيادة معدل المسح إلى 1 V / S يقلل من وقت القياس إلى ما يقرب من عشر ثوان لكل قناة.
- عرض وتفسير النتائج. تحليل ملفات نصية الإخراج مع MATLAB، ورسم العلاقة الرابع. وكميا التهمة القدرة على التحمل من خلال دمج منطقةالتيار الكاثودية في السيرة الذاتية.
4. تجديد
- بدء كهربية الغرض النظام العام (GPES) والبرمجيات، والتحقق من إعدادات الملف الداخلي. باستخدام الخطوات وطريقة اعتقالات، يجب تعيين الإجراء لزيادة الجهد الى 1.5 V لمدة 4 ثوان (انظر الطرق التكميلية).
- فتح وتحرير ملف المشروع. ويستخدم المشروع ملف الداخلي، حلقات عبر كل قناة، ويوفر النتيجة (انظر الطرق التكميلية).
- ربط موضوع الحيوان مع headstage السلبي.
- تنفيذ ملف المشروع. كل قناة يستغرق نحو عشر ثوان. 4.5) جمع EIS والسيرة الذاتية البيانات وتفسير النتائج.
5. ممثل النتائج
ويرد سير العمل النموذجي، بما في ذلك تسجيلات، EIS، السيرة الذاتية والتجدد، في الشكل 1. يتم جمع التسجيلات وEIS في معظم الأحيان (يومية أو أسبوعية) عبر جميع القنوات، في حين أن السيرة الذاتية وويمكن استخدام تجديد إذا ارتفاعه نشاط لم تعد قابلة للكشف.
هو مزروع تغيرات EIS على مدى أيام وأسابيع بعد إلكترود. عندما يتم عرض البيانات كما EIS مؤامرة نايكويست، نصف الدائرة على ترددات أعلى (بالقرب من الأصل) يدل على استجابة الأنسجة في موقع القطب (الشكل رقم 2).
السيرة الذاتية تنتج تيارا الجهد (IV) منحنى تظهر بعض التباطؤ. إحصاء السيرة الذاتية الأكثر أهمية هو المسؤول عن القدرة على التحمل، ومنطقة داخل المنحنى الرابع تطبيع من قبل القطب منطقة موقع (شكل 3 أ). ويفضل الأقطاب مع قدرة كبيرة لتهمة الدقيقة التحفيز.
خلال تجديد يتم تطبيق نبضة الجهد الذي ينتج عادة في قدرة تهمة زيادة وانخفاض أحجام مقاومة (الشكل 3A & B). ويمكن أيضا التشويك استعادتها في القنوات التي سبق والتموج، الشكل (4A). في حين تجديد سوى آثار على المدى القصير على مقاومة وإشارة إلى عدم ايسي نسبة (SNR)، يمكن تطبيق هذه التقنية يوميا. رقم 4B & C يظهر يوميا قبل وبعد تجديد مقاومة كيلوهرتز 1 حجم والبيانات SNR لمجموعة وقناة 16 مزروع في غينيا خنزير قشرة. تجديد له تأثير قوي على خفض مقاومة كيلوهرتز 1 حجم بأمر من حجم بعد كل تطبيق. ونتيجة لذلك من الإشارات تعافى وأقل مقاومة، SNR يزيد بعد كل دورة تجديد. في النهاية، قد فقدت كل الإشارات بعد 160 يوما بعد غرس وتجديد شباب لم تعد فعالة.
ويتم قياس الشكل 1. EIS بعد كل جلسة تسجيل. إذا تم تسجيل أي طفرات في القناة التي سبق المسامير، وEIS يظهر عنصر النسيج الكبيرة التي ازدادت على مر الزمن، ثم يتم حاولت السيرة الذاتية والتجدد في هذه القناة. ثم يتم استخدام نظام المعلومات البيئية والتسجيلات لتحديد ما إذا كان العلاج كان ناجحا.
"jove_content"> 
الشكل 2. البيانات EIS المعروضة في مؤامرة نايكويست لموقع الكهربائي مباشرة بعد الزرع (الأزرق)، و 4 أشهر في وقت لاحق (الخضراء). كل نقطة على مؤامرة نايكويست يمثل مقاومة حقيقية وخيالية في وتيرة واحدة. شكل نصف دائرة جزئي بسبب أنسجة حول الموقع هو واضح في ترددات أعلى.
الشكل 3. السيرة الذاتية وEIS التغييرات من إلكترود الايريديوم أكسيد مزروع قبل وبعد التجديد. (أ) تجديد يزيد من مساحة المنحنى الرابع الموافق شحنة زيادة القدرة على التحمل. (ب) ويلاحظ عموما تحولا كبيرا في مقاومة specra إلى انخفاض مستويات مقاومة بعد تجديد.
الشكل 4. EFFEسنت من الجهد يتحامل على التسجيلات ومقاومة. (أ) قبل وبعد تجديد التسجيلات تظهر يمكن استردادها المسامير على القنوات التي كانت سابقا صامت. يوميا قبل وبعد تجديد النتائج في انخفاض (B) قوي في 1 كيلو هرتز حجم مقاومة و (ج) زيادة في دائرة الاستخبارات الوطنية لما يقرب من 150 يوما بعد الجراحة. Errorbars تمثل الخطأ المعياري من البيانات التي تم جمعها من مجموعة من 16 قناة مزروع في غينيا خنزير قشرة.
Discussion
العصبية تسجيل النظم الاصطناعية عرض محدود مدى الحياة الوظيفية والقدرة على تسجيل تدريجيا مع مرور الوقت في مرحلة ما بعد الزرع. المساهم المحتمل أن أداء تناقص هو استجابة الأنسجة على رد الفعل إلى الجهاز المزروع كما غمد المدمجة الدبقية يعزل وظيفيا لجسم غريب من الأنسجة السليمة 1. جنبا إلى جنب مع تسجيل العصبية، وعادة ما تستخدم القياسات الكهروكيميائية (EIS والسيرة الذاتية) لرصد طولي من واجهة قطب النسيج 2،3. EIS مفيد عمليا في تقييم قدرة تسجيل واجهة. مقاومة يزيد بسرعة مع مرور الوقت بعد غرس يشير الى ان رد الفعل استجابة الأنسجة يغير الخصائص الكهربائية واجهة 3. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام بيانات نظام المعلومات البيئية في تصميم نموذج لتكوين الخلايا المجاورة للقطب كهربائي مزروع 3-5. ويمكن استخدام voltammetry دوري للتحقيق مزيد من التغييرات في التسجيلات وEIS. وإلكترونياتقصيدة المادية وخشونة، وكذلك ردود الفعل الكهروكيميائية والأنسجة المحيطة بها تؤثر في شكل المنحنى الرابع. ويفضل عادة تهمة كبير القدرة على التحمل، تحديد من منطقة المنحنى الرابع، وخاصة لتحفيز الصغيرة الكهربائية. وكثيرا ما يرتبط انخفاض سعة الشحن مع زيادة EIS. قد إمكانات تطبيقها خلال السيرة الذاتية في حد ذاته تغير قدرة تهمة وEIS، وخاصة إذا كان الجهد طائفة كبيرة بما يكفي لدفع تفاعلات الأكسدة والاختزال.
تطبيق يتحامل التيار الكهربائي أو تجديد، ويمكن استخدامها مع الغرض من تهمة زيادة القدرة على التحمل، وخفض مقاومة، وزيادة عدد قنوات مع ارتفاع المسجلة 5. الأكسدة يحدث على الأرجح في واجهة الكهربائي خلال تجديد، وبمواد الايريديوم وهو أحادي الطبقة أكسيد مائي يشكل في إمكانات انوديك من 1.2 V 6. وقد اقترح أن تشكيل هذه قد تؤدي الى ازالة أحادي الطبقة الخلوية وacelمادة lular تعلق على قطب كهربائي مما أدى إلى انخفاض مقاومة في ال 5 واجهة. في حين يمكن استرداد فقدت تجديد الإشارات العصبية، هو الأكثر فعالية إذا ما استخدمت على القنوات التي سبق المسامير في غضون بضعة أيام قبل. يمكن أفضل التسجيلات، EIS، السيرة الذاتية، وتجديد شباب استخدامها كأدوات تكميلية في مراقبة واجهة العصبية وتحسين وظائف على المدى الطويل من الأجهزة مزروع.
Disclosures
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
وأيد هذا البحث من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R03DC009339-02، NIDCD) ومتقدمة الدفاع وكالة مشاريع البحوث (داربا) مايكروسيستمز التكنولوجيا مكتب (MTO)، تحت رعاية الدكتور جورج جودي جاك (jack.judy @ darpa.mil) كجزء من برنامج تكنولوجيا العصبية يمكن الاعتماد عليها، من خلال الفضاء والحرب البحرية نظم القيادة (SPAWAR) نظم مركز (SSC) المحيط الهادي منحة رقم 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).
