En metod för systematisk Electro och Elektro Utvärdering av neurala registreringselektrod

Summary

Olika elektrodbeläggningar påverkar neurala inspelningsprestanda genom förändringar av elektrokemisk, kemiska och mekaniska egenskaper. Jämförelse av elektroderna in vitro är relativt enkel, men jämförelse av in vivo respons typiskt kompliceras av variationer i elektrod / neuron avstånd och mellan djur. Denna artikel ger en robust metod för att jämföra neurala registreringselektroderna.

Abstract

Nya material och konstruktioner för neurala implantat är oftast testas separat, med en demonstration av prestation, men utan hänvisning till andra implantat egenskaper. Detta utesluter ett rationellt val av ett visst implantat som optimal för en viss tillämpning och utveckling av nya material baserade på de mest kritiska prestandaparametrar. Denna artikel utvecklar ett protokoll för in vitro-och in vivo-testning av neurala registreringselektroderna. Rekommenderade parametrar för elektrokemiska och elektrofysiologiska tester dokumenteras med de viktigaste stegen och potentiella frågor som diskuterades. Denna metod eliminerar eller minskar effekten av många systematiska fel förekommer i enklare in vivo-testning paradigm, speciellt variationer i elektrod / neuron avstånd och mellan djurmodeller. Resultatet är ett starkt samband mellan den kritiska in vitro-och in vivo-svar, såsom impedans och signal-till-brusförhållande. Detta protokoll kan lätt anpassas för att testa andra elektrodmaterial och mönster. De in vitro-metoder kan utökas till andra icke-förstörande metod för att bestämma andra viktiga resultatindikatorer. De principer som används för kirurgiska tillvägagångssätt i hörselvägen kan också modifieras till andra neurala regioner eller vävnad.

Introduction

Neurala implantat används alltmer för forskning, styra proteser och behandling av sjukdomar som Parkinsons sjukdom, epilepsi, och känselbortfall ^1,2. Mät-och / eller styrning av både kemisk och elektrisk sammansättning av hjärnan är grunden för alla neurala implantat. Det är emellertid viktigt att administrera en behandling endast när neural vävnad är i det avvikande tillståndet för att minska biverkningarna ^3. Till exempel bör djupa hjärnan stimulatorer för behandling av epilepsi endast tillämpa en elektrisk puls till hjärnan under ett anfall. Vissa biverkningar kan vara dystoni, minnesförlust, förvirring, nedsatt kognitiv funktion, framkallade hallucinationer, depression eller anti-depression ^3,4. I många anordningar, är ett system med sluten slinga därför nödvändigt att spela in elektriska aktivitet och för att utlösa stimulering när ett onormalt tillstånd detekteras. Inspelning elektroder används också för att styra prosthetic anordningar. Det är kritiskt för att spela in målet neural aktivitet med högsta möjliga signal-till-brusförhållandet för att uppnå den mest noggranna trigg och enhetskontroll. Ett stort signal-till-brusförhållandet är också högst önskvärt för forskningstillämpningar, som kan erhållas mer tillförlitliga data, vilket resulterar i färre erforderliga testämnen. Detta kommer också att möjliggöra en större förståelse för de mekanismer och involverade i neural stimulering och inspelning.

Efter ett neuralt implantat har placerats in i hjärnan, är ett immunsvar utlöses ^5,6. Tidsförloppet av svaret är generellt delas in i akuta och kroniska faser, var och en bestående av olika biologiska processer ^7. Immunsvaret kan få dramatiska effekter på prestandan av implantatet, som till exempel isolering av elektroderna från målet nervceller genom inkapsling i en glia ärr eller kemisk nedbrytning av implantatmaterial ^8.Detta kan minska signal-till-brus av en inspelning elektrod och uteffekten av en stimulerande elektrod, och leda till elektrod fel ^9. Noggrant val av implantat design och material är nödvändig för att förhindra fel över implantatet livstid.

Många olika material och implantat mönster har nyligen utvecklats för att förbättra signal-till-brusförhållande och implantatets stabilitet för neural inspelning. Elektrodmaterial har inkluderat platina, iridium, volfram, iridium oxid, tantal oxid, grafen, kolnanorör, dopade ledande polymerer, och mer nyligen hydrogel. Substratmaterial som testats innefattar även kisel, kiseloxid, kiselnitrid, silke, Teflon, polyimid, och silikon. Olika elektrod ändringar har också undersökts, med hjälp av beläggningar såsom laminin, neurotrofiner eller själv monterade monolager och behandlingar med hjälp av elektrokemisk, plasma och optiska tekniker. Implantat konstruktionn kan vara 1 -, 2 - eller 3-dimensionella med elektroderna i allmänhet vid spetsen av ett isolerande sond eller längs kanten av ett skaft för att penetrera elektroderna eller i en två-dimensionell array för cortexytan implantat. Oavsett elektrod design eller material, har tidigare litteratur vanligtvis visat utförandet av nya implantat utan hänvisning till andra implantat konstruktioner. Detta förhindrar en systematisk utvärdering av deras egenskaper.

Detta protokoll ger en metod för att jämföra olika elektrodmaterial via en rad analytiska och elektrofysiologiska tekniker. Den är baserad på en nyligen publicerad artikel som jämfördes fyra olika dopade ledande polymerbeläggningar (polypyrrol (PPy) och poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) som är dopade med sulfat (SO ₄₎ eller para-toluensulfonat (PTS)) och 4 olika skikttjocklekar ^10. Den här artikeln hittade ett material, PEDOT-pTS med en 45 sek nedfall tid,hade den högsta signal-till-brusförhållande och spik räkna med den minsta bakgrundsbruset, och att dessa parametrar var beroende av elektrodimpedans. PEDOT-pTS visade också överlägsen akut biostabilitet jämfört med de andra dopade ledande polymerer och kala iridiumelektroder. Protokollet tillåter de kritiska parametrarna styra signal-till-brusförhållandet och stabilitet som skall bestämmas och användas för att ytterligare förbättra prestanda för neurala registreringselektroderna.

Protocol

Protokollet har godkänts av Trobe University La (09-28P) och RMIT University djuretikkommittéer (1315).

1. Elektrod Förberedelse och preliminära in vitro-testning

1. Förbered elektrod beläggning deponeringslösningar, till exempel 10 mM 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) och 0,1 M natrium para-toluensulfonat (Na ₂ pts) för att bilda poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene-pTS (PEDOT-PTS).
2. Anslut elektroduppsättningen till en potentiostat.
3. Placera försiktigt elektroduppsättningen i deponeringslösningen och klämma fast.
4. Placera en platina mesh motelektrod och Ag / AgCl-referenselektrod in i avsättningslösningen och ansluta till en potentiostat.
5. Använda potentiostat, depositionsbeläggningar på de önskade elektroderna. Avsättningsförhållanden (potential, ström och tid) kommer att variera beroende på de önskade beläggningarna. För PEDOT-PTs beläggningar, en tillämpad potential av ett V för 15, 30, 45 eller 60 sek har använts. Fyra elektroder på matrisen bör vara belagda med beläggningen i en sicksackkonfiguration (figur 1).
6. Avlägsna elektroduppsättningen från avsättningslösningen och försiktigt skölja med avjoniserat vatten.
7. Upprepa beläggningsproceduren med andra material om så önskas.
8. Förbered testning in vitro-lösning (0,3 M di-natriumfosfat (Na ₂ HPO ₄₎ i avjoniserat vatten).
9. Anslut elektroduppsättningen till en potentiostat.
10. Placera försiktigt elektroduppsättningen i testlösningen och klämma fast.
11. Placera en platina mesh motelektrod och Ag / AgCl-referenselektrod in i test lösningen och ansluta till en potentiostat.
12. Med hjälp av potentiostat, utför sekventiell elektrokemisk impedans spektroskopi (EIS) (potential offset 0 V, amplituden 10 mV, frekvensområde 10-100,000 Hz) och cyklisk voltammetri (1 cykel, potentiella intervallet 00,8 till -0,8 V, svephastighet 100 mV / sek) på alla elektroder. Oprövade elektroder hålls på öppen krets potential och en lugn stund på 1 sek används mellan varje test. Alla 32 elektroderna är i kontakt med lösningen för fullständig testning session en timme.
13. Avlägsna elektroduppsättningen från den testlösning och försiktigt skölja med avjoniserat vatten.
14. Utför eventuellt andra analyser som optisk mikroskopi.
15. Förvara sonder i en torr skyddande behållare för att förhindra skador och nedbrytning av elektrodytorna.

2. Elektrod Implantation

1. Väg råtta.
2. Injicera uretan (20% vikt / volym i destillerat vatten, 1,3 g / kg ip) för nonrecovery anestesi.
3. Se till anestesi debut genom att testa för en tå nypa tillbakadragande reflex. Om anestesi inte är tillräckligt, bör kompletterande doser av uretan administreras (0,3 g / kg ip).
4. Applicera ögon smörjmedel, och sedan raka huvudet av enimal.
5. Placera djuret liggande på mage på en homeothermic plåt och sätt in en rektal sond (37,5 ° C).
6. Placera ena örat bar i ungefär förväntade slutliga position inom stereotaktisk ram, och justera sedan djuret att placera örat bar i den yttre hörselgången.
7. Rikta den andra örat bar i den kontra yttre hörselgången. Shift djuret i örat barer att anpassa sig till tandhållaren.
8. Använda råtta-tand pincett, öppna djurets käken, haka de övre framtänderna över tandhållare och klämma näsan på plats.
9. Skapa ett snitt i huden på huvudet, ungefär 1 mm till höger om mittlinjen och från 10 mm rostral till 10 mm kaudalt av lambda.
10. Dra in huden och musklerna i sidled från snittet för att exponera den parietala och interparietal ben Använda 20% väteperoxidlösning och en kompress, skrubba ytan av det exponerade benet.
11. Borra ett hål ungefär3 mm ² i interparietal ben så nära lambda och mittlinjen som möjligt och avlägsna benpluggen. Med hjälp av steril koksaltlösning, spola hålet för att ta bort eventuella ben damm eller fragment som kan skada elektroden.
12. Att använda trubbiga-trubbig sax, dissekera under nackskinnet och skapar en hålighet. Linda en Ag / AgCl-tråd i bomull, mätta den med koksaltlösning och sedan in referenselektrod i kaviteten.
13. Gör ett snitt i dura mater på sagittalplanet hjälp av spetsen på en nål.
14. Fäst elektroduppsättningen till elektrodmanipulatorn och justera sin position över öppningen med en 19 ° rostro-caudal vinkel. Manuellt sätter elektroden ca 2 mm in i hjärnan mot det sämre colliculi.
15. Fäst högtalaren till vänster ihåliga örat bar.
16. Se till förstärkaren är påslagen. Kontrollera sedan djur bedövning innan tätning inspelningen kammaren.

3.In vivo-testning

1. Leverera vitt brus skurar, (Gauss distribuerad buller, 1-44 kHz, 10 ms stiger-falltid) och övervaka aktiviteten på varje elektrod. Den maximala hastighet med vilken spricker ska levereras är en burst var 200 msek.
2. Med hjälp av den motoriserade microdrive, långsamt in elektroduppsättningen tills akustiskt driven aktivitet registreras på de 3 mest distala elektroder på varje skaft (antal och placering av elektroder inspelning aktivitet kan variera med elektrodplacering eller elektroddesign).
3. Utför akustisk stimulering protokollet använder 300 repetitioner av 50 ms vitt brus skurar (Gauss distribuerad buller, 1-44 kHz, 10 msek uppgång-fall tid) med en 1 sek repetitionsfrekvens på 70 dB, och spela in den multiunit aktiviteten vid varje elektrod ( 24,4 kHz samplingsfrekvens).
4. För långsamt in elektroduppsättningen ytterligare 200 μ m in i IC för att placera varje elektrod i ungefär samma position som den mer distala elektroden från the första inspelningsläge.
5. Upprepa akustisk stimulering och neural inspelning protokoll.
6. Fortsätt att föra in elektrodraden i 200 μ m steg och utföra akustisk stimulering och neural inspelning protokoll tills alla elektroder har spelat in akustiskt driven aktivitet från minst 3 positioner (typiskt 8-12 elektrodpositioner övergripande).
7. Dra elektroduppsättningen i 200 μ m steg och fortsätta att utföra den akustiska stimulans och neural inspelning protokoll tills den första elektrodraden läge uppnås.
8. Försiktigt dra tillbaka elektrodbäraren manuellt.
9. Injicera en överdos av natriumpentobarbiton (Lethobarb, 200 mg / kg ip) för att avliva djuret.
10. Skölj försiktigt elektroduppsättningen med destillerat vatten. Sedan lagra prober i en torr skyddsbehållare för att förhindra skador och nedbrytning av elektrodytorna.

4. Post-implantation i vitro Testing

1. Skölj försiktigt elektroduppsättningen med destillerat vatten för att avlägsna eventuella föroreningar.
2. Anslut elektroduppsättningen till en potentiostat.
3. Placera försiktigt elektroduppsättningen i testlösningen och klämma fast.
4. Placera en platina mesh motelektrod och Ag / AgCl-referenselektrod in i test lösningen och ansluta till potentiostat.
5. Med hjälp av potentiostat, utför sekventiell elektrokemisk impedans spektroskopi (EIS) (potential offset 0 V, amplituden 10 mV, frekvensområde 10-100,000 Hz) och cyklisk voltammetri (1 cykel, potentiella intervallet 0,8 till -0,8 V, svephastighet 100 mV / sek ) på alla elektroder. Oprövade elektroder hålls på öppen krets potential och en lugn stund på 1 sek används mellan varje test. Alla 32 elektroderna är i kontakt med lösningen för fullständig testning session en timme.
6. Avlägsna elektroduppsättningen från den testlösning och försiktigt skölja med avjoniserat vatten.
7. Psnöra elektroduppsättningen i en enzymatisk rengöringslösning under 24 timmar.
8. Avlägsna elektroduppsättningen från lösningen och skölj med destillerat vatten.
9. Anslut elektroduppsättningen till en potentiostat.
10. Placera försiktigt elektroduppsättningen i testlösningen och klämma fast.
11. Placera en platina mesh motelektrod och Ag / AgCl-referenselektrod in i test lösningen och ansluta till potentiostat.
12. Med hjälp av potentiostat, utför sekventiell elektrokemisk impedans spektroskopi (EIS) (potential offset 0 V, amplituden 10 mV, frekvensområde 10-100,000 Hz) och cyklisk voltammetri (1 cykel, potentiella intervallet 0,8 till -0,8 V, svephastighet 100 mV / sek ) på alla elektroder. Oprövade elektroder hålls på öppen krets potential och en lugn stund på 1 sek används mellan varje test. Alla 32 elektroderna är i kontakt med lösningen för fullständig testning session en timme.
13. Avlägsna elektroduppsättningen från testlösningen ochförsiktigt skölja med avjoniserat vatten.
14. Förvara sonder i en torr skyddande behållare för att förhindra skador och nedbrytning av elektrodytorna.

Representative Results

En typisk elektroduppsättning som användes för denna försöksprotokoll visas i fig. 1. Det finns 32 iridium elektroder på 4 skaft med 413 μ m ² nominell geometrisk area och en 200 μ m stigning. Varannan elektrod på array har belagts med en av fyra olika elektrodbeläggningar, märkta 1-4. De beläggningsmaterial har noga valts ut för att de kemiska, mekaniska och elektrokemiska egenskaper. Som tidigare ¹⁰ nämnts, kommer ökade avsättningstider ökar elektrodområdet och skikttjocklek, medan större tillämpat nuvarande eller potentiella kan också öka beläggningshastigheten, konkurrerande reaktioner kan inträffa som påverkar deponeringen. Avsättnings protokoll har optimerats tidigare för denna särskilda ledande polymeren för att säkerställa en reproducerbar beläggning uppnås, och så att den är begränsad till elektroden (dvs inte sprider sig till ett adjacent elektrod) ^10.

Efter det att elektroduppsättningen har ändrats, bör en serie av optiska och elektrokemiska analyser som skall genomföras. I detta fall har cyklisk voltammetri (figur 2) och elektrokemisk impedans spektroskopi (Figur 3) utnyttjats. Detta protokoll använder cyklisk voltammetri över ett stort potentiellt utbud, med början i den reduktiva avsökningsriktningen. Om elektroden laddningstätheten krävs, bör de cykliska voltametriska uppgifter omvandlas till en ström-tid tomt och antingen reduktiva eller oxidativa regioner integreras (figur 2b). Impedansen erhålles över ett brett frekvensområde med en liten amplitud vid 0 V. impedansdata kan representeras i en mängd olika format inklusive impedans (figur 3a) eller fas mot frekvens (figur 3b) eller som en Nyquist-plot (figur 3c ).

Denelektrodsystem bör manuellt införas så att skaft tips är bara genom hjärnan ytan. Vitt brus används för att driva fleraktivitetsenhet medan mikrodrivan infogar långsamt arrayen i inferior colliculus (IC) i 200 μ m steg. Elektrodsvar skall följas eftersom matrisen är insatt, och en gång ungefär de nedersta 3 elektroder på varje skaft återgivningen akustiskt driven aktivitet (Figur 4a), kan det vita bruset stängas av. In vivo akustisk stimulering protokollet sedan förs. Typiska flödesdata från elektrodgruppen visar en stor ökning av RMS i synk med bruspulsen över en stabil baslinje (Figur 5). Det är viktigt för att minimera all extern elektrisk och akustiskt brus för att reducera utgångsaktiviteten. Efter avslutad akustisk stimulering protokollet, är elektroduppsättningen in och indragen i 200 μ m steg. ACOustically driven aktivitet representeras som en peristimulus tid histogram (PSTH) eller rå dataström vid olika elektrodmatrispositioner i IC visas i figurerna 4 och 5.

Efter full uppsättning insättning och indragning processen är elektroderna försiktigt sköljas och testas igen med protokollet in vitro för att bestämma beläggningsstabiliteten. Ytterligare uppgifter om effekterna av protein påväxt kan erhållas från en tidigare artikel ^10.

De in vivo-data kan analyseras omsorgsfullt. En avgörande parameter för neural inspelning är den signal-till-brusförhållandet (SNR) ^10. Två elektroder från samma uppsättning, en belagd och en obelagd, var från början inte i IC (figur 6a). Efter 400 μ m insättnings visar belagd elektrod en ökning av SNR medan den obelagda elektroden kräver 1200 μ m införing.; SNR vid båda elektroderna varierar vid olika positioner i den IC, men som inte försämras med tiden (position). Detta tyder på att de nervceller är fortfarande livskraftig under loppet av experimentet och att elektrodbeläggningar är stabila när du använder detta protokoll. Variationen i SNR med position har tillskrivits biologiskt brus (annat antal och placering av neuroner i närheten av elektroderna) ^10.

Olika ljudtryck (SPL) kan användas för akustisk stimulering så länge de är över akustisk tröskel och inte döv djuret. SNR varierar med SPL och måste därför vara konsekvent (figur 6b). En hög SPL rekommenderas för att alstra en större multi-unit drives insatsen, eftersom en större yta av IC kommer att stimuleras, vilket gör placering av elektroderna lättare och minska den biologiska buller samtidigt som de ger ett större antal elektrodpositioner för statistisk analysär.

Tabeller och figurer:

Figur 1. Optisk mikroskopbild av en ledande polymer modifierad elektroduppsättningen. Etiketterna (1-4) representerar fyra olika beläggningar och att möjliggöra en statistisk analys av varje beläggning i ett enda experiment. En obelagd elektrod är också märkt. I detta exempel 1-4 är 15, 30, 45, och 60 sek nedfall tider av PEDOT-PTS. Klicka här för att visa en större bild.

Cyklisk voltammogrammet av en ledande polymer belagd elektrod (heldragen linje) som visas mot (a) möjligheter och (b) tid med oxidation och reduktion avgift skuggade för mätningar elektrodladdningsdensitet. En obelagd elektrod (streckad linje) visas för jämförelse. Klicka här för att visa en större bild.

Figur 3. (A) impedans, (b) fas och (c) hög frekvensområdet för en Nyquist plot för representativ obestruket (streckad) och ledande polymer belagd (fasta) elektroder. Klicka här för att visa en större bild.

. Figur 4 Peristimulus tid histogram mäts vid varje elektrod, i genomsnitt över 300 repetitioner på 70 dB vitt brus vid två olika djup i IC, (a) 0 μ m och (b) 800 μ m insättningsdjup. Asterisker indikerar belagda elektroder. Klicka här för att visa en större bild.

Figur 5. Streaming data som mäts vid varje elektrod med 70 dB vitt brus skurar på två olika djup i tHan IC, (a) 0 μ m och (b) 800 μ m insättningsdjup. Asterisker indikerar belagda elektroder. Klicka här för att visa en större bild.

Figur 6. S ignal brusförhållandet att under införing och tillbakadragning av elektroduppsättningen i IC. (A) 70 dB vitt brus vid representativ obelagd (streckad) och ledande polymer belagd (massiv) elektroderna och (b) olika ljudtrycksnivån ( 40-70 dB) på en ledande polymer belagd elektrod. Klicka här för att visa en större image.

Discussion

Detta protokoll ger en metod för att jämföra neurala inspelning elektrodbeläggningar inom ett djur. Elektrod designen som används är idealisk för implantering i en rått sämre colliculi (IC), med måtten liknande omfattning. Variationer av denna elektrod såsom mer utrymme mellan skaften skulle förhindra alla skänklar vara i råtta IC på samma gång, medan längre halsar och en större delningen mellan elektroderna ökar risken att skaftet tips kommer att komma i kontakt med basen av skallen under införandet. Smaller elektroddelningen ökar risken av beläggningen från en elektrod i kontakt en intilliggande elektrod. Elektrodområdet kommer att påverka neurala inspelning svar, och måste därför vara konsekvent över experiment. Området som valts är idealisk för mätning av flera enheter, vilket resulterar i mer konsekventa filer med variabel elektrod-neuron avstånd. Använda 4 elektroder med samma beläggning möjliggör statistisk analys from inom ett djur-och tillräckliga data kan erhållas från 2 djur med 2 olika elektrod arrayer (urvalsstorlek 8 för varje material). Elektrod beläggningar har också spridits ut på varje skaft för att minimera fel som neuron döden medan du sätter elektroduppsättningen under loppet av experimentet eller elektriska fälteffekter från förändringen i skaftbredd från spets till bas. Dessa typer av fel skulle ge en annan elektrofysiologiska svar på elektroder på spetsen av skaftet jämfört med dem vid basen. Inter-satselektrokemiska och elektrofysiologiska variationer från elektrodgrupperna har funnits, därför rekommenderas att en serie experiment utförs med elektrod arrayer från samma parti. En 3D-elektrodsystem skulle också kunna användas för att samla in mer data från ett djur, även om man måste vara uppmärksam för att se till att elektroderna är genomgående belagda som masstransport kan vara olika till elektroderna på kanten vs center shanks.

De in vitro-experiment har utförts på en nondegassed buffertlösning för att bättre representera förhållandena in vivo. Även om detta inte är kritisk, bör det vara konsekvent över försöken att förhindra variationer i samband med syrereduktion. Den specifika sammansättningen av testlösningen bygger på rekommendationer från NeuroNexus (privat kommunikation), men variationer är möjliga, till exempel tillägg av elektrolyt eller justering av pH-värdet. Ytterst är en mycket ledande, icke-reaktivt lösning krävs för att säkerställa svaret in vitro domineras av elektrod beteende, men det bör vara konsekvent mellan experiment. Mer information om hur du utför elektrokemisk analys bör erhållas från lämpliga källor ^11. Elektrod beläggning eller cyklisk voltametrisk protokoll vid användning iridiumelektroder måste väljas med omsorg, eftersom tillämpningen av mycket positiva potentialer för lång tids tid bildar iridiumoxid och ändra elektrodegenskaperna. Alternativt kan platinaelektroder användas, vilket eliminerar risken för oxidbildning. Skann betygsätta och potentiell sortiment bygger på tidigare litteratur och skall vara enhetligt för experiment, även om inga samband mellan laddningsdensitet och neural inspelning respons sågs ^10, ytterligare information om dessa parametrar kommer att behandlas i framtida publikationer. Det är också viktigt att hålla EIS parametrarna konsekvent, eftersom stora amplituder, olika offset potentialer och elektrokemiska cellkonfigurationer kommer att ändra impedans respons.

Det frekvensområde som används för miljökonsekvensbeskrivningen diskuterades i föregående artikel ^10. Elektroden impedans för neurala implantat rutinmässigt endast mäts vid 1 kHz. Detta kan leda till en förlust av viktig information. Till exempel ett obestruket och bestruket elektrod kan generera liknande impedansvärden vid 1 kHz (figur 3a). Men vid lägre frekvenser, denna belagda elektroden besitter betydligt lägre impedans. Likaså för den fas (figur 3b), vid 1 kHz de obelagda och belagda elektroder har en helt annan fas, men vid lägre och högre frekvenser de är lika. Denna skillnad i egenskaper är mycket uppenbart på Nyquist-plot (figur 3c), där den obelagda elektroden är linjär medan den belagda elektroden uppvisar en halvcirkel vid höga frekvenser och en vertikal reaktion vid låga frekvenser.

Den centrala kärnan av IC i en råttdjurmodellen valdes som en lämplig plats för att jämföra registreringselektroderna på grund av sin lätt tillgänglighet, relativt stora, och direkt mono innervation via kontra Cochlear Nucleus. Den tonotopic arrangemang möjliggör enkel initial positionering av sonden och leverans av rena tonfrekvenser kan också användas för att hjälpa till medsondplacering. Under elektroduppsättningen insättning i IC är den neurala aktiviteten på vitt brus övervakas. Beroende på vinkeln och exakt positionering av elektroduppsättningen, kan en lateral skaft registrera en akustiskt drivna gensvar endast på den mest distala elektroden medan den kontralaterala skaft uppvisar aktivitet på tre eller fyra elektroder. Det specifika mönstret av aktivitet på elektroduppsättningen är inte kritisk, eftersom endast en serie av registreringssvar på varje elektrod erfordras med olika elektrod-neuron avstånd. Om verksamheten inte syns på alla 4 skaft, kan elektroduppsättningen inte vara i rätt position. I denna situation bör matrisen vara helt tillbakadragen, dess position i förhållande till lambda och mittlinjen justerats något, och därefter in igen. Om flera platser i ett djur har utan framgång implanteras bör örat barer kontrolleras för korrekt placering. Kontroll av strömdata kan tyda på problem with en elektrod, t ex en elektrod i fig. 5 endast visar stora brus jämfört med de andra elektroderna, var detta spåras till en felaktig kontakt och förklarar avsaknaden av respons i PSTH (Figur 4).

Operationen beskrivs i detta protokoll kommer åt rätt underlägsen colliculus med högtalaren i vänster öra fältet. Detta kan lätt ändras för att sätta högtalaren på höger öra bar och elektroduppsättningen till vänster IC.

Detta protokoll har utformats för att användas med elektrodbeläggningar på kommersiellt tillgängliga elektrod arrayer (NeuroNexus). Denna specifika testprotokoll kanske inte passar för olika elektrodkonfigurationer. Till exempel kan insättningen av flexibla polyimidsubstrat arrayer och jämförelser med Utah liknande uppställningar vara svårt. Materialen måste också vara kompatibla med dessa celler, enligt vissa material eller deras beläggningsmetoder kan försämraprober. Vissa potentiella problem är att en vakuumdeponeringsmetod måste se bara elektrod är belagda, lösningsmedel som används får inte upplösas eller etsa metall, kisel eller tråd bond inkapslingsmedel, och bearbetningstemperaturer får inte vara för hög. Detta protokoll inte heller testa kronisk resultat av implantatet som demonstreras i Ludwig et al. ¹² Ändå kan detta protokoll utvidgas till att omfatta många andra elektrodkonfigurationer, materialtyper och testprotokoll. Exempelvis andra analytiska tekniker kan användas för testning in vitro. Den enzymatiska rengöringsmedel kan modifieras till andra behandlingar för att bättre förstå elektroden nedsmutsning inträffar under akut implantation. Andra avsättningsmetoder kan också användas för att modifiera elektroderna. Dock bör obelagda elektroder alltid ingå som en hänvisning till testelektroder.

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