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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
Equipment | Company | Catalogue 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 | AMP | 5749069-2 | Headstage Adapter Or substitute appropriate connector for your headstage |
Banana Jacks | Digikey | J151-ND | Headstage Adapter The Autolab channel MUX has banana plugs |