Summary
신경 기록 전극의 전극 - 조직 인터페이스는 전기 임피던스 분광법 (EIS)과 순환의 voltammetry (CV)로 특성화 할 수 있습니다. 전압 변화에게 전극 - 조직 인터페이스의 전기 특성을 바이어스 및 향상시킬 수있는 녹음 기능의 응용. 전압 바이어스, EIS, CV, 그리고 신경 녹음 보완 있습니다.
Abstract
전기 임피던스 분광법 (EIS)과 주기적 voltammetry (CV) 자세한 침략 절차없이 전극 - 조직 인터페이스의 측정 특성, 그리고는 장기적으로 전극의 성능을 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. EIS는 여러 주파수에서 전기 임피던스를 측정하고, 순환의 voltammetry는 전극의 용량을 운반 요금을 측정하고, 요금이 서로 다른 전압 레벨에서 전송되는 방식을 나타냅니다 동안 임피던스의 증가, 기기 주변 증가 glial 흉터 형성을 나타냅니다. 이식 전극 나이, EIS 및 CV 데이터 변경 및 이전 급상승 뉴런을 기록 전극 사이트는 자주 신경 녹음을 위해 상당히 낮은 효능을 전시 것처럼. 도로 젊어짐로 알려진 이식 전극 배열, 대한 간단한 전압 펄스의 응용 프로그램은 일정 기간에 대한 별도 무성 전극 사이트에서 활동을 급상승 다시 데려올 수 있습니다. 도로 젊어짐 바꿀지도 모르겠어 EIS와 이력서, 이러한 보완적인 방법으로 모니터할 수 있습니다. 일반적으로 EIS는 전극 사이트에서 조직 응답의 표시대로 매일 측정됩니다. 스파이크는 이전에 다음 ID로 스파이크를 가지고 채널에 결석있다면, CV는 전극 사이트의 용량을 운반 요금을 결정하는 데 사용되며, 도로 젊어짐는 인터페이스 효능을 향상시키기 위해 적용할 수 있습니다. 이력서 및 EIS는 다음 전극 - 조직 인터페이스에서 변경 사항을 확인하는 반복되며, 신경 녹음이 저장됩니다. 도로 젊어짐의 전반적인 목표는 이식 배열의 기능적 수명을 연장하는 것입니다.
Protocol
1. 전기기구를 설정
- 이러한 Methrohm Autolab PGSTAT (위트 레흐트, 네덜란드)와 같은 전기 화학 계측은 EIS, CV 및 도로 젊어짐 필요합니다. 애드온 FRA2는 EIS 가능하고, 채널 멀티플렉서 (MUX) 애드온은 멀티 채널 전극을 테스트하는 데 유용합니다.
- headstage에 MUX 채널을 연결하기 headstage 어댑터를 빌드합니다.
- 연결을 확인합니다. 작업 및 MUX 채널에 전극을 감지하고, 현재의 반환 경로에 연결된 일반적으로 이식 스테인레스 - 스틸 또는 티타늄 뼈 스크류 headstage 어댑터의 부분에 대한 참조 및 카운터 전극을 연결을 연결합니다.
2. 전기 임피던스 분광학
- 주파수 응답 분석기 (FRA) 소프트웨어를 시작하고 프로 시저 파일 설정을 확인합니다. 절차는 각각 동시에 10 Hz에서 30에 이르는 15 sines 구성된이 멀티 사인 파형을 테스트하기 위해 설정해야kHz에서. 인가 전압이 25 MV 또는 (보충 방법 참조) 이하이어야합니다.
- 프로젝트 파일을 열고 편집할 수 있습니다. 이 프로젝트는 프로 시저 파일을 사용하여 각 채널을 통해 루프, 그리고 그 결과를 (보충 방법 참조) 저장합니다.
- 패시브 (앰프없이) headstage과 동물의 주제를 연결합니다. 활성 headstages는 입력 신호를 전달하지 않습니다.
- 프로젝트 파일을 실행합니다. 각 채널은 설정에 따라 초 수만 걸립니다.
- 결과를 표시하고 해석. MATLAB (Natick, MA)로 출력 텍스트 파일을 구문 분석하고, Nyquist 계획을합니다. 높은 주파수에서 반원은 조직 반응을 나타냅니다.
3. 주기적 Voltammetry
- 범용 전기 화학 시스템 (GPES) 소프트웨어를 시작하고 프로 시저 파일 설정을 확인합니다. 절차는 (PT, MV / s의 전형적인 신경 전극 재료에 대한 0.8 사이 -0.6 V는 가수 분해의 한계 내에서 50 전압을 청소하도록 설정되어야합니다IR, IrOx). 최소한 세 스캔이 평형에 도달하기 위해 시스템을 실행해야합니다. 최종 검사의 결과는 (보충 방법을 참조) 저장됩니다. 스캔 속도는 측정 시간을 줄이기 위해 1 V / s 이상으로 증가 수 있으며, 스캔 속도는 전극 - 조직 인터페이스에서 발생하는 전하 전달 반응보다 빠른 경우 단, IV 곡선의 형태는 가능성이 변경됩니다.
- 프로젝트 파일을 열고 편집할 수 있습니다. 이 프로젝트는 프로 시저 파일을 사용하여 각 채널을 통해 루프, 그리고 그 결과를 (보충 방법 참조) 저장합니다.
- 수동 headstage으로 동물 주제를 연결합니다.
- 프로젝트 파일을 실행합니다. 각 채널은 설정에 따라 약 3 분 소요됩니다. 1 V / s의 스캔 속도를 높이면 채널 당 약 10 초 측정 시간을 줄일 수 있습니다.
- 결과를 표시하고 해석. MATLAB으로 출력 텍스트 파일을 구문 분석하고, IV 관계를 하겠나. 용량을 운반 요금이 지역을 통합하여 계량합니다이력서 내의 cathodic 전류의.
4. 도로 젊어짐
- 범용 전기 화학 시스템 (GPES) 소프트웨어를 시작하고 프로 시저 파일 설정을 확인합니다. 단계 및 소탕 방법을 사용하여 프로 시저 (보충 방법을 참조) 4 초 기간 동안 1.5 V로 전압을 단계로 설정되어야합니다.
- 프로젝트 파일을 열고 편집할 수 있습니다. 이 프로젝트는 프로 시저 파일을 사용하여 각 채널을 통해 루프, 그리고 그 결과를 (보충 방법 참조) 저장합니다.
- 수동 headstage으로 동물 주제를 연결합니다.
- 프로젝트 파일을 실행합니다. 각 채널은 10 초만 걸립니다. 4.5) EIS와 이력서 데이터를 수집하고 결과를 해석.
5. 대표 결과
녹음, EIS, CV 및 도로 젊어짐 포함한 일반적인 워크플로우는, 그림 1에 표시됩니다. 녹음 및 EIS는 한동안 CV, 모든 채널에 걸쳐 (매일 또는 매주) 가장 많이 수집되고활동을 급상승하는 것은 더 이상 감지없는 경우 도로 젊어짐 사용할 수 있습니다.
전극 후 주 일 코스 이상의 EIS 변경이 이식된다. EIS 데이터가 Nyquist의 줄거리로 표시되면 더 높은 주파수 (원점 부근) 전극 사이트 (그림 2)에서 조직 반응을 나타내는가에 반원.
이력서는 몇 가지 히스테리 시스를 보여주는 전류 - 전압 (IV) 곡선을 생산하고 있습니다. 가장 관련성이 높은 CV 통계는 용량을 운반 요금이며, (그림 3) 전극 사이트 영역에 의해 정규화 IV 곡선 내부 공간이 있습니다. 큰 전하 용량과 전극은 마이크로 자극을 선호하고 있습니다.
도로 젊어짐 동안 전압 펄스는 대개 증가 충전 용량의 결과는 임피던스 크기는 (그림 3A & B)을 감소 것을 적용됩니다. 급상승도 이전에 스파이크 (그림 4A)을 가지고 채널에 복원할 수 있습니다. 도로 젊어짐는 임피던스와 신호 대 노에서만 단기적인 효과를 가지고 있지만이세 비율 (SNR)는이 기법은 매일 적용할 수 있습니다. 그림 4B & C, 일상 보여줍 전후 도로 젊어짐 1 kHz에서 임피던스의 크기와 기니 피그 피질에 이식 16 채널 어레이에 대한 SNR 데이터입니다. 도로 젊어짐는 각 신청 후 진도의 순서에 의해 1 kHz에서 임피던스의 크기를 줄이면에 강력한 효과가 있습니다. 회복 신호와 낮은 임피던스의 결과로, SNR은 각 도로 젊어짐 세션 이후에 증가한다. 궁극적으로 모든 신호 160일 주입 후에 도로 젊어짐이 더 이상 효과가 없었습니다 따라 손실되었다.
그림 1. EIS는 각 녹화 세션 이후에 측정됩니다. 아무 스파이크는 이전에 스파이크를 가지고 채널에 기록하지 않으며 EIS는 시간이 지남에 따라 증가하고 대규모 조직 구성 요소를 보여줍니다있다면 CV 및 도로 젊어짐이 채널에 노력하고 있습니다. EIS 및 녹음 그러면 치료가 성공적으로 있는지 확인하는 데 사용됩니다.
그림 2. 4 개월 후 전극 즉시 주입 후 사이트 (파란색) 및 (녹색)의 Nyquist의 음모에 표시 EIS 데이터입니다. Nyquist 계획의 각 포인트는 단일 주파수에서 현실과 상상의 임피던스를 나타냅니다. 사이트가 주변 조직으로 인해 일부 반원은 높은 주파수에서 분명하다.
그림 3. 이식 이리듐 산화물 전극 전후 도로 젊어짐의 이력서와 EIS가 변경됩니다. () 도로 젊어짐는 적재량 증가 요금에 해당하는 IV 곡선의 면적을 증가시킵니다. (B) 낮은 임피던스 레벨 임피던스 specra의 중요한 변화는 일반적으로 도로 젊어짐 후 관찰한다.
그림 4. Effe전압의 CTS는 녹음과 임피던스에 바이어스. () 사전 및 사후 도로 젊어짐 녹음이 스파이크는 이전에 침묵이었다 채널에서 복구할 수 보여줍니다. 일일 사전 및 1 kHz에서 임피던스의 크기와 수술 후 약 150 일 동안 SNR의 (C) 증가 강력한 (B) 드롭의 사후 도로 젊어짐 결과입니다. Errorbars은 기니피그 피질에 이식 16 채널 어레이로부터 수집된 데이터에서 표준 오차를 나타냅니다.
Discussion
녹음 기능 시간 이후의 주입으로 감소로 신경 녹음 보철 시스템은 제한된 기능적 수명을 표시합니다. 장애자 성능에 기여 가능성은 컴팩트한 glial 칼집은 기능적으로 건강한 조직 1에서 외부 물체를 분리으로 이식 장치에 반응 조직 반응이다. 신경 녹음과 함께 전기 화학 측정은 (EIS와 CV) 일반적으로 전극 - 조직 인터페이스 2,3의 종방향 모니터링을 위해 사용됩니다. EIS는 인터페이스의 레코딩 기능을 평가에 실질적으로 유용합니다. 임피던스 빠르게 시간 반응 조직 응답을 제안 사후 이식이 인터페이스 3 전기적 특성을 바꿀지도 모르겠어 증가시킵니다. 또한, EIS 데이터는 이식 전극 3-5에 인접한 세포 성분을 모델링하는 데 사용할 수 있습니다. 순환의 voltammetry는 더욱 녹음과 EIS의 변화를 조사하는 데 사용할 수 있습니다. electr송시 재료 및 거칠기뿐만 아니라 전기 화학 반응과 그 주변 조직 IV 곡선의 모양에 영향을 미칩니다. IV 곡선의 영역에서 결정 능력을, 나르는 대형 요금은 일반적으로 특히 전기 마이크로 자극을 위해 사용하는 것이 좋습니다. 낮은 충전 용량은 종종 증가 EIS와 연결되어 있습니다. 이력서 동안 적용 가능성 전압 범위가 산화 환원 반응을 운전만큼 큰 특히, 충전 용량 및 EIS를 자체를 변경할 수도 있습니다.
전압 바이어스, 또는 도로 젊어짐의 신청서는 임피던스를 감소하고, 녹화된 스파이크 5 숫자 채널을 증가, 적재량 증가 요금의 목적으로 사용할 수 있습니다. 산화 가능성이 도로 젊어짐 동안 전극 인터페이스에서 발생하고 있으며, 이리듐 소재로, 함수의 산화 단일층은 1.2 V 6 양극 가능성에 형성하고 있습니다. 그것이 단일층의 형성 제거할 수있는 제안되어 셀룰러 및 acellular 물질 인터페이스 5 시에 낮은 임피던스의 결과로 전극에 붙어. 도로 젊어짐가 신경 신호를 손실 복구할 수 있지만 이전에 사전에 몇 일 이내에 스파이크를 가지고 채널에 사용한다면, 그것은 가장 효과적입니다. 녹음, EIS, CV 및 도로 젊어짐는 최고의 신경 인터페이스를 모니터링하고 이식 장치의 장기 기능을 개선하는 보완적인 도구로 사용될 수 있습니다.
Disclosures
관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 국립 보건원 (R03DC009339-02, NIDCD)와 방위 고급 연구 프로젝트기구 (DARPA) 박사 잭 W. 주디의 후원하에 마이크로 기술 사무소 (MTO), (에 의해 지원되었다 jack.judy @ 공간과 해군 전쟁 시스템 사령부 (SPAWAR) 시스템 센터 (SSC) 태평양 기금 번호 N66001-11-1-4013 통해 신뢰성 신경 기술 프로그램의 일부로서 darpa.mil).
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).
