Summary

שיטה לאלקטרוכימי שיטתי ואלקטרו הערכה של אלקטרודות הקלטה עצביות

Published: March 03, 2014
doi:

Summary

ציפוי האלקטרודה שונה משפיע על ביצועי הקלטה עצביים דרך שינויים במאפיינים אלקטרוכימיים, כימיים ומכאניים. השוואה של אלקטרודות במבחנה היא פשוטה יחסית, עם זאת השוואה של תגובת in vivo היא מסובכת בדרך כלל על ידי שינויים במרחק אלקטרודה / נוירון ובין בעלי החיים. מאמר זה מספק שיטה חזקה כדי להשוות אלקטרודות הקלטה עצביות.

Abstract

חומרים ועיצובים לשתלים עצביים חדשים הם בדרך כלל נבדקו בנפרד, עם הפגנה של ביצועים, אך ללא התייחסות למאפייני שתל אחרים. זה מונע בחירה רציונלית של שתל מסוים כאופטימלי עבור יישום מסוים והפיתוח של חומרים חדשים המבוססים על הפרמטרים של ביצועים הקריטיים ביותר. מאמר זה עוסק בפיתוח פרוטוקול במבחנה בבדיקת vivo של אלקטרודות הקלטה עצביות. פרמטרים מומלצים לבדיקות אלקטרו ואלקטרו מתועדים עם השלבים העיקריים ובעיות פוטנציאליות שנדונו. שיטה זו מבטלת או מצמצמת את ההשפעה של הרבה שגיאות שיטתיות הווה בin vivo פרדיגמות בדיקות פשוטות יותר, וריאציות במיוחד במרחק אלקטרודה / נוירון ובין מודלים של בעלי החיים. התוצאה היא מתאם חזק בין קריטי במבחנה בתגובות vivo, כגון עכבה וsiיחס gnal לרעש. פרוטוקול זה יכול בקלות להיות מותאם לבדיקת חומרי האלקטרודה אחרים ועיצובים. ניתן להרחיב במבחנה הטכניקות לכל שיטה הרסנית אחרת כדי לקבוע מדדי ביצוע חשובים נוסף. העקרונות המשמשים לגישה הניתוחית במסלול השמיעה יכולים גם להיות שונה כדי אזורים עצביים אחרים או רקמה.

Introduction

שתלים עצביים נמצאים בשימוש יותר ויותר למחקר, שליטה תותבות וטיפול בהפרעות כגון מחלת פרקינסון, אפילפסיה, ו1,2 אובדן חושים. מדידה ו / או שליטה הן כימית והרכב חשמלי של המוח היא הבסיס לכל שתלים העצביים. עם זאת, חשוב לנהל את טיפול רק כאשר הרקמה העצבית נמצאת במצב החריג כדי להפחית את תופעות הלוואי 3. לדוגמא, לגירוי מוחי עמוק לטיפול באפילפסיה צריך לחול רק פולס חשמלי למוח במהלך התקף. תופעות לוואי מסוימים עשויות להיות דיסטוניה, אובדן הזיכרון, בלבול, תפקוד הקוגניטיבי לקוי, הזיות מושרה, דיכאון או אנטי הדיכאון 3,4. במכשירים רבים, מערכת לולאה סגורה לכן יש צורך להקליט את הפעילות חשמלית וכדי לעורר גירוי כאשר מדינה נורמלית הוא זוהה. אלקטרודות הקלטה משמשות גם כדי לשלוט בפרומכשירי sthetic. זה קריטי כדי להקליט את הפעילות העצבית היעד עם היחס הגבוה ביותר אפשרי אות לרעש כדי להשיג מפעילה מדויק ביותר ובקרה של התקן. יחס אות לרעש גדול הוא גם רצוי מאוד עבור יישומי מחקר, כפי שניתן לקבל נתונים אמינים יותר, וכתוצאה מנבדקים נדרשו פחות. זה גם יאפשר הבנה טובה יותר של המנגנונים ומסלולים מעורבים בגירוי והקלטה עצביים.

לאחר שתל עצבי הושם לתוך המוח, תגובה חיסונית מופעלת על 5,6. במהלך זמן התגובה מחולק בדרך כלל לשלבים אקוטיים וכרוניים, כל אחת בהיקף של תהליכים ביולוגיים שונים 7. התגובה החיסונית יכולה להיות השפעה דרמטית על הביצועים של השתל, כגון בידוד של אלקטרודות מהנוירונים היעד ידי אנקפסולציה בצלקת או השפלה כימית גליה של חומרי שתל 8.זה יכול להפחית את יחס אות לרעש של האלקטרודה הקלטה ותפוקת החשמל של האלקטרודה מגרה, ולהוביל לאלקטרודה כישלון 9. בחירה קפדנית של עיצוב שתל וחומרים נחוץ כדי למנוע כישלון לאורך חיי השתל.

רבים חומרים שונים ועיצובים שתל פותחו לאחרונה כדי לשפר את יחס אות לרעש ויציבות שתל להקלטה עצבית. חומרי אלקטרודה כללו פלטינה, אירידיום, טונגסטן, תחמוצת אירידיום, תחמוצת טנטלום, גרפן, צינורות פחמן, מסוממים פולימרים מוליכים, ולאחרונה הידרוג. חומרי מצע שנבדקו כוללים גם סיליקון, תחמוצת סיליקון, סיליקון ניטריד, משי, טפלון, polyimide, וסיליקון. שינויי אלקטרודה שונים גם נחקרו, תוך שימוש בציפויים כגון laminin, neurotrophins, או monolayers עצמי התאספו וטיפולים באמצעות אלקטרוכימיים, פלזמה ושיטות אופטיות. עיצוב שתלים יכול להיות 1 -, 2 – או 3 ממדים עם אלקטרודות בדרך כלל בקצה של חללית בידוד או בשולי שוק חודר אלקטרודות או במערך 2 ממדים לשתלי משטח קליפת המוח. ללא קשר לעיצוב האלקטרודה או חומר, הספרות קודמת יש בדרך כלל הוכיחה את הביצועים של השתל החדש ללא התייחסות למבני שתל אחרים. זה מונע הערכה שיטתית של הנכסים שלהם.

פרוטוקול זה מספק שיטה להשוואה בין חומרי אלקטרודה שונים באמצעות מגוון של שיטות אנליטיות ואלקטרו. הוא מבוסס על מאמר שפורסם לאחרונה אשר לעומת 4 מסוממים שונה ביצוע ציפוי פולימר (polypyrrole (PPy) ופולי-3 ,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) מסומם עם סולפט (SO 4) או sulfonate para-טולואן (נק ')) ו -4 ציפוי שונה בעוביי 10. מאמר זה מצא חומר אחד, PEDOT-נק 'עם זמן בתצהיר 45 שניות,היה לי ספירת היחס וספייק הגבוהה ביותר אות לרעש עם רעש הרקע הקטן ביותר וכי הפרמטרים אלה היו תלויים בעכבת אלקטרודה. PEDOT-נק 'מוצג גם biostability החריף מעולה לעומת הפולימרים מסוממים ניהול האחרים ואלקטרודות אירידיום חשופות. הפרוטוקול מאפשר הפרמטרים הקריטיים שליטה יחס אות לרעש ויציבות שייקבע ומשמש כדי לשפר את הביצועים של האלקטרודות הקלטה עצביות נוסף.

Protocol

הפרוטוקול אושר על ידי אוניברסיטת La Trobe (09-28P) וועדות אוניברסיטת RMIT בעלי החיים אתיקה (1315). 1. בדיקת אלקטרודה הכנה וראשונית במבחנה הכן את הפתרונות בתצהיר ציפוי האלקטרודה, למשל 10 מ&q…

Representative Results

מערך אלקטרודות טיפוסי המשמש לפרוטוקול ניסוי זה מוצג באיור 1. ישנן 32 אלקטרודות אירידיום ב -4 באנקס עם 413 μ מ '2 באזור גיאומטרי נומינלי ומגרש μ מ' 200. כל אלקטרודה שנייה על המערך כבר מצופה באחת מארבעה ציפוי האלקטרודה שונה, שכותרתו 1-4. חומרי הציפוי…

Discussion

פרוטוקול זה מספק שיטה להשוואה בין ציפוי האלקטרודה הקלטה עצבי בתוך חיה אחת. עיצוב אלקטרודה המשמש הוא אידיאלי להשתלה לתוך colliculus נחותים עכברוש (IC), עם ממדים של קנה מידה דומה. וריאציות של אלקטרודה זו כגון מקום רב יותר בין שאנקס ימנעו כל אנקס להיות בחולדה IC באותו הזמן, בעוד …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים מודים לתמיכה של המועצה למחקר האוסטרלי באמצעות המרכז למצוינות לElectromaterials מדע.

Materials

Programmable Attenuator TDT PA5 Controls the amplitude of the acoustic signal across frequencies
Electrostatic speaker driver TDT ED1 Drives the electrostatic speakers (EC1)
Coupled electrostatic speaker TDT EC1 Delivers sound to the animal
Processing base station TDT RZ2 Records neural activity from electrode array (using PZ2 preamplifier)
Preamplifier TDT PZ2-256 256-channel high impedance preamplifier
Multifunction Processor TDT RX6 Used to generate acoustic stimuli
Multichannel electrode NeuroNexus Technologies A4 × 8–5mm-200-200-413 4-shank 32-channel electrode array
Potentiostat CH Instruments CHI660B Deposits electrode coatings and performs cyclic voltammetry and EIS (used with CHI684)
Multiplexer CH Instruments CHI684 Switches between electrodes on the potentiostat
di-sodium phosphate Fluka 71644 Used in the test solution
3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) Sigma Aldrich 483028 An electrode coating material
para-toluene sulfonate (Na2pTS) Sigma Aldrich 152536 An electrode coating material
Urethane Sigma Aldrich U2500 Used to anaesthetise the animal
Silver/Silver chloride electrode CH Instruments CHI111 Used for testing the electrode in vitro
Platinum electrode CH Instruments MW4130 Used for testing the electrode in vitro
Motorized microdrive Sutter Instruments DR1000 To control the electrode array position during surgery
Enzymatic cleaner Advanced Medical Optics Ultrazyme Cleans the protein off the electrode array after implantation
Acoustic enclosure TMC Ametek 83-501 Isolates the animal from acoustic and electrical noise
Stereotaxic frame David Kopf Instruments 1430 Secures and positions the animal
Temperature controller World Precision Instruments ATC1000 Controls the animal temperature
Bone drill KaVo Dental K5Plus Used to perform the craniectomy
Aspirator Flaem Suction pro Used to perform the craniectomy

References

  1. Oluigbo, C. O., Rezai, A. R. Addressing Neurological Disorders With Neuromodulation. IEEE Trans. Biomed. Eng. 58, 1907-1917 (2011).
  2. Shivdasani, M. N., Mauger, S. J., Rathbone, G. D., Paolini, A. G. Inferior Colliculus Responses to Multichannel Microstimulation of the Ventral Cochlear Nucleus: Implications for Auditory Brain Stem Implants. J. Neurophysiol. 99, 1-13 (2008).
  3. Perlmutter, J. S., Mink, J. W. Deep Brain Stimulation. Ann. Rev. Neurosci. 29, 229 (2006).
  4. Weaver, F. M., et al. Bilateral Deep Brain Stimulation vs Best Medical Therapy for Patients With Advanced Parkinson Disease. J. Am. Med. Assoc. 301, 63-73 (2009).
  5. Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Exp. Neurol. 195, 115-126 (2005).
  6. McConnell, G. C., et al. Implanted neural electrodes cause chronic, local inflammation that is correlated with local neurodegeneration. J. Neural Eng. 6, (2009).
  7. Liu, X., et al. Stability of the interface between neural tissue and chronically implanted intracortical microelectrodes. IEEE Trans. Rehab. Eng. 7, 315-326 (1999).
  8. Rousche, P. J., Normann, R. A. Chronic recording capability of the Utah Intracortical Electrode Array in cat sensory cortex. J. Neurosci. Methods. 82, 1-15 (1998).
  9. Williams, J. C., Rennaker, R. L., Kipke, D. R. Long-term neural recording characteristics of wire microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. Brain Res. Protoc. 4, 303-313 (1999).
  10. Harris, A. R., et al. Conducting polymer coated neural recording electrodes. J. Neural Eng. 10, (2013).
  11. Bard, A. J., Faulkner, L. R. . Electrochemical Methods. , (2001).
  12. Ludwig, K. A., Uram, J. D., Yang, J., Martin, D. C., Kipke, D. R. Chronic neural recordings using silicon microelectrode arrays electrochemically deposited with a poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) film. J. Neural Eng. 3, 59 (2006).

Play Video

Cite This Article
Harris, A. R., Morgan, S. J., Wallace, G. G., Paolini, A. G. A Method for Systematic Electrochemical and Electrophysiological Evaluation of Neural Recording Electrodes. J. Vis. Exp. (85), e51084, doi:10.3791/51084 (2014).

View Video