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Neuroscience

다중 유연한 폴리머 전극 어레이의 만성 이식

Published: October 4, 2019 doi: 10.3791/59957
* These authors contributed equally

Summary

아래에 기재된 것은 자유롭게 움직이는 쥐에서 만성 전기생리학적 기록을 위해 해부학적으로 먼 뇌 영역에 걸쳐 다중 폴리머 전극 어레이를 이식하는 방법이다. 준비 및 외과 이식은 다른 종에서 사용하기 위해 이러한 방법의 적응을 안내하는 디자인 원칙에 중점을 두고 자세히 설명됩니다.

Abstract

수개월에서 수년 동안 분산된 뇌 영역에 걸쳐 개별 뉴런의 대규모 집단에서 동시 기록을 통해 과학 및 임상 개발의 새로운 길을 가능하게 할 것입니다. 유연한 폴리머 전극 어레이를 사용하면 오래 지속되는 기록을 지원할 수 있지만, 기록의 수명을 허용하는 동일한 기계적 특성으로 인해 만성 임플란트에 여러 개의 삽입과 통합이 문제가 됩니다. 여기서는 여러 중합체 전극 어레이가 상대적으로 공간적으로 제한되지 않은 뇌 영역 세트를 대상으로 할 수 있는 방법론입니다.

이 방법은 생체 적합성 및 기능을 위해 선택된 박막 폴리머 장치를 사용하여 장기적이고 안정적인 전기 생리학적 기록 인터페이스를 달성합니다. 그 결과 임플란트는 해부학적으로 먼 지역을 정확하고 유연하게 타겟팅할 수 있으며, 몇 달 동안의 물리적 안정성, 전기 적 소음에 대한 견고성을 허용합니다. 이 방법론은 8개의 다른 해부학 적 목표에 걸쳐 최대 16개의 직렬 삽입 장치를 지원합니다. 앞에서 설명한 것처럼 이 방법론은 1024개 채널에서 레코딩할 수 있습니다. 이 중 단일 뉴런 레코딩에 사용된 이 데모의 512개 채널은 6개의 기록 사이트에 분산된 375개의 단일 유닛을 산출했습니다. 중요한 것은 이 방법은 최소 160일 동안 단일 단위를 기록할 수도 있습니다.

개폐식 실리콘 삽입 셔틀로 각 장치를 일시적으로 브레이싱하는 것을 포함한 이 이식 전략에는 각 기록 세트에 맞게 맞춤 설계된 두개골 부착 플라스틱 베이스 피스에 대상 깊이의 장치를 테더링하는 작업이 포함됩니다. 실리콘으로 채워진 맞춤형 플라스틱 케이스 내에서 장치의 안정화/보호기능을 강화합니다. 또한 이식장치를 준비하고 뇌 영역 이나 배열 디자인의 다른 조합에 적응을 안내 해야 하는 디자인 원칙을 다룹니다.

Introduction

이상적인 신경 임플란트는 몇 주에서 몇 달에 걸쳐 분산 된 뇌 영역에서 매우 많은 수의 개별 뉴런을 기록할 것입니다. 유연한 폴리머 전극 어레이는 수개월 동안 기록할 수 있는 장수와 개별뉴런을추적하는 안정성을 갖춘 전기 생리학적 기록을 제공합니다1,2,3. 그러나, 전단 손상을 감소 동일한 기계적 특성4 및 부여 생체 적합성 및 기록 기능2,3,5,6,7, 8은 그들의 단단한 대응에 상대적인 두뇌에 그들의 삽입에 도전을 제기합니다. 이전 작업은 최대 4개의 32채널 배열을 달성했지만, 정렬된 단일 뉴런의 총수율은2,3,9. 반대로, 실리콘 기반 전극 어레이는 고밀도, 다중 영역 임플란트에 사용되어 왔지만, 이러한 기술은 몇 달 동안 뉴런의 스파이크를 기록하거나 (장수) 또는 해당 시간대에서 동일한 뉴런 (안정성)을 추적 할 수있는 능력이 부족하거나 밀도는 여러 뇌 영역에 걸쳐 개별 뉴런의 수백에서 기록. 여기에 제시된 방법은 현재 중합체 전극 배열 기반 방법에서 낮은 수의 삽입을 극복하여, 여러 해부학적으로 먼 지역에서 많은 수의 개별 뉴런을 전기 생리학적으로 기록할 수 있는 수단을 제공한다. 몇 달 동안 동일한 개별 뉴런에서 기록할 수 있는 안정성을 가지고 있습니다.

마이크로와이어 또는 실리콘 기반 전략 대신 폴리머 기판을 사용하는 것의 중요성에 관한 몇 가지 논쟁이 있습니다. Dhawale 등10에서입증한 바와 같이, 마이크로와이어는 실제로 설치류에서 수개월 동안 안정적으로 기록할 수 있지만, 임플란트는 단일 영역에서 16개의 테트로드로 제한되었습니다. 마이크로와이어 임플란트의 크기를 확장하면 상대적으로 높은 상한에 도달하며, 최대 1792개의 이식 채널이 비인간영장류(11)에서달성되었다. 그러나, 마이크로와이어 어레이의 시공은 실리콘 나노제조 공정과 호환되지 않으며, 따라서 시공 시 각 채널의 수동 처리가 매우 시간이 많이소요되므로, 12,13 시공 시 개별적으로 수동 처리가 요구된다. ,14. 따라서 이 기술이 레코딩 채널의 엄청난 증가를 지원할 수 있는지는 분명하지 않습니다.

현재 실리콘 장치는 단일 모놀리식 장치15,16,17,18,19에수백 또는 천 개 이상의 전극을 배치 할 수 있습니다. 최신 실리콘 제조 공정은 재료에 관계없이 더 작은 단면적의 장치를 생성하여 신경교 활성화20,21,22,23이 적습니다. ,24 개 이상의 호환 장치. 실리콘 프로브 단일 단위 기록 수명에 대한 보고서에는 가변성이 있으며, 일부는 상대적으로 큰 실리콘 프로브가 장기 기록25,26을제공할 수 있음을 나타냅니다. 특히, 최신 상용 실리콘장치(17)는 수개월 동안 기록할 수 있는 수명을 가지며 여기에 기재된 방법에 사용된 생크와 매우 유사한 단면적을 가지고 있다(Jun et al. 201717: 70 μm x 20 μm, 여기에 설명 된 장치 및 Chung 외. 20191: 68 μm – 80 μm x 14 μm). 안정성의 차이로 인해, 이 프로브는 몇 주 동안 동일한 뉴런에서 기록할 수 있는 것으로 입증되지 않았다. 이는 어레이-브레인인터페이스(27,28)에서마이크로모션, 불안정성 및 글리오스를 유발하는 것으로 알려진 두개골에 직접 테더링뿐만 아니라 경질 실리콘의 사용의 일부 조합에 기인한다. 신경 조직과 함께 움직일 수 있는 장치를 구성하려면 부드러운5,29 및 유연한7물질이 필요합니다. 사용 가능한 많은 폴리머 (Geddes 및 Roeder30,Fattahi et al.31,및 Weltman etal. 32 리뷰용)는 마이크로 와이어의 유연성과 안정성을 가지고 있으며 나노 가공 공정과도 호환됩니다. 실리콘 장치의 조밀 한 포장.

몇몇 신경 이식 문제는 유연한 폴리머 전극 어레이의 사용에 특정합니다. 이들 중 첫 번째는 어레이의 삽입이며, 유연한 어레이는 실리콘 또는 마이크로 와이어 기반 전략과 같은 뇌로 진보 할 수있는 강성이 부족합니다. 플렉시블 디바이스에 대한 삽입 전략의 대부분은 이 방법에서 수행되는 바와 같이 기판의 일시적인 경직에 의존한다(검토를 위해 Weltman 등32 참조). 경직된 셔틀을 사용하지 않는 5가지 주목할 만한 전략이 있습니다. 첫째, 이식 시 강성에서 준수로 전환하는 재료를 사용하는 방법이있습니다 33,34. 이 전략의 단점은 Euler의 좌굴력계산(35)에의해 지시된 바와 같이 좌굴 전에 뇌 조직의 침투에 필요한 힘을 달성하기 위해 상대적으로 큰 단면적이 필요하다는 것이다. 단면 면적의 이 증가는 주변 조직20,21,22,23,24의건강에 부정적인 영향을 미칩니다. 두 번째는 뇌(36)위의 이동식 지지 구조의 사용이지만 최소한의 지지받지 않는 길이 (및 높은 좌굴 력)를 유지하기 위해 비계의 제거 또는 용해가 필요합니다. 대안적으로, 어레이를 더 긴 지지되지 않는 길이로 삽입해야 하므로 더 단단한 배열 기판 또는 더 큰 배열 단면적이 요구된다. 세 번째는 이후에 삽입될 플렉시블 어레이에 대한 구멍을 여는 사전침투(35)이다. 이를 위해서는 정확한 재정렬 또는 상대적으로 큰 사전 침투 직경, 지지되지 않는 삽입을 허용하기 위해 전극 어레이 강성 및 단면적이 필요합니다. 넷째는 용해성 코팅을 사용하여 유연한 장치를 경직시하는 것입니다. 이는장치(37)의날카로운 팁을 보존하기 위해 특별한 예방 조치를 취한 경우에도 삽입에 의한 단면적 및 급성 손상을 크게 증가시킨다. 다섯번째는 중합체 어레이의 주입이다. 이 전략은 최대 4개의 32-ch 삽입2를가진 임플란트를 달성하는 성공을 거두었습니다, 그러나 삽입을 위한 훨씬 더 큰 단면적을 사용해야합니다, 250 μm - 1.5 mm 외경 유리 모세관9,더 중대한 심각한 손상을 일으키는 원인이 되는. 대조적으로, 탈착식 셔틀을 사용하여, 급성 삽입에 단면적을 추가하면서, 가능한 가장 단단한 물질을 사용할 수 있고, 따라서 임의로 유연한 장치를 삽입할 때 이론적인 최소 크기일 수 있다. 따라서 강성 셔틀을 사용한 삽입은 현재 유연한 장치를 삽입하는 데 가장 매력적인 옵션입니다.

모든 삽입 셔틀 접근법에는 적절한 경직성 기판과 유연한 장치를 기판에 결합하는 방법의 두 가지 요구 사항이 있습니다. 삽입 셔틀 재료는 일반적으로 실리콘38,39,40,41,스테인레스 스틸8,42,또는 텅스텐43,44, 45, 더 단단한 재료로 더 작은 단면적을 허용합니다. 이들은 전형적으로 폴리에틸렌 글리콜 (PEG)8,38,39,42,43,정전기력40,또는 직접과 같은 접착제를 사용하여 부착됩니다. 물리적 커플링45,46. 모든 경우에, 문제는 삽입 및 삽입 후 분리하기 전에 전극 배열과 삽입 셔틀의 정렬 및 결합이다. 아래에 는 Felix et al.39에 의해 도입된 방법의 구체화가 일시적으로 실리콘 삽입 셔틀로 전극 어레이를 중괄호하고, PEG를 사용하여 부착되며, 이는 어레이를 타겟 깊이에 삽입한 후 제거된다.

만성 임플란트 내의 유연한 장치에 의해 제시된 두 번째 도전은 아직도 장치가 두개골에 붙어 있는 임플란트에 통합될 수 있도록 하는 동안 두뇌 내의 장치를 안정화하는 것입니다. 뇌는 자연적인 맥동, 외상 후 부종 변화, 충격 및 기타 원인으로 인해 두개골을 기준으로 이동하므로 전극 배열은 적어도 두개골및 기록 하드웨어에 부착된 위치에 비해 자유롭게 움직여야합니다. 이는 이식 중 식염수 저장소, 폴리머 어레이를 묶는 위치, 실리콘 젤 하우징 등 다양한 기능을 가지고 있는 각 임플란트 대상 세트에 맞게 맞춤 설계된 3D 프린팅 플라스틱 베이스 피스를 사용하여 달성됩니다. 두개골과 실리콘 젤 위의 테더링 위치는 어레이에 대한 곡률의 더 큰 반경을 생성하고 따라서 어레이에 더 큰 압축력을 허용하기 위해 함께 작동합니다. 이것은 차례로 배열 (두개골)의 앵커 포인트에 대한 뇌의 움직임이 좌굴 하중으로 변환 될 수 있습니다.

추가 과제는 여러 어레이를 수용하고 신경 조직에 대한 움직임을 일으킬 수있는 전극 어레이에 진동이나 충격력을 전달하지 않고 자유롭게 행동할 수있는 충분한 변형 완화를 제공 해야합니다. 뇌가 단단한 기록 창에 비해 안정적이어야 하는 유사한 응용 분야에서 사용된 솔루션에 대한 적응은 이러한 문제를 해결했습니다. 이전에 는 무독성으로 입증되어 CSF 누출방지47로입증된 인공 경질 실란트 실리콘젤(표)은외형부종을 방지하고 어레이를 안정화하기 위해 뇌에 역압을 제공합니다. 뇌 표면. 보호의 추가 층은 중간 점도, 수술 등급 실리콘 탄성 중합체에 의해 장치 리본에 추가, 이전에 만성 신경 전극 임플란트(48)를밀봉에 사용하기 위해 입증. 마지막으로, 실리콘 버퍼링 임플란트와 헤드스테이지는 동물의 정상적인 이동성을 최소화하기 위해 낮은 질량 중심을 유지하도록 설계된 3D 프린팅 조각으로 둘러싸여 있습니다.

이 프로토콜은 실리콘 삽입 셔틀에 장착된 유연한 폴리머 마이크로 전극 어레이로 시작합니다. 3D 프린팅 삽입 조각에 어레이 셔틀 장치의 장착을 진행하고, 동물을 성공적으로 이식하는 데 필요한 수술 기법과 임플란트 시공 단계를 설명하고, 16개의 폴리머 멀티 전극을 지원할 수 있습니다. 배열은 단일 쥐1에서8 개의 해부학적으로 먼 지구에 이식됩니다.

이 프로토콜은 Felix et al.39에나타난 바와 같이 실리콘 삽입 셔틀에 생체 분해성 접착제 폴리에틸렌 글리콜(PEG)에 의해 부착된 폴리머 전극 어레이의 시작 물질을 가정하고, 적어도 2개의 독립적으로 가동 가능한 삽입을 가정합니다. 조각 : 실리콘 셔틀이 접착되고 전극 배열의 커넥터가 부착되는 것입니다. 이 프로토콜은 또한 세 번째 삽입 조각을 사용하여 두 개의 삽입 조각을 미크론 규모의 마이크로 매니퓰레이터에 보다 안전하게 부착합니다. 3D 프린팅을 위한 모든 파일은 https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3DParts

이 방법에 사용되는 각 폴리머 전극 어레이는 2~4개의 기록 생크, 전기 적 흔적을 전달하는 리본, 리본의 끝에 하드웨어 커넥터 또는 인쇄 회로 기판으로 구성됩니다. 전극 어레이와 리본은 PEG가 있는 실리콘 셔틀 위에 고정되어 있습니다. 각 리본에는 UV 경화 에폭시를 통해 리본에 부착 된 2cm 길이 x 1mm 두께의 폴리 이미드 튜브가 있으며 리본 길이까지 수직으로연장됩니다. 각 장치(전극 배열 및 삽입 셔틀)는 어레이를 뇌에 삽입하고 셔틀을 후퇴시키는 데 사용되는 3D 인쇄 삽입 조각에 로드되어야합니다(그림 1). 이 설계에서 유압 삽입 마이크로 매니퓰레이터(녹색, 재료 표)는전체 삽입 장치(조각 1, 조각 2 및 후퇴 마이크로 매니퓰레이터, 주황색)를 목표 깊이로 이동합니다. 어레이가 삽입 장치에서 분리되고 고정되면, 두 번째, 후퇴 마이크로 매니퓰레이터(주황색)는 삽입 장치의 나머지 부분과 독립적으로 개구부 1및 부착된 셔틀을 후퇴시키고, 변위 없이 셔틀을 제거합니다. 배열을 참조하십시오.

Figure 1
그림 1: 삽입기 구성 요소입니다.
(A)제 1과 2는 이동식 나사로 서로 일시적으로 고정되고 나중에 후퇴 마이크로 매니퓰레이터 피스톤(주황색)에 도킹됩니다. (B)어레이 및 삽입 셔틀은 1피스에 부착되고 어레이 커넥터는 양면 테이프로 피스 2에 부착됩니다. 조각 3은 후퇴 마이크로 매니퓰레이터및 조각 1 및 2를 삽입 마이크로 매니퓰레이터(녹색)에 연결합니다. 삽입 마이크로 조작기는 임플란트 포지셔닝을 위한 입체 어댑터에 고정됩니다. 조각 1-3은 상대적인 크기로 표시됩니다. 조각 4는 삽입 셔틀의 적절한 정렬을위한 안정화 조각이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Protocol

이 원고에 기술된 모든 동물 관련 프로토콜은 UCSF의 기관 동물 관리 및 사용 위원회에 의해 승인되었습니다.

1. 삽입을위한 폴리머 전극 어레이의 준비 (~ 30 분)

  1. 조각을 함께 잠글 수 있도록 정렬된 수직 방향의 구멍을 통해 나사를 삽입하여 조각 2에 1을부착합니다(그림 2). 이 두 조각을 악에 넣습니다. 양면 테이프(재료 표)를조각 2의 상단에 부착하십시오. 1피스 의 끝에 안정화 조각 4를 부착하십시오. 그것은 마찰에 의해 제자리에 개최됩니다.

Figure 2
그림 2: 배열 셔틀 정렬을 위한 어셈블리.
(A)삽입 셔틀 부착을 준비하기 위해 조각 1, 2 및 안정화 조각을 조립합니다. (B)1 개와 2 개는 엄지 나사와 함께 개최 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 손으로 전극 배열을 정렬하고 삽입 셔틀을 조각 1의 좁은 끝 세그먼트와 연결합니다. 프로브가 1피스 1의 세로 축에 정렬되면 어레이 커넥터를 조각 2의 평평한 부분에 있는 폴리이미드 양면 테이프에 부착합니다.
  2. 플라스틱 팁 집게를 사용하여 어레이 리본에 부착 된 폴리 이미드 날개만 접촉하고 삽입 셔틀 전극 배열 장치 팁을 조각 1에서 들어 올려 안정화 조각의 외부로 들어 올립니다(그림 3A).
  3. 소량의 시아노아크릴레이트(재료표)또는 기타 접착제(~10 μL)를 조각 1의 끝에 바랄 수 있습니다. 삽입 셔틀을 1피스에 강하게 부착하지 않아 삽입 또는 후퇴 시 분리위험이 있습니다. 너무 많은 위험이 셔틀을 넘치게 하고 배열 자체를 1피스에 준수합니다.
  4. 플라스틱 팁 집게를 사용하여 어레이 리본에 부착 된 폴리 이미드 날개만 접촉하고 접착제 꼭대기에 삽입 셔틀 (및 셔틀만)의 사각형 탭으로 장치를 조각 1의 좁은 세그먼트로 다시 정렬합니다(그림 3B). 실리콘 셔틀 또는 PEG의 측면을 조작하여 작은 정렬 조정을 합니다. 리본이나 생크에 과도한 힘을 가하지 마십시오.

Figure 3
그림 3: 어레이 셔틀의 정렬, 부착 및 살균.
(A)제 1의 도킹 스테이션에 접착제를 적용하기 위한 삽입 셔틀-전극 어레이 장치의 적절한 배향. 2생크 어레이 셔틀이 표시됩니다. (B)폴리머 전극 어레이 및 삽입 셔틀이 삽입 조각에 장착되어 있으며 정렬을 위해 임시 안정화 조각이 있습니다. 2생크 어레이 셔틀이 표시됩니다. (C)살균 시 보호를 위해 플라스틱 상자에 삽입 된 삽입 장치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 안정화 피스의 양쪽에 집게로 부드러운 하향 압력을 가하고 어레이를 이동하지 않고 어셈블리에서 제거합니다.
  2. 장착 된 장치 어셈블리 (조각 1 및 2, 어레이, 삽입 셔틀 및 어레이 커넥터)를 바이스에서 제거하고 에틸렌 옥사이드에 의한 살균을 위해 작은 플라스틱 상자의 베이스에 양면 테이프로 부착하십시오(그림 3C). 증기 살균은 이러한 장치에 적합하지 않습니다.

2. 베이스 피스의 디자인

  1. 선택한 입체 적 목표에 대한 두개골 절제술 크기뿐만 아니라 두개골 나사 및 지상 나사의 위치를 결정합니다. Craniectomy 크기는 표면 혈관을 피하기 위해 배치 조정을위한 몇 백 (~300) 미크론 둘레와 배열 풋 프린트에 의해 결정됩니다.
  2. 설계 소프트웨어(예: CAD)를 사용하여 계획된 두개골을 둘러싸고 시간능선과 두개골 나사로 정의된 둘레 에 맞게 베이스 피스의 공간을 설계하여 베이스 피스 외부에 있는 두개골 표면적을 최대화합니다. 접착제 루팅 시멘트는 두개골에 임플란트를 부착결합 할 수 있습니다.
  3. 염기체의 바닥면을 윤곽을 그리면 틈새없이 두개골에 부착할 수 있으므로 감염 가능성을 줄이고 식염수 또는 실리콘 탄성중합체가 스며나가지 않도록 합니다.
  4. 염분과 실리콘 탄성중합체를 담을 수 있을 만큼 충분히 높지만 어레이 삽입 시 가시성을 방해하지 않을 만큼 충분히 낮게 베이스 피스의 높이를 3-7mm로 설정합니다.
    참고: 베이스 피스는 수직 기둥 또는 폴리이미드 날개가 두개골 위의 한 지점에서 테더링할 수 있는 유사한 피쳐로 설계할 수 있습니다. 부착점이 보기를 방해하지 않도록 합니다.
  5. 베이스피스(그림 4)를3D 인쇄하고 이식 전에 베이스 피스를 살균합니다.

Figure 4
그림 4: 임플란트를 위해 준비된 두개골.
두개골 나사, 베이스 아크릴 층, 두개골에 고정 된 기본 조각으로 완성 된 Durectomies.

3. 두개골의 준비 (~ 2 시간)

  1. 임플란트의 무게를 지지하기 위해 400 g 이상의 래트를 선택한다. 남성 롱 에반스 쥐, 생후 6-12개월에 사용하였다.
  2. 쥐를 마취. 동물을 마취실에 넣습니다. 5% 이소플루란을 켭니다.
  3. 케타민 (50 mg/kg), 자일라진 (6 mg / kg), 아트로핀 (0.14 mg / kg)의 복강 내 용량을 주입하십시오.
    1. 발 핀치에서 철수가 없고 호흡률이 50-75 호흡 /분 남아 있는지 확인하여 절차 전반에 걸쳐 20 분마다 마취 깊이를 모니터링하십시오.
  4. 쥐에 눈 연고를 바하십시오.
  5. 쥐의 머리를 면도합니다.
  6. 동물을 입체 적 홀더에 넣습니다.
  7. 포비도네 요오드 수술 용 스크럽의 각각 세 번갈아 스크럽으로 스크럽하여 수술 부위를 준비하고 멸균 식염수를 처리하십시오.
  8. 두피에 0.5 % 리도카인0.2 cc를 주입하십시오.
  9. 두개골의 중간선에서 시상 절개를 하여 브레그마에 적어도 3mm 전방과 3mm 후방을 람다에 노출시다.
  10. 면봉을 사용 하 여 섬막을 제거 합니다.
  11. 스테레오틱 악기로 bregma에서 제로로 처리된 카르테시안 좌표면을 사용하여 메스로 두개골을 채점하여 삽입 및 두개골 절제술 부위를 표시합니다.
  12. 배압으로 제거 할 수있는 뼈의 얇은 층을 떠나, craniectomy 사이트를 드릴. 두라를 노출시키지 마십시오. 이것은 경막질을 방해하지 않고 뼈 먼지의 두개골을 청소 할 수 있습니다.
  13. 뼈 가루가 구멍에 들어가는 것을 방지하기 위해 한 번에 하나씩 뼈 나사를 드릴링하고 삽입합니다. 뼈 먼지를 제거하기 위해 관대 한 동위 원소 관개를 사용합니다. 약 50그램의 임플란트의 경우 10-12개의 나사를 사용하십시오. 티타늄 나사는 삼투압을 허용49.
    1. 나사를 뇌에 영향을 주지 않고 두개골을 완전히 관통하는 깊이로 전진시다.
  14. 하나 이상의 뼈 나사를 전기 전도성 와이어에 연결하여 회로 접지로 작동합니다.
  15. 모든 드릴링이 완료되면 식염수 세척으로 뼈 먼지의 두개골을 청소하십시오.
  16. 면봉 이나 다른 흡수제와 두개골을 건조 하 고 나사에 접착제 루팅 시멘트(재료의 표)의초기 층을 적용 (설치류 두개골에 에나멜 etchant를 사용 하지 마십시오). 이 예비 접착 성 루팅 시멘트 층은 임플란트 접착력을 증가시키고 나중에 접착 단계에서 노동을 감소시것입니다.
  17. 각 두개골 절제술 부위에 남아있는 뼈의 얇은 층을 제거하십시오.
  18. 혈관을 피하면서 구부러진 팁으로 30 게이지 바늘을 사용하여 경각을 절개하십시오. 절개의 길이는 삽입 셔틀의 치수와 일치합니다.
    1. 출혈이 있는 경우, 부드러운 식염수 드립으로 수동으로 관개하고 출혈이 멈출 때까지 계속하지 마십시오.
  19. 여러 durectomies 수행 되는 경우, 젤 거품 또는 다른 방법으로 축 축 하 사이트를 유지, 체온 식염수와 함께 몇 분마다 정기적으로 관개 등.
  20. 두개골에 베이스 피스의 시멘트 접착을 루팅하기위한 준비면 봉제 또는 다른 흡수제와 다시 두개골을 건조.
  21. 멸균 베이스 피스를 배치합니다. 기본 조각이 bregma를 덮는 경우 알려진 거리에서 다른 위치를 프록시로 표시합니다.
  22. 베이스 피스 의 둘레에 접착제 루팅 시멘트를 적용합니다. 부착 된 베이스 조각을 식염수로 채웁니다. 베이스 피스와 두개골 인터페이스 사이의 인터페이스에서 접착제 루팅 시멘트로 누출을 식별하고패치합니다(그림 5).
    참고 : 인공 경막 실란트 실리콘 젤의 누출을 방지하기 위해 두개골에 베이스 피스를 완전히 고정하는 것이 중요합니다. 동물이 배열을 삽입할 준비가 되었습니다.

4. 배열의 직렬 삽입 및 셔틀의 리트랙션 (배열 당 ~ 1 시간)

참고: 이 절차는 특히 한 장치가 후속 장치의 이식을 방해할 수 있는 다중 어레이 임플란트의 경우 실행 불가능한 장치로 시험 운용되어야 합니다.

  1. 조각 1과 2를 후퇴 마이크로 매니퓰레이터 피스톤에 로드합니다. 피스 1의 마이크로 매니더를 확장된 위치로 설정하고 피스 3의 마이크로 매니퓰레이터를 후퇴된 위치로 설정합니다. 피스톤은 1피스 내부의 단자 깊이로 미끄러집니다. 조각 2는 구멍이 정렬된 3피스의 상단 부분에 맞습니다.
    1. 조각 3을 삽입 마이크로 매니퓰레이터 피스톤에 적재하고, 3피스의 밑면에 나사로 고정한다(그림5A,B).
    2. 삽입 마이크로 매니퓰레이터를 이동하여 전체 삽입 장치를 이동하므로 하중 및 나사 조각 2 및 3을 함께 이동합니다(도5C).
    3. 조각 1과 2를 함께 수납하는 나사를 제거합니다. 조각 1은 장치로부터 삽입 셔틀을 분리하여 피스 2와 독립적으로 이동합니다.
    4. 나사가 피스톤에 압력을 가할 때까지 이 나사를 피스 1의 측면 구멍에 피스톤 트랙에 수직으로 삽입합니다. 이렇게 하면 그림 5D에서볼 수 있듯이 피스 1이 후퇴 피스톤에 따라 이동한다는 것을 보장합니다. 장치가 입체 계측기에 장착될 때 시야를 방해하지 않는 측면 구멍을 선택해야 합니다.

Figure 5
그림 5: 삽입기 의 조립체.
(A)조각 3을 마이크로 매니더레이터에 장착하 고 있습니다 . (C)장착 된 전극 배열 - 삽입 셔틀 장치가있는 삽입 조각. (D)엄지 나사 를 잡고 조각 1 과 2를 함께 제거 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 크레니에토마이에서 젤 폼을 제거합니다. 입체 타겟팅에 실제 또는 프록시 브레그마를 사용합니다. 삽입 부위로 장치를 이동할 때 두개골 위의 적어도 몇 센티미터 높이를 유지하십시오.
    1. 두개골 이나 뇌 근처 배열 셔틀 장치의 장기간 을 방지 하 고 응축 삽입 하기 전에 또는 삽입 하는 동안 삽입 셔틀에서 배열을 분리 하는 기회를 줄이기 위해. 이 경우, 어레이 셔틀 장치를 뇌와 두개골 위 높이로 올리고 건조하고 다시 부착 될 때까지 기다립니다.
  2. 임플란트 좌표를 조정하여 표면 혈관을 피하십시오. 두개골 절제술과 직독 절제술 과 마찬가지로, 직접 혈관을 관통하지 마십시오.
  3. 장치를 활발하게 삽입하고(~25 μm/s) 장치가 뇌에 들어갈 때까지 입체 계측기를 사용하여 낮춥습니다. 장치는 즉시 뇌를 관통하지 않습니다. 저항 및 딤플의 정도는 대상 위치 및 장치 설계(예를 들어, 2 대 4개의 생크, 팁 각도)에 따라 달라지지만, 딤플링은 일반적으로 1 mm를 초과하지않는다(도 6).

Figure 6
그림 6 : 어레이 셔틀 삽입.
어레이 셔틀은 깊이를 대상으로 뇌로 진행됩니다. 4-생크 어레이 셔틀 표시.

  1. 일단 뇌에, 마이크로 매니퓰레이터와 낮은, 목표 깊이에 접근에 속도 감소:
    1. 입체 암을 사용하여 25 μm/s에서 삽입을 시작합니다.
    2. 마이크로 조작기를 사용하여 목표 깊이보다 2mm ~ 1mm 이상 인경우 10 μm/s에 삽입하십시오.
    3. 미세 조작기로 5 μm/s로 천천히 삽입하면 목표 깊이보다 1mm ~ 500 μm 이상입니다.
    4. 최종 500 μm 동안 대상에 1-2 μm/s로 더 느린 삽입.
  2. 조기 셔틀 어레이 분리를 피하기 위해 하강 하는 동안 장치 날개 (수평 폴리 이미드 튜브)와 삽입 지점을 시각화합니다.
  3. 목표 깊이에도달하면(도 7A),폴리이미드 날개를 경화 아크릴 또는 시아노아크릴레이트(표)와 같은 다른 접착제를 통해 베이스 피스부착 부위에 양자 고정한다. 응축이 이러한 표면에 수집하고 접착을 방지 할 수 있기 때문에 필요한 경우, 날개 또는 베이스 피스의 부착 점을 건조. 가시성 또는 기타 공간 구속조건이 필요한 경우 일반적으로 하나의 폴리이미드 날개에만 고정하는 것으로 충분합니다.
  4. 용해되기 전에, PEG는 어레이 및 삽입 셔틀 인터페이스 위에 앉아 있는 구형 덩어리로서 나타날것이다(도 7A). 셔틀에 부착된 지점에서 어레이에 체온 식염수를 부드럽게 떨어뜨리면 PEG를 녹입니다. 이를 요구하는 시간은 선택된 PEG의 분자량에 따라 달라지며 완전한 용해는 직접 시각화로 확인할 수 있다. PEG가 완전히 용해되면 어레이의 경계는 셔틀 및 조각 1로부터 완전히 식별될것이다(도 7B).

Figure 7
그림 7: 셔틀 의 철회.
(A)철회 전에 날개의 테더링. 2 생크 배열과 셔틀이 표시됩니다. (B)PEG 용해 및 날개 접착력과 생크 기능(동그라미, 파랑)을 통해 리션 시 어레이와 셔틀의 성공적인 분리를 시각적으로 확인할 수 있습니다. (C)삽입 셔틀 후 성공적인 어레이 삽입이 철회되었습니다. (D)실리콘 젤이 있는 베이스 피스를 단일 2생크 어레이 삽입을 위해 채웁니다. 사용되는 저점도 실리콘 젤에는 파란색 색조가 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 후퇴 마이크로 매니더를 사용하여 삽입 셔틀을 천천히 철회하십시오. 리훈을 받는 어레이에 식염수 관개(~1방울/s)를 계속 합니다. 대상 깊이에서 관련 거리에서 삽입 속도와 동일한 후퇴 속도를 사용합니다.
    1. 목표 깊이에서 -500 μm까지 1-2 μm/s의 마이크로 조작기를 사용하여 철회하십시오.
    2. -500 μm에서 -1 mm로 마이크로 조작기를 사용하여 후퇴 속도를 높이다.
    3. -1mm에서 -2mm까지 10 μm/s의 마이크로 조작기를 사용하여 후퇴 속도를 높일 수 있습니다.
    4. 대상에서 -2 mm에서 25 μm/s의 입체 암을 사용하여 후퇴합니다.
  2. 리트랙션 중에 어레이와 삽입 셔틀 사이의 인터페이스를 시각화합니다. 폴리머 어레이는 셔틀과 눈에 띄게 분리되고 삽입 셔틀의 생크 사이의 반원형 접합부에서 셔틀이 후퇴함에 따라 반투명하게나타납니다(그림 7B).
  3. 조각 2에서 배열 커넥터를 제거하고 후속 삽입을 방해하지 않는 위치로 이동합니다. 중합체 전극 어레이는 이제 뇌에 있으며 더 이상 입체 계측기(도7C)에연결되지 않습니다. 삽입 셔틀 및 기타 삽입 하드웨어를 제거합니다.
  4. 여러 삽입의 경우 4.1-4.9 단계를 반복합니다. 원하는 모든 배열이 삽입될 때까지 다음 섹션으로 이동하지 마십시오. 스트레인 릴리프 영역에서 뇌와 날개 사이의 장치 리본의 약간의 활이 적어도 지금까지 연장 될 수 있기 때문에 서로의 250 μm 이내에 두 개의 장치를 삽입하는 것이 좋습니다.

5. 임플란트 구조 (~2 시간)

  1. 최종 어레이 삽입 후, 피펫 또는 면봉을 사용하여 베이스 피스에서 빈 식염수, 이식 된 어레이 또는 리본을 방해하지 않도록주의.
  2. 점도가 낮은 실리콘 탄성중합체 또는 기타 인공 경막 실란트로 두개골과 베이스 피스를 채웁니다. 치료할 수 있도록 허용합니다(그림7D). 여러 삽입을 사용하면 하드웨어 커넥터가 간섭하지 않는 곳에 배치합니다(그림8A). 어레이 커넥터의 방향을 적절히 지정하고 임플란트를 구성하여 리본이 최종 원하는 위치에 있도록 합니다.
  3. 중간 점도 실리콘 엘라스토머로 어레이, 어레이 리본 및 커넥터를 덮습니다. 이 연단단한 재료 인터페이스는 손상되기 쉽기 때문에 폴리머 커넥터 인터페이스에 특별한주의를 기울이하십시오. 중간 점도 실리콘이 경화될 때, 그들은 고정되도록 어레이 리본을 완전히 덮는다.
  4. 설계된 케이스에 엘라스토머가 덮인 장치를 동봉하십시오.
  5. 치과 아크릴로 임플란트 베이스를 강화하십시오. 아크릴이 경화되는 동안 아크릴이 팽창하면 전도성 흔적을 손상시킬 수 있기 때문에 아크릴이 어레이 리본과 직접 접촉하는 것을 허용하지 마십시오.
  6. 절개 주위에 부피비카인과 바시트라신 연고를 바치비카인에 바르고.
  7. 4-0 나일론 봉합사와 피부 접착제를 사용하여 절개를 닫습니다.

6. 회복 및 임플란트 관리

  1. 입체 기구에서 동물을 제거하고 가열 패드에 측면에 놓습니다.
  2. 동물에게 수분을 공급하기 위해 따뜻한 링거 용액(5 - 10 mL)을 피하 주사합니다.
  3. 동물이 로코모팅(10–60분)되면, 케이지의 절반을 37°C에서 37°C에서 2-3일 동안 가열 패드 아래에 있는 케이지로 옮긴다.
  4. 가열 패드 에서, 부드러운 음식과 물에 액세스 할 수 있습니다.
  5. 동물에게 통증 조절에 필요한 경우 24시간마다 2mg/kg의 멜록시캄(피하 또는 경구 투여)을 1주간 주사하십시오.
  6. 쥐를 1-2주 간 치료하고 임플란트 체중에 적응시키십시오(도8B).
  7. 임플란트 주변 조직의 정기적인 클로르헨시딘 세척을 수행하고 자극, 감염 또는 탈염에 대한 일일 검사를 수행합니다.

Figure 8
그림 8: 이식 후 여러 개의 삽입된 어레이 및 랫트. (A)후속 삽입을 방해하지 않는 위치의 하드웨어 커넥터. (B)1,024 채널, 만성 폴리머 어레이 임플란트. 뉴런의 허가를 받아 재현 [보조 그림 1H]1. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Representative Results

이 프로토콜에 따라, 1,024 채널 신경 임플란트 기록은 375 단일 단위1을 산출 (MountainSort50,잡음 중복 및 lt; 0.03, 격리 > 0.96, 단일 단위 기록에 사용되는 512 채널, 그림 9A로정렬). 이 프로토콜은 다양한 채널 수와 사양을 사용하여 다양한 수의 장치를 기록 대상의 서로 다른 조합에 이식하는 데 사용할 수 있습니다. 동일한 프로토콜을 사용하여, 단일 유닛 기록 수명은 3개의 다른 쥐에 걸쳐 19개의 장치(전두엽 피질에 있는 18개의 32채널 장치, orbitofrontal 피질에 있는 1개의 64채널 장치)에서 데이터에서 적어도 160 동안 입증되었습니다( 그림 9B)를참조하십시오. 세 동물 중 하나는 4 개의 장치에서 기록 할 수없는 결과로 디지털 전기 장애가 있었다. 나머지 15/19 장치 중 채널당 ~1개의 단일 단위의 기록 수율이 있었습니다. 개별 장치는 채널당 ~2 단위까지 소수의 단일 장치만 생산했습니다. 동일한 부위에 동일한 동물에 이식된 장치에서 매우 상이한 수율을 보이는 것이 일반적입니다.

또한, 여기에 기술된 프로토콜에 따른 다른 외과 팀은 orbitofrontal 피질 및 핵 accumbens를 표적으로 하는 4-6 32 채널 장치의 조합으로 각각 6개의 추가 동물을 이식하고, tetrode 하이퍼드라이브 (총 임플란트) 무게 약 50g). 한 동물은 수술 후 한 달 이내에 임플란트 분리를 했습니다. 두 번째 동물은 수술 후 회복 기간 동안 사망, 여기에 설명 된 프로토콜 단계와 관련이없는 가능성이. 나머지 4마리의 동물은 4-11개월 동안 지속된 실험 기간 동안 안정적인 임플란트로 건강을 유지했습니다. 단일 단위 수는 32채널 장치에 대해 이전에 보고된 것과 유사했습니다.

Figure 9
그림 9: 단일 단위 수율 및 기록 수명.
(A)품질 메트릭 임계값에 의해 계층화된 512채널(1,024채널 임플란트의) 단일 단위 클러스터 수입니다. MountainSort(노이즈 오버랩 0.03, 절연 0.96, 오른쪽 상단블랙박스)를 사용한 자동 큐레이션으로 512채널에서 375개의 단일 유닛을 식별했습니다. 뉴런의 허가를 받아 복제 [그림 2A]1. (B)쥐의 160일 간 이식 후(x축) 동안 채널당(왼쪽 y축) 또는 16채널 생크(오른쪽 y축)당 폴리머 어레이에 대한 단일 단위 수율. 실선은 8개의 생크에 걸친 평균 셀 수율, 점선 ± 1 SE. 생크당 개별 시간 포인트는 영역별로 색으로 구분된 점으로 표시됩니다. 뉴런의 허가를 받아 복제 [그림 3A]1. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

이것은 수개월에 걸쳐 단일 단위의 기록을 위해 분산 된 뇌 영역에 여러 폴리머 전극 어레이를 이식하는 방법입니다. 이 방법은 가장 가까운 대규모 폴리머 어레이 계시스템2,3에서기록 채널의 8배 증가및 4배 의 삽입수 증가를 나타낸다. 이 시스템은 마우스에서 폴리머 메쉬 주입 기반 시스템을 이용했지만 절대 적인 수의 퍼팅 단일 단위를 보고하지 않았고 따라서 단일 뉴런 수율의 비교는 불가능하다.

유연한 장치의 삽입 방법은 Felix et al.39의이전 프로토콜을 기반으로 하며, 중요한 수정사항: 후퇴 시 실리콘 셔틀의 독립적인 움직임을 위한 3피스 삽입 장치 및 어레이의 테더링 셔틀을 철회하기 전에 목표 깊이에서 원래 프로토콜에 설명 된 빠른 철수의 필요성을 함께 제거합니다. 이러한 변화는 조직 손상을 최소화하고 셔틀을 철회하는 동안 어레이 안정성을 유지합니다. 바이오 용해 성 물질이 있는 장치를 일시적으로 경화시키는 것과 같은 다른 유연한 장치 이식 전략은 이 프로토콜의 후속 단계와 호환됩니다. 임플란트 내 장치를 보호하려면 뇌를 덮고 섬세한 장치 리본을 보호하기 위해 이전에 검증된 전략을 통합해야 했습니다.

취약성으로 인해 폴리머 전극 어레이와 실리콘 삽입 셔틀에 직접 접촉하거나 다른 방법으로 전달하지 않도록 주의와 주의가 필요합니다. 특히 여러 장치로 작업할 때 한 장치의 간섭을 피하기 위해 현미경으로 삽입을 관찰해야 합니다. 일반적으로, 흔적을 피하면서 플라스틱 팁 집게로 전극 어레이를 부드럽게 처리할 수 있다. 이러한 전략은 예를 들어, 중합체 전극 어레이가 삽입 셔틀로 후퇴하기 시작하는 경우에 적합하다. 이는 PEG가 완전히 용해되지 않았거나 폴리머와 실리콘 사이의 식염수 또는 CSF의 표면 장력으로 인해 발생할 수 있습니다.

가장 일반적인 복구 가능한 오류 중 하나는 삽입 셔틀의 배열 분리입니다. 이것은 장치 팁에 있는 두뇌 보조개 및 압력이 증가함에 따라, 배열과 셔틀이 불완전하게 정렬되는 경우에 또는 응결이 PEG를 부분적으로 용해한 경우에, 삽입에서 생길 수 있습니다. 배열을 다시 부착하려면 뇌 표면 위에서 가능한 한 높게 올리고 건조할 때까지 기다립니다(약 5분).

다중 어레이 이식 수술을 계획하는 중요한 측면은 모든 임플란트 대상을 수용하고 두개골의 윤곽에 대한 간격없이 앉을 수있는 베이스 피스의 디자인입니다. 베이스 피스는 어레이를 삽입하기 전에 두개골 청소, 나사 배치 및 부분 두개골 후 두개골에 고정된 작은 플라스틱 조각입니다. 그것은 세 가지 기능을 가지고 있습니다 : 1) 배열 삽입 다음 PEG를 용해하기위한 식염수를 보유하지만 실리콘 셔틀 철회 전에, 2) 어레이가 폴리 이미드 날개에 의해 부착 될 수있는 두개골 표면 위의 위치를 제공하여 스트레인 릴리프를 허용합니다. 뇌의 삽입 점 위의 리본을 따라 3) 어레이와 뇌를 안정화하고 보호하는 인공 경막 실란트를 보유합니다. 베이스 피스는 수작업으로 또는 3D 프린팅으로 만들 수 있습니다. 식염수의 염기 조각을 배수하고 건조시키는 것이 매우 중요한 선행 장치 삽입이 중요하다는 것이 관찰되었다. 이러한 단계는 어레이 및 삽입 셔틀의 응축 및 분리를 방지합니다. 베이스 피스를 건조하는 것은 또한 인공 경막 실란트로 베이스 피스를 채우는 데 중요합니다. 또한 실리콘 젤의 필름이 두개골에서 제거하기 어렵기 때문에 베이스 피스가 누출되지 않는 것이 중요하며 두개골에 임플란트를 안정적으로 만성 부착하기 위해 치과 아크릴의 부착을 방지합니다. 점도가 낮은 생체 적합성 실리콘 엘라스토머는 주변점도가 높은 실리콘 엘라스토머와 노출된 폴리머 어레이 리본으로 두개골과 베이스 피스를 채우는 데 사용될 수 있습니다.

폴리머 나노 제조의 발전은 중합체 기반 전극 어레이로 변환되어 기능 크기를 줄이고 실리콘 장치15,16,17에 가까운 어레이에서 가능한 전극 수를 증가시킬 것입니다. ,18,19. 마찬가지로, 폴리머 장치의 단면적은 기능 크기와 함께 축소되어 더 나은 생체 적합성8을제공합니다. 다시 말하지만, 실리콘 장치로 수행되는 것처럼 증폭, 디지털화 및 멀티플렉싱칩(17)과의 통합은 더 큰 규모의 신경 기록을 가능하게 할 것입니다.

Disclosures

J.E.C.와 L.M.F.는 여기에 설명된 작업과 관련된 출원 중인 특허에 대한 발명가입니다.

Acknowledgments

이 작품은 NINDS 교부금 U01NS090537을 L.M.F 및 V.M.T.에, NIMH 교부금 F30MH109292J.C.에, NIMH 교부금 F30MH115582에 H.R.J. J.E.C.와 H.R.J.가 지원하며, NMS는 #T32GM007618. 플랫 아이언 연구소는 사이먼스 재단의 부서입니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D Printed Stereotax Adapter Parts (3) and Base Piece (1) N/A N/A 3d print parts, suggest <30 μm resolution for minimal hand finishing of parts. Files available at:
https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3dParts
Dental Acrylic (Hygenic Repair Resin, Coltene type II quick set) Colten/Whaledent 8886784, 8881627 Dental acrylic for use during implant construction
Hydraulic Micromanipulator (x2) Narishige Group MO-10 1-axis micromanipulator
Kapton Polyimide Tape Bertech PPTDE-1/2 Double-sided tape
Kopf Stereotax Arm  Kopf Instruments 103088R, 103088L Standard rodent stereotax
Light Curable Dental Acrylic, Vivid Flow Coltene/Whaledent D33-01-00 Light curable dental acrylic for use during implant construction
Loctite Gel Control  Henkel Corp.  234790 1364076 1735574 1752699 Cyanoacrylate for adhering silicon shuttle to corresponding 3d printed part
Metabond Quick Cement Parkell S380 For direct application to skull to create strong connection between skull and implant
Polymer Electrode Arrays and Silicon Insertion Shuttles Lawrence-Livermore National Laboratory N/A Fabricated at Lawrence-Livermore National Laboratory, polyimide electrode arrays, silicon insertion shuttle
Silicone Gel Kit, Low Viscosity Dow Corning 03/80 Low-viscosity silicone gel for filling of 3d printed base piece
Silicone, Medium-Viscosity Kit World Precision Instruments  Kwik-Sil Medium-viscosity silicone gel for protection of polymer electrode arrays

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신경 과학 문제 152 마이크로 전극 배열 폴리머 신경 프로브 폴리머 전극 배열 만성 이식 전기 생리학 설치류 로컬 필드 전위 단일 단위 뉴런 다중 사이트 기록
다중 유연한 폴리머 전극 어레이의 만성 이식
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Chung, J. E., Joo, H. R., Smyth, C.More

Chung, J. E., Joo, H. R., Smyth, C. N., Fan, J. L., Geaghan-Breiner, C., Liang, H., Liu, D. F., Roumis, D., Chen, S., Lee, K. Y., Pebbles, J. A., Tooker, A. C., Tolosa, V. M., Frank, L. M. Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays. J. Vis. Exp. (152), e59957, doi:10.3791/59957 (2019).

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