Summary
Elektrode-vævsgrænseflade af neurale registrerende elektroder kan karakteriseres med elektrisk impedans spektroskopi (EIS) og cyklisk volt-amperemetri (CV). Påtrykning af spænding forspænding ændrer elektrokemiske egenskaber af elektroden-vævsgrænseflade og kan forbedre optagelsen evne. Spænding påvirke, EIS, CV, og neurale optagelser er komplementære.
Abstract
Elektrisk impedans spektroskopi (EIS) og cyklisk volt-amperemetri (CV) måler egenskaber elektrode-vævsgrænseflade uden yderligere invasive procedurer og kan anvendes til at overvåge elektrode resultater på langt sigt. EIS måler elektrisk impedans ved flere frekvenser, og stigninger i impedans indikerer forøget glial ardannelse rundt om anordningen, medens cyklisk voltammetri måler ladning bæreevne af elektroden, og angiver hvorledes ladning overføres på forskellige spændingsniveauer. Som implanterede elektroder alder, EIS og CV data forandringer, og elektrode websteder, der tidligere har indspillet standardtilsætningsforsøg neuroner ofte udviser signifikant lavere effekt for neurale optagelse. Anvendelsen af en kort spændingspuls implanterede elektrode arrays, der er kendt som foryngelse, kan bringe tilbage spiking aktivitet på ellers tavse elektrodestederne for en periode. Foryngelse ændrer EIS og CV, og kan overvåges af disse komplementære metoder. Typisk EIS målt dagligt som en indikation af vævsrespons på elektroden site. Hvis spidser er fraværende i en kanal, der tidligere havde pigge, derefter CV anvendes til at bestemme ladningen bæreevne elektroden site, og foryngelse kan anvendes til at forbedre kontakten virkning. CV og EIS gentages derefter for at kontrollere ændringer i elektrode-vævsgrænseflade, og neurale optagelser opsamles. Det overordnede mål for foryngelse er at forlænge den funktionelle levetid implanterede arrays.
Protocol
1. Opsæt Elektrokemi instrumentet
- Elektrokemi instrumentering såsom et Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, NL) er nødvendig for EIS, CV og foryngelse. Den FRA2 add-on giver EIS, og kanalen multiplexer (MUX) add-on er nyttigt til test multi-kanal elektroder.
- Byg et hovedtrin adapter til at tilslutte kanalen MUX til hovedtrin.
- Foretag de tilslutninger. Tilslut arbejde og følerelektroder til kanalen MUX, og tilslut reference og modelektroder til den del af hovedtrin adapteren tilsluttet strømmens returvej, typisk en implanteret i rustfrit stål eller titanium knogleskrue.
2. Elektrisk impedans Spektroskopi
- Start Frekvensgang Analyzer (FRA) software, og verificere metoden filindstillinger. Proceduren bør sættes til at teste to multi-sinus kurver hver består af 15 Sines samtidig spænder fra 10 Hz til 30kHz. Den anvendte spænding skal være 25 mV eller mindre (se supplerende metoder).
- Åbne og redigere Project-fil. Projektet anvender proceduren filen, sløjfer gennem hver kanal, og gemmer resultatet (se supplerende metoder).
- Tilslut dyr emne med en passiv (ingen forstærkere) hovedtrin. Aktive headstages vil ikke videregive indgangssignaler.
- Udføre projektet filen. Hver kanal tager ti sekunder, afhængigt af indstillinger.
- Display og fortolke resultatet. Parse output tekstfiler med MATLAB (Natick, MA), og gøre en Nyquist plot. En halvcirkel ved højere frekvenser angiver en vævsreaktion.
3. Cyklisk voltammetri
- Start General Purpose Elektrokemi System (GPES) software, og verificere metoden filindstillinger. Proceduren bør sættes til at feje spændingen ved 50 mV / s inden for rammerne af hydrolyse, der er mellem 0,8 og -0,6 V for typiske neurale elektrode materialer (Pt,IR IROX). Mindst tre scanninger skal køres for at systemet kan nå ligevægt. Resultaterne fra den endelige scanning gemmes (se supplerende metoder). Scanningen kan øges til en V / s for at reducere måletiden, men vil formen af IV kurven vil ændres, hvis skanningshastigheden er hurtigere end den charge transfer reaktioner forekommer ved elektrode-vævsgrænsefladen.
- Åbne og redigere Project-fil. Projektet anvender proceduren filen, sløjfer gennem hver kanal, og gemmer resultatet (se supplerende metoder).
- Tilslut dyr emne med en passiv hovedtrin.
- Udføre projektet filen. Hver kanal tager omkring tre minutter, afhængigt af indstillingerne. Forøgelse af scanningshastighed til 1 V / s reducerer måling tid til cirka ti sekunder per kanal.
- Display og fortolke resultatet. Parse output tekstfiler med MATLAB, og plotte IV forholdet. Ladningen bæreevne er kvantificeret ved at integrere arealetaf den katodiske aktuelle i CV.
4. Foryngelse
- Start General Purpose Elektrokemi System (GPES) software, og verificere metoden filindstillinger. Brug af Trin og fejer metode, bør proceduren sættes til trin spændingen til 1,5 V for en varighed på 4 sekunder (se supplerende metoder).
- Åbne og redigere Project-fil. Projektet anvender proceduren filen, sløjfer gennem hver kanal, og gemmer resultatet (se supplerende metoder).
- Tilslut dyr emne med en passiv hovedtrin.
- Udføre projektet filen. Hver kanal tager omkring ti sekunder. 4,5) Saml EIS og CV data og fortolke resultater.
5. Repræsentative resultater
En typisk arbejdsgang, herunder optagelser, EIS, CV og foryngelse, er vist i figur 1. Optagelser og EIS indsamles hyppigst (dagligt eller ugentligt) på tværs af alle kanaler, mens CV ogforyngelse kan anvendes, hvis spiking aktivitet ikke længere er detekterbar.
EIS ændringer i løbet af dage eller uger efter en elektrode implanteret. Når EIS data vises som en Nyquist plot, en halvcirkel ved højere frekvenser (nær oprindelse) er indikativ for vævsrespons på elektroden site (figur 2).
CV producerer en strøm-spænding (IV) kurve, der viser nogle hysterese. Den mest relevante CV statistik er ladningen bæreevne, det indvendige areal IV kurven normaliseret ved elektroden grundareal (figur 3 a). Elektroder med stor ladning kapacitet foretrækkes for mikro-stimulation.
Under foryngelse en spænding påtrykkes, der normalt resulterer i øget opladningskapacitet og faldt impedans størrelser (figur 3a og b). Spiking kan også gendannes i kanaler, der tidligere har haft pigge (Figur 4a). Mens foryngelse har kun kortvarige virkninger på impedans og signal-til-nejise-forhold (SNR), kan denne teknik anvendes dagligt. Figur 4b & c viser daglig præ-og post-foryngelse 1 kHz impedans størrelsesorden og SNR data for en 16-kanals række implanteret i marsvin cortex. Foryngelse har en robust effekt på en sænkning af 1 kHz impedansen størrelsesorden af en størrelsesorden efter hver anvendelse. Som et resultat af gendannede signaler og lavere impedans, stiger SNR efter hver foryngelse session. I sidste ende blev alle signaler tabt efter 160 dage efter implantation og foryngelse var ikke længere effektiv.
Figur 1. EIS måles efter hver optagelse. Hvis ingen pigge er registreret på en kanal, der tidligere har haft pigge, og EIS viser en stor væv komponent, der er steget over tid, så CV og foryngelse er prøvet på denne kanal. EIS og optagelser anvendes derefter til at bestemme, om behandlingen var vellykket.
Figur 2. EIS data, der vises i en Nyquist afbildning af en elektrode-sted umiddelbart efter implantation (blå) og 4 måneder senere (grøn). Hvert punkt på Nyquist plot repræsenterer reelle og imaginære impedans ved en enkelt frekvens. En delvis halvcirkel grund vævet omkring site er tydelig ved højere frekvenser.
Figur 3. CV og EIS ændringer af en implanteret iridiumoxid elektrode præ-og post-foryngelse. (A) foryngelse forøger arealet af IV kurve svarende til en forøget ladning bæreevne. (B) Et signifikant skift i impedans specra til lavere impedans niveauer er generelt observeres efter foryngelse.
Figur 4. Effects af spænding skævhed på optagelser og impedans. (A) Pre-og post-foryngelse optagelser viser pigge kan inddrives på kanaler, der tidligere havde været tavse. Daglig præ-og post-foryngelse resulterer i en robust (B) fald i 1 kHz impedans størrelse og (C) forøgelse SNR for omkring 150 dage efter kirurgi. Errorbars repræsenterer standard fejl fra data indsamlet fra en 16-kanals række implanteret i marsvin cortex.
Discussion
Neurale registrering prostetiske systemer udviser en begrænset funktionel levetid som optagelseskapacitet aftager med tiden efter implantation. Den sandsynlige årsag til aftagende ydeevne er den reaktive væv reaktion på den implanterede enhed som en kompakt glial kappe funktionelt isolerer fremmedlegeme fra raske væv 1. Sammen med neural optagelse er elektrokemiske målinger (EIS og CV) anvendes typisk til langsgående overvågning af elektrode-vævsgrænseflade 2,3. EIS er praktisk anvendelig i vurderingen af optagelsen evne til grænsefladen. Impedansen hurtigt stiger med tiden efter implantation antyder reaktive vævsrespons ændrer de elektriske egenskaber af grænsefladen 3. Derudover kan EIS data anvendes til at modellere den cellulære sammensætning støder op til den implanterede elektroden 3-5. Cyklisk voltammetri kan anvendes til yderligere at undersøge ændringer i optagelser og EIS. Den elektrode materiale og ruhed samt de elektrokemiske reaktioner og det omgivende væv påvirke formen af IV kurven. Stor ladning bæreevne, bestemmes ud fra arealet af IV kurve, foretrækkes sædvanligvis, især for elektrisk mikro-stimulering. Lav afgift kapacitet er ofte forbundet med øget EIS. Den spænding, der påtrykkes under CV selv kan ændre opladningskapaciteten og EIS, især hvis spændingen er stort nok til at drive redoxreaktioner.
Anvendelse af spænding forspænding eller foryngelse, kan anvendes med det formål at forøge ladning bæreevne, faldende impedans, og øger antallet kanaler optaget spidser 5. Oxidation er sandsynligt forekommer ved elektroden grænsefladen under foryngelse, og med iridium materialer, danner et vandholdigt oxid monolag ved anodiske potentialer på 1,2 V 6. Det er blevet foreslået, at dannelsen af denne monolag fjerne cellulære og acellular materiale vedhæftet til elektroden resulterer i lavere impedans ved grænsefladen 5. Mens foryngelse kan genvinde tabte neurale signaler, det er mest effektivt, hvis de anvendes på kanaler, der tidligere har haft pigge inden for et par dage før. Recordings, EIS, CV og foryngelse bedst kan bruges som supplerende værktøjer i overvågning af neurale interface og forbedre den langsigtede funktionalitet implanterede enheder.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklæret.
Acknowledgments
Denne forskning blev støttet af National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD), og af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), under ledelse af Dr. Jack W. Judy (jack.judy @ darpa.mil) som en del af de pålidelige Neural Technology Program, gennem rummet og Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Pacific tilskud 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).
