En metode for systematisk Elektrokjemisk og Elektro Evaluering av Neural Recording Elektroder

Summary

Forskjellige elektrodebelegg påvirker nerveopptaks ytelse gjennom endringer i elektrokjemiske, kjemiske og mekaniske egenskaper. Sammenligning av elektroder in vitro er relativt enkel, men sammenligning av in vivo-respons er vanligvis komplisert ved variasjoner i elektrode / neuron avstand og mellom dyrene. Denne artikkelen gir en robust metode for å sammenligne nevrale opptak elektroder.

Abstract

Nye materialer og design for neural implantater er vanligvis testet hver for seg, med en demonstrasjon av ytelse, men uten referanse til andre implantat egenskaper. Dette er til hinder for en rasjonell valg av en bestemt implantat som optimal for en spesiell anvendelse og utvikling av nye materialer basert på de mest kritiske ytelsesparametre. Denne artikkelen utvikler en protokoll for in vitro-og in vivo-testing av nevrale opptakselektroder. Anbefalte parametere for elektrokjemisk og elektrofysiologisk testing er dokumentert med de viktigste trinnene og potensielle problemstillinger diskutert. Denne metoden eliminerer eller reduserer virkningen av mange systematiske feil som finnes i enklere in vivo testing paradigmer, særlig variasjoner i elektrode / nevron avstand og mellom dyremodeller. Resultatet er en sterk korrelasjon mellom den kritiske in vitro og in vivo respons, slik som impedans og signal-til-støy-forhold. Denne protokollen kan lett tilpasses for å teste andre elektrode materialer og design. Den in vitro-teknikker kan utvides til en hvilken som helst annen ikke-destruktiv fremgangsmåte for å bestemme andre viktige ytelsesindikatorer. Prinsippene for den kirurgiske tilnærming i hørselsbanen kan også endres til andre nevrale regioner eller vev.

Introduction

Neural implantater blir brukt i økende grad for forskning, kontrollere protetikk og behandling av lidelser så som Parkinsons sykdom, epilepsi, og sensoriske tap ^1,2. Måle-og / eller styring av både den kjemiske og elektro sammensetning av hjernen er grunnlaget for alle nevrale implantater. Det er imidlertid viktig å administrere en behandling bare når neural vev er i det avvikende tilstand for å redusere bivirkninger ^3. For eksempel bør dype hjerne stimulatorer for behandling av epilepsi kun anvende en elektrisk puls til hjernen i løpet av et anfall. Noen bivirkninger kan være dystoni, tap av hukommelse, desorientering, svekket kognitiv funksjon, indusert hallusinasjoner, depresjon eller anti-depresjon ^3,4. I mange enheter, er et lukket løkke-system derfor nødvendig å ta opp elektriske aktivitet, og for å utløse stimulering når en unormal tilstand er detektert. Opptaks elektroder brukes også til å styre prosthetic enheter. Det er viktig å registrere den target nevral aktivitet med høyest mulig signal-til-støy-forhold for å oppnå en mest mulig nøyaktig utløsning og styreanordning. Et stort signal-til-støy-forholdet er også meget ønskelig for forskningsapplikasjoner, som mer pålitelige data kan oppnås, noe som resulterer i færre nødvendige testpersoner. Dette vil også tillate en større forståelse av mekanismene og stier involvert i nervestimulering og opptak.

Etter en neural implantatet har blitt plassert inn i hjernen, er en immunrespons utløses ^5,6. Tidsforløpet av responsen er vanligvis delt inn i akutte og kroniske faser, som hver består av forskjellige biologiske prosesser ^7. Immunresponsen kan ha en dramatisk virkning på ytelsen til implantatet, slik som isolasjon av elektrodene fra målet nevroner etter innkapsling i en glial arr eller kjemisk nedbrytning av implantatet materiale ^8.Dette kan redusere signal-til-støy-forholdet fra et opptakselektrode og utgangseffekten av en stimulerende elektrode, og føre til elektrodebrudd ^9.. Forsiktig valg av implantat utforming og materialer er nødvendig for å hindre at svikt over implantatet levetid.

Mange forskjellige materialer og implantat utførelser har nylig utviklet for å forbedre signal-til-støy-forhold og implantat stabilitet for nevral opptak. Elektrodematerialer har inkludert platina, iridium, wolfram, iridium oksid, tantal oksid, graphene, karbon nanorør, dopet gjennomføre polymerer, og mer nylig hydrogeler. Substratmaterialer som ble testet omfatter også silisium, silisiumoksyd, silisiumnitrid, silke, Teflon, polyimid, og silikon. Ulike modifikasjoner elektrode har også blitt undersøkt ved hjelp av belegg som Laminin, neurotrophins, eller selv-montert monolayers og behandlinger ved hjelp av elektrokjemisk, plasma og optiske teknikker. Implant utformings kan være 1 -, 2 - eller 3-dimensjonalt med elektrodene generelt ved spissen av et isolerende probe eller langs kanten på et skaft for å trenge inn i elektrodene eller i et to-dimensjonalt array for cortex overflate implantater. Uavhengig av elektrodedesign eller materiale, har tidligere litteratur vanligvis vist utførelsen av den nye implantatet uten referanse til andre implantat konstruksjoner. Dette hindrer at en systematisk vurdering av deres egenskaper.

Denne protokollen gir en metode for sammenligning av forskjellige elektrodematerialer via en rekke analytiske og elektrofysiologiske teknikker. Den er basert på en nylig publisert artikkel som sammenlignet fire forskjellige dopede gjennomføre polymerbelegg (polypyrrole (PpY), og poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) dopet med sulfat (SO ₄₎ eller para-toluensulfonat (PTS)) og 4 annet belegg tykkelser ^10. Denne artikkelen fant ett materiale, PEDOT-poeng med en 45 sek avsetning tid,hadde den høyeste signal-til-støy-forhold og pigg telle med den minste bakgrunnsstøy, og at disse parametrene var avhengige av elektrode-impedans. PEDOT-PTS også vist overlegen akutt biostability forhold til de andre dopet gjennomføre polymerer og nakne iridium elektroder. Protokollen kan de kritiske parametre som kontrollerer signal-til-støy-forhold og stabilitet til å være bestemt og benyttet for ytterligere å forbedre ytelsen av nevrale opptakselektroder.

Protocol

Protokollen er godkjent av La Trobe University (09-28P) og RMIT University Animal Etikkomiteer (1315).

En. Elektrode Forberedelse og foreløpig in vitro testing

1. Forbered elektrode belegg deponering løsninger, for eksempel 10 mm 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) og 0,1 M natrium para-toluensulfonat (Na ₂ poeng) for å danne poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene-PTS (PEDOT-PTS).
2. Koble elektroden array til en potentiostat.
3. Nøye elektroden matrisen i deponerings løsning og klemmen på plass.
4. Plasser en platina mesh teller elektrode og Ag / AgCl referanse elektrode inn i deponering løsning og koble til en potentiostat.
5. Bruke potentiostat, innskudds belegg på de ønskede elektroder. Nedfall forhold (potensial, nåværende og tid) vil variere avhengig av de ønskede belegg. For PEDOT-PTS belegg, en anvendt potential av en V for 15, 30, 45 eller 60 sek har blitt brukt. Fire elektroder på matrisen skal belegges med belegget i en forskjøvet konfigurasjon (figur 1).
6. Fjern elektrodene matrisen fra deponerings oppløsningen og forsiktig skylling med avionisert vann.
7. Gjenta fremgangsmåten med andre beleggmaterialer som ønsket.
8. Forbered in vitro testløsning (0,3 M di-natriumfosfat (Na ₂ HPO ₄₎ i deionisert vann).
9. Koble elektroden array til en potentiostat.
10. Nøye elektroden matrisen i testløsningen og klemmen på plass.
11. Plasser en platina mesh teller elektrode og Ag / AgCl referanse elektrode inn i testing løsning og koble til en potentiostat.
12. Bruke potentiostat, utføre sekvensiell elektrokjemisk impedans spektroskopi (EIS) (potensiale offset 0 V, amplitude 10 mV, frekvensområde 10-100,000 Hz) og syklisk voltammetry (en syklus, potensiell rekkevidde 00,8 til -0,8 V, skannehastighet 100 mV / sek) på alle elektrodene. Unte elektroder holdes på åpen krets potensial og en rolig gang av 1 sek benyttes mellom hver test. Alle elektroder 32 er i kontakt med oppløsningen for fullstendig prøving sesjon av 1 time.
13. Fjern elektrodene matrisen fra testløsningen og forsiktig skylling med avionisert vann.
14. Utfør eventuelle andre ønskede analyser som optisk mikroskopi.
15. Store-prober i et tørt beskyttende beholder for å hindre skader og nedbrytning av elektrodeoverflatene.

2. Elektrode Implantasjon

1. Vei rotte.
2. Injiser uretan (20% w / v i destillert vann, 1,3 g / kg ip) for nonrecovery anestesi.
3. Sørg for anestesi utbruddet ved å teste for en tå klype tilbaketrekking refleks. Hvis anestesi ikke er tilstrekkelig, må supplerende doser av uretan administreres (0,3 g / kg ip).
4. Påfør øye smøremiddel, og deretter barbere hodet på enimal.
5. Plasser dyret i liggende stilling på en homeothermic plate og sette inn en rektal probe (37,5 ° C).
6. Plasser det ene øret bar inn i ca forventet endelige posisjon innenfor stereotaxic rammen, og deretter justere dyret å plassere øret bar i ekstern akustisk meatus.
7. Juster andre øret bar inn i kontralaterale ekstern akustisk meatus. Shift dyret i øret barer å justere med tannholderen.
8. Ved hjelp av rotte-tann tang, åpne dyrets kjeve, hekt øvre fortenner over tannholderen og klemme nesen på plass.
9. Lag et snitt i huden på hodet, omtrent 1 mm til høyre for midtlinjen og fra 10 mm til 10 mm rostral kaudal av lambda.
10. Trekk inn i huden og muskelen i sideretning ut av snittet for å eksponere parietal og interparietal ben ved hjelp av 20% hydrogen-peroksyd-løsning og en kompress, skrubbe overflaten av det eksponerte ben.
11. Bor et hull ca3 mm ² i interparietal bein så nær lambda og midtlinjen som mulig, og å fjerne bein pluggen. Ved hjelp av sterilt saltvann, skylle i hullet for å fjerne eventuelt støv eller ben-fragmenter som kan skade elektroden.
12. Med butte-sløv saks, dissekere under nakkeskinnet og skape et hulrom. Pakk en Ag / AgCl ledning inn i bomull, mette den med saltvann og deretter sette inn referansen elektrode inn i hulrommet.
13. Lag et snitt i dura mater på sagittale plan ved hjelp av spissen på en kanyle.
14. Fest elektroden matrisen til elektroden manipulator og justere sin posisjon over åpningen med en 19 ° rostro-kaudal vinkel. Manuelt sette elektroden omtrent 2 mm inn i hjernen mot colliculus inferior.
15. Fest høyttaleren til venstre hul øre bar.
16. Sørg for at forsterkeren er slått på. Deretter bekrefte dyr anestesi før forsegling innspillingen kammeret.

Tre.In vivo Testing

1. Lever hvit støy bursts, (Gaussian distribuert støy, 1-44 kHz, 10 msek økning-fall tid) og overvåke aktiviteten på hver elektrode. Den maksimale hastigheten som brister skal leveres er én serie hver 200 msek.
2. Bruk av motoriserte Microdrive, settes elektroden array til akustisk drevet aktivitet er registrert på de tre mest distale elektroder på hver skaft (antall og plassering av elektroder opptak aktivitet kan variere med elektrodeplasseringen eller elektrode design).
3. Utfør akustisk stimulering protokollen med 300 repetisjoner av 50 msek hvit støy bursts (Gaussian distribuert støy, 1-44 kHz, 10 msek økning fall tid) med en 1 sek repetisjonsrate på 70 dB, og registrere multiunit aktivitet ved hver elektrode ( 24,4 kHz samplingsfrekvens).
4. Sakte setter elektroden array en annen 200 μ m inn i IC å posisjonere hver elektrode i omtrent samme posisjon som den mer distal elektroden fra the innledende opptaksposisjon.
5. Gjenta akustisk stimulering og nevrale opptak protokollen.
6. Fortsett å sette elektroden array i 200 μ m trinn og utfører den akustiske stimuleringen og neural opptaks protokoll inntil alle elektroder har spilt akustisk drevne aktivitet fra minst tre posisjoner (typisk 8-12 elektrodeposisjoner generelle).
7. Trekk elektroden array i 200 μ m trinn og fortsette å utføre den akustiske stimuleringen og neural opptaks protokoll til den første elektroden array stilling er oppnådd.
8. Trekke forsiktig elektroden array manuelt.
9. Sprøyt en overdose av natriumpentobarbiton (Lethobarb, 200 mg / kg ip) for å avlive dyret.
10. Skyll forsiktig elektroden array med destillert vann. Deretter lagrer prober i et tørt beskyttende beholder for å hindre skader og nedbrytning av elektrodeoverflatene.

4. Post-implantasjon i vitro Testing

1. Skyll forsiktig elektroden array med destillert vann for å fjerne eventuelle urenheter.
2. Koble elektroden array til en potentiostat.
3. Nøye elektroden matrisen i testløsningen og klemmen på plass.
4. Plasser en platina mesh teller elektrode og Ag / AgCl referanse elektrode inn i testing løsning og koble til potentiostat.
5. Bruke potentiostat, utføre sekvensiell elektrokjemisk impedans spektroskopi (EIS) (potensiale offset 0 V, amplitude 10 mV, frekvensområde 10-100,000 Hz) og syklisk voltammetry (en syklus, potensiell rekkevidde 0,8 til -0,8 V, skannehastighet 100 mV / sek ) på alle elektrodene. Unte elektroder holdes på åpen krets potensial og en rolig gang av 1 sek benyttes mellom hver test. Alle elektroder 32 er i kontakt med oppløsningen for fullstendig prøving sesjon av 1 time.
6. Fjern elektrodene matrisen fra testløsningen og forsiktig skylling med avionisert vann.
7. Psnøre elektroden matrisen i en enzymatisk rengjøringsmiddel for 24 hr.
8. Fjern elektrodene matrisen fra oppløsningen og skyll med destillert vann.
9. Koble elektroden array til en potentiostat.
10. Nøye elektroden matrisen i testløsningen og klemmen på plass.
11. Plasser en platina mesh teller elektrode og Ag / AgCl referanse elektrode inn i testing løsning og koble til potentiostat.
12. Bruke potentiostat, utføre sekvensiell elektrokjemisk impedans spektroskopi (EIS) (potensiale offset 0 V, amplitude 10 mV, frekvensområde 10-100,000 Hz) og syklisk voltammetry (en syklus, potensiell rekkevidde 0,8 til -0,8 V, skannehastighet 100 mV / sek ) på alle elektrodene. Unte elektroder holdes på åpen krets potensial og en rolig gang av 1 sek benyttes mellom hver test. Alle elektroder 32 er i kontakt med oppløsningen for fullstendig prøving sesjon av 1 time.
13. Fjern elektrodene matrisen fra testløsningen, ogforsiktig skylling med avionisert vann.
14. Store-prober i et tørt beskyttende beholder for å hindre skader og nedbrytning av elektrodeoverflatene.

Representative Results

En typisk elektrode matrise brukes for denne forsøksprotokoll er vist i figur 1. Det er 32 iridium elektroder på 4 Shanks med 413 μ m ² nominell geometriske området og en 200 μ m banen. Annenhver elektrode på matrisen er blitt overtrukket med en av fire forskjellige elektrodebelegg, merket 1-4. Belegget materialer har blitt nøye utvalgt for deres kjemiske, mekaniske og elektrokjemiske egenskaper. Som nevnt tidligere er ^10, vil det økte avsetningstider øke elektrodeområdet og beleggtykkelse, mens større tilførte strøm-eller potensial kan også øke smelteytelse, konkurrerende reaksjoner kan forekomme som påvirker avsetningsprosess. Avsettingen protokoll er optimalisert som tidligere for dette spesielle ledende polymer for å sikre en reproduserbar belegging oppnås og slik at den er begrenset til elektroden (dvs. ikke sprer seg til en adjacent elektrode) ^10.

Etter at elektrode matrisen har blitt modifisert, bør en serie av optiske og elektrokjemiske analyser foretas. I dette eksempel, har syklisk voltammetri (figur 2) og elektrokjemisk impedans-spektroskopi (fig. 3) benyttet. Denne protokollen bruker syklisk voltammetry over et stort potensial utvalg, som begynner i den reduktive skanneretningen. Hvis elektroden ladningstetthet er nødvendig, bør de cykliske voltammetriske data bli transformert til en strøm-tid plottet og enten den reduktive eller oksydative regioner integrert (figur 2b). Impedansen blir oppnådd over et stort frekvensområde med en liten amplitude på 0 V. Den impedans-data kan være representert i en rekke formater, inkludert impedans (figur 3a) eller fase vs frekvens (figur 3b), eller som en Nyquist plottet (figur 3c ).

Denelektrode matrisen skal være manuelt satt inn slik at armene tips er bare gjennom hjernen overflate. Hvit støy blir brukt til å drive multi-enhet aktivitet mens Micro setter matrisen inn i den nedre colliculus (IC) i 200 μ m trinnene langsomt. Elektroden respons bør overvåkes som matrisen er satt inn, og når omtrent de nederste tre elektroder på hver skaft er å vise akustisk drevet aktivitet (figur 4a), kan den hvite støyen bli slått av. Den in vivo akustisk stimulering protokollen blir deretter foretatt. Typiske strømdata fra elektroden array vil vise en stor økning i RMS i sync med støy puls over en stabil baseline (figur 5). Det er viktig å minimalisere all ekstern elektrisk og akustisk støy for å redusere den opprinnelige aktivitet. Ved fullførelse av akustiske stimulasjons-protokoll, blir elektroden matrisen inn og trekkes tilbake i 200 μ m trinn. ACOustically drevet aktivitet representert som en peristimulus tid histogram (PSTH) eller rå-datastrømmen på forskjellige elektrode matriseposisjoner i IC er vist i figurene 4 og 5.

Etter full matrise innføringen og tilbaketrekkprosess, er elektrodene forsiktig skylt og testet på nytt med in vitro-protokoll for å bestemme beleggstabilitet. Nærmere om virkningene av protein begroing kan fås fra en tidligere artikkel ^10.

In vivo data kan bli omfattende analysert. En viktig parameter for nevral opptak er signal-til-støy-forhold (SNR) ^10. To elektroder fra samme matrise, en belagt og en ubelagt, ble først ikke i IC (figur 6a). Etter 400 μ m innsetting, viser den belagte elektroden en økning i SNR, mens den ubelagte elektroder krever 1200 μ m innsetting.; SNR ved begge elektrodene varierer i forskjellige stillinger i IC, men som ikke brytes ned over tid (stilling). Dette tyder på at nervecellene er fremdeles levedyktige i løpet av forsøket, og at elektrode belegg er stabile ved bruk av denne protokoll. Variasjonen i SNR med stillingen har blitt tilskrevet biologisk støy (forskjellig antall og posisjon av nerveceller i nærheten av elektrodene) ^10.

Ulike trykknivåer (SPL) kan anvendes for den akustiske stimuleringen så lenge de er ovenfor akustisk terskel og ikke deafen dyret. Den SNR varierer med SPL og må derfor være konsistent (figur 6b). En høy SPL anbefales for å generere et større flerenhet drevet respons, som et større område av IC skal stimuleres, slik at elektrodeplasseringen lettere og redusere den biologiske støy samtidig som den gir et større antall elektrodeposisjoner for statistiske analyser.

Tabeller og figurer:

Figur 1. Optisk mikrofotografi av en ledende polymer modifisert elektrode array. Etikettene (1-4) representerer fire forskjellige belegg, slik at en statistisk analyse av hvert belegg i et enkelt eksperiment. En ubestrøket elektrode er også merket. I dette eksempelet, 1-4 er 15, 30, 45, og 60 sek deponering ganger av PEDOT-pts. Klikk her for å se større bilde.

syklisk voltammogram av en ledende polymer belagte elektrode (heltrukket linje) viser sammenlignet med (a) potensial, og (b) sammen med oksydasjon og reduksjon av omkostninger skyggelagt for elektroden charge tetthetsmålinger. An ubelagt elektrode (stiplet linje) er vist for sammenligning. Klikk her for å se større bilde.

Figur 3. (A) impedans, (b)-fase og (c) høye frekvensområde på et Nyquist tomt for representative ubelagt (stiplet), og ledende polymer belagte (fast) elektroder. for å vise større bilde.

. Figur 4 Peristimulus tid histogram målt ved hver elektrode, i gjennomsnitt over 300 repetisjoner på 70 dB hvit støy ved to forskjellige dybder i IC, (a) 0 μ m, og (b) 800 μ m innføringsdybder. Stjernene viser de belagte elektroder. Klikk her for å se større bilde.

Figur 5. Streaming data målt ved hver elektrode med 70 dB hvit støy bursts på to forskjellige dybder i tHan IC, (a) 0 μ m, og (b) 800 μ m innføringsdybder. Stjernene viser de belagte elektroder. Klikk her for å se større bilde.

Figur 6. S eller aktiveringssignal til støyforhold under innføring og tilbaketrekking av elektroden matrise inn i IC. (A) 70 dB hvit støy på representative ubelagt (stiplet), og ledende polymer belagte elektroder (fast) og (B) forskjellig lydtrykk ( 40-70 dB) på et ledende polymer belagt elektrode. Klikk her for å se større image.

Discussion

Denne protokollen gir en metode for sammenligning av nevrale opptakselektrodebelegg i løpet av ett dyr. Elektroden utforming benyttes er ideell for implantering i en rotte underlegen colliculus (IC), med dimensjoner på en tilsvarende skala. Variasjoner av denne elektrode som mer plass mellom skaft vil forhindre alle Shanks være i rotte IC på samme tid, mens lengre skaft og et større banen mellom elektrodene øker risikoen for at armene tips vil komme i kontakt med bunnen av hodeskallen under innsetting. Mindre elektrode banen, øker risikoen for belegget fra den ene elektrode kontakter en tilstøtende elektrode. Elektrodeområdet vil påvirke det nevrale opptaks respons, og må derfor være konsistent over eksperimenter. Området som velges, er ideell for måling av fler enhet aktivitet, noe som resulterer i mer konsistente data med variabel elektrode-neuron avstander. Ved hjelp av fire elektroder med det samme belegg tillater statistisk analyse from innenfor en dyr og tilstrekkelige data kan hentes fra to dyr med to forskjellige elektrode arrays (sample size 8 for hvert materiale). Elektrode belegg har også blitt forskjøvet på hver skaftet for å minimere feil, for eksempel nervecellen død mens du setter elektroden rekke i løpet av eksperimentet eller elektrisk felt effekter fra endringer i skaftbredde fra tips til basen. Slike feil ville gi en annen elektrofysiologisk respons på elektrodene ved enden av stammen i forhold til de i bunnen. Inter-batch-elektrokjemisk og elektrofysiologiske variasjoner fra elektrode matriser er blitt funnet, og derfor er det anbefalt at en rekke eksperimenter er utført med elektrode-rekker fra den samme batch. En 3D-elektrode matrise kan også bli brukt til å samle flere data fra ett dyr, selv om forsiktighet må utvises for å sikre at elektrodene er jevnt belagt som massetransporten kan være annerledes enn elektrodene på kanten vs center Shanks.

In vitro eksperimenter har blitt utført i en nondegassed bufferoppløsning for bedre å representere tilstander in vivo. Selv om dette ikke er kritisk, bør det være konsistent over eksperimenter for å hindre variasjoner forbundet med oksygenreduksjon. Den spesifikke sammensetning av testløsning var basert på anbefalinger fra NeuroNexus (privat kommunikasjon), men variasjoner er mulig, for eksempel tilsetning av elektrolytt eller justering av pH. Til slutt, er en sterkt ledende, ikke-reaktive løsning som kreves for å sikre at in vitro respons er dominert av elektroden oppførsel, men det bør være konsistent mellom eksperimentene. Flere detaljer om hvordan du utfører elektrokjemisk analyse bør innhentes fra egnede kilder ^11. Elektroden belegg eller syklisk voltametrisk protokollen ved bruk av iridium elektroder må velges nøye, som anvendelse av svært positive potensialer for lang periodes tid vil danne iridiumoksid og endre elektrodeegenskaper. Alternativt kan platinaelektroder anvendes, eliminerer muligheten for oksyddannelse. Skanningen rente og potensiell serien er basert på tidligere litteratur, og må være konsekvent på tvers av eksperimenter, selv om ingen korrelasjon mellom kostnad tetthet og nevrale opptak respons ble sett ^10, ytterligere detaljer på disse parametrene vil bli tatt opp i fremtidige publikasjoner. Det er også viktig å holde EIS parametre konsekvent, som store amplituder, ulike utjevnings potensialer og elektrokjemisk celle konfigurasjoner vil endre impedans respons.

Frekvensområdet som brukes for EIS ble diskutert i den forrige artikkelen ^10. Elektroden impedans for neural implantater er rutinemessig kun målt ved 1 kHz. Dette kan resultere i et tap av vesentlig informasjon. For eksempel en ubestrøket og bestrøket elektroden kan generere lignende impedans-verdier på 1 kHz (figur 3a). Men ved lavere frekvenser, besitter denne belagt elektrode betydelig lavere impedans. Tilsvarende for fase (figur 3b), ved 1 kHz de ubelagte og belagte elektroder har en helt annen fase, men ved lavere og høyere frekvenser er de samme. Denne forskjell i egenskaper er svært tydelig på Nyquist plottet (figur 3c), hvor den ubelagte elektroden er lineær, mens den belagte elektroden besitter en halvsirkel ved høye frekvenser og en vertikal respons ved lave frekvenser.

Den sentrale kjernen av IC av en rotte dyremodell ble valgt som et egnet sted for å sammenligne opptak elektroder på grunn av sin enkle tilgjengelighet, relativt stor størrelse, og direkte mono innervasjon via kontralateral cochlea-kjernen. Den tonotopic arrangement tillater enkel posisjonering av sonden og levering av ren tone-frekvenser kan også brukes til å hjelpe medprobe plassering. Under elektroden array innsetting i IC, blir nevral aktivitet til hvit støy overvåkes. Avhengig av vinkelen og presis posisjonering av elektroden matrisen, kan en sideskinne registrere et akustisk drevne respons kun på den mest distale elektrode mens den kontralaterale skaft viser aktivitet på tre eller fire elektroder. Den spesifikke aktivitetsmønster på elektroden matrisen er ikke kritisk, da kun en serie av opptaks responser på hver elektrode er nødvendig med forskjellige elektrode-avstander neuron. Hvis aktivitet er ikke sett på alle fire skaft, kan elektroden matrisen ikke være i riktig stilling. I denne situasjonen, bør matrisen være trukket helt, sin posisjon i forhold til lambda og midtlinjen justeres litt, og deretter inn igjen. Hvis flere steder i ett dyr har blitt uten hell implantert, bør øret barer kontrolleres for riktig plassering. Inspeksjon av strømdata kan indikere problemer viddh en elektrode, for eksempel en elektrode i figur 5 viser bare stor støy i forhold til de andre elektroder, ble dette sporet til en feil-kontakt og forklarer fraværet av respons i PSTH (figur 4).

Operasjonen er beskrevet i denne protokollen åpner rett mindreverdig colliculus med høyttaler i venstre øre bar. Dette kan lett endres for å sette høyttaleren på høyre øre bar og elektroden matrisen inn i den venstre IC.

Denne protokollen er designet for bruk med elektrode belegg på kommersielt tilgjengelige elektrode arrays (NeuroNexus). Denne spesifikke testprotokoll kan ikke være egnet for ulike elektrodekonfigurasjoner. For eksempel kan innføring av fleksible polyimid substrat matriser og sammenligning med Utah stil matriser være vanskelig. Materialet må også være kompatibel med disse matriser, da visse materialer eller deres belegg metoder kan forringeprober. Noen potensielle problemer er at en vakuumavsetningsmetode må sikre at bare elektrodene er belagt, løsningsmidler som brukes, må ikke oppløses eller etse metallet, silisium eller wire bindingen innkapslingsmiddel, og bearbeidingstemperaturer må ikke være for høy. Denne protokollen betyr også teste ikke den kronisk ytelse av implantatet som demonstrert i Ludwig et al. ¹² Likevel kan denne protokollen bli utvidet til å omfatte mange andre elektrodekonfigurasjoner, materialtyper og testing protokoller. For eksempel andre analytiske teknikker kan anvendes for in vitro-testing. Den enzymatiske renere kan endres til andre behandlinger for å bedre forstå elektroden begroing oppstår under akutt implantasjon. Andre avsetningsmetoder kan også brukes til å modifisere elektrodene. Imidlertid bør ubelagte elektroder alltid være inkludert som en referanse til testelektrodene.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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
Disodium 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 anesthetize 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