Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

الزرع المزمن للصفائف متعددة البوليمرات المرنة

Published: October 4, 2019 doi: 10.3791/59957
Automatic Translation
*1,2, *1,2, 2, 3, 2, 2, 3, 2, 4,5, 4, 4, 4, 4,5, 2,6
1Medical Scientist Training Program and Neuroscience Graduate Program, University of California San Francisco, 2Kavli Institute for Fundamental Neuroscience, Center for Integrative Neuroscience, and Department of Physiology, University of California San Francisco, 3Bioengineering Graduate Program, University of California San Francisco, 4Center for Micro- and Nanotechnology, Lawrence Livermore National Laboratory, 5Neuralink Corp., 6Howard Hughes Medical Institute
* These authors contributed equally

Summary

ويرد أدناه طريقه لغرس مصفوفات أقطاب البوليمر متعددة عبر مناطق الدماغ البعيدة تشريحيا للتسجيل إلكتروفيزيولوجي المزمن في الفئران تتحرك بحريه. يتم وصف الاعداد والغرس الجراحي بالتفصيل ، مع التركيز علي مبادئ التصميم لتوجيه التكيف لهذه الأساليب لاستخدامها في الأنواع الأخرى.

Abstract

التسجيلات المتزامنة من السكان الكبيرة من الخلايا العصبية الفردية عبر مناطق الدماغ الموزعة علي مدي أشهر إلى سنوات سوف تمكن سبل جديده للتطوير العلمي والسريري. استخدام صفائف القطب البوليمر مرنه يمكن ان تدعم تسجيل طويل الأمد ، ولكن نفس الخصائص الميكانيكية التي تسمح لطول العمر من تسجيل جعل الادراج متعددة والاندماج في زرع المزمن تحديا. هنا هي المنهجية التي يمكن ان تستهدف صفائف القطب البوليمر متعددة لمجموعه غير مقيده مكانيا نسبيا من مناطق الدماغ.

يستخدم الأسلوب أجهزه البوليمر رقيقه الفيلم ، التي تم اختيارها للتوافق الحيوي والقدرة علي تحقيق طويلة الأجل ومستقره واجات تسجيل الكتروفيزيولوجيك. الزرع الناتج يسمح بالاستهداف الدقيق والمرن للمناطق البعيدة تشريحيا ، والاستقرار المادي لعده أشهر ، والمتانة للضوضاء الكهربائية. وتدعم المنهجية ما يصل إلى سته عشر أجهزه مدرجه بشكل متسلسل عبر ثمانيه أهداف تشريحيه مختلفه. وكما سبقت البرهنة علي ذلك ، فان المنهجية قادره علي التسجيل من 1024 قناه. ومن بين هذه القناات 512 في هذه المظاهرة المستخدمة لتسجيل الخلايا العصبية الواحدة 375 وحده واحده موزعه عبر سته مواقع للتسجيل. الأهم من ذلك ، يمكن لهذه الطريقة أيضا تسجيل وحدات واحده لمده لا تقل عن 160 أيام.

استراتيجية الغرس هذه ، بما في ذلك تستعد مؤقتا كل جهاز مع مكوك الادراج السيليكون قابل للسحب ، ينطوي علي الربط من الاجهزه في أعماق الهدف إلى قطعه قاعده بلاستيكية التمسك الجمجمة التي هي مصممه خصيصا لكل مجموعه من تسجيل الأهداف ، وتحقيق الاستقرار/حماية الاجهزه داخل سيليكون مملوءة ، مخصصه--تصميم البلاستيك القضية. ويغطي أيضا اعداد الاجهزه للزرع ، ومبادئ التصميم التي ينبغي ان توجه التكيف مع تركيبات مختلفه من مناطق الدماغ أو تصاميم مجموعه.

Introduction

والزرع العصبي المثالي يسجل من عدد كبير جدا من الخلايا العصبية الفردية في مناطق الدماغ الموزعة علي مدي أسابيع إلى أشهر. مرنه البوليمر القطب صفائف توفير التسجيلات الكهربائية مع طول العمر لتسجيل لعده أشهر والاستقرار لتتبع الخلايا العصبية الفردية1,2,3. ومع ذلك ، فان نفس الخصائص الميكانيكية التي تقلل من الضرر القص4 ويضفي التوافق الحيوي وتسجيل القدرة2،3،5،6،7، 8 تشكل تحديا لادراجها في الدماغ بالنسبة لنظراءهم جامده. أنجزت الاعمال السابقة كحد اقصي من 4 32-قناه صفائف ، ولكن الغلة الاجماليه من الخلايا العصبية واحده المفترض فرزها غير المبلغ عنها2،3،9. وعلي العكس من ذلك ، استخدمت صفائف القطب المعتمدة علي السليكون في غرسات عاليه الكثافة ومتعددة المناطق ، ولكن هذه التقنيات تفتقر اما إلى القدرة علي تسجيل طفرات من الخلايا العصبية علي مدي أشهر (طول العمر) أو لتتبع نفس الخلايا العصبية (الاستقرار) علي ذلك المقياس الزمني ، أو الكثافة لتسجيل من مئات من الخلايا العصبية الفردية عبر مناطق الدماغ متعددة. الطريقة المعروضة هنا يتغلب علي انخفاض عدد الادراج في الحالية البوليمر القطب القائم علي الأساليب ، التالي توفير وسائل للتسجيل الكهربي لاعداد كبيره من الخلايا العصبية الفردية في المناطق البعيدة تشريحيا متعددة أشهر ، مع الاستقرار لتسجيل من نفس الخلايا العصبية الفردية عبر العديد من الأيام.

هناك بعض الجدل بشان اهميه استخدام الركيزة البوليمر بدلا من الأسلاك المجهرية-أو السيليكون القائم علي الاستراتيجيات. كما هو موضح من قبل دول et al.10، والأسلاك الدقيقة هي في الواقع قادره علي التسجيلات مستقره لمده أشهر في القوارض ، علي الرغم من ان يزرع كانت تقتصر علي 16 tetrodes في منطقه واحده. الارتقاء بحجم غرسه الأسلاك المجهرية يصل إلى حد اعلي نسبيا ، مع ما يصل إلى 1792 القناات المزروعة التي تحققت في الرئيسيات غير البشرية11. ومع ذلك ، بناء صفائف ميكروواير غير متوافق مع العمليات nanofabrication السيليكون ، التالي ، تستغرق وقتا طويلا للغاية ، والتي تتطلب المناولة اليدوية لكل قناه علي حده خلال البناء12،13 ،14. وعلي هذا النحو ، ليس من الواضح ما إذا كانت هذه التكنولوجيا يمكن ان تدعم زيادة في حجم قنوات التسجيل.

يمكن للاجهزه السيليكون الحالية وضع مئات أو حتى أكثر من الف أقطاب كهربائيه علي جهاز واحد متالف15،16،17،18،19. أحدث العمليات تصنيع السيليكون توليد الاجهزه مع أصغر المناطق المقطعية ، بغض الجميع عن المواد ، مما ادي إلى اقل التنشيط الدبقيه20،21،22،23 ،24 وأكثر الاجهزه المتوافقة. هناك تغير في تقارير من سليكون تحقيق [سنغل-وحده] تسجيل طول العمر, مع بعض يشير ان كبيره نسبيا سليكون مجسات يستطيع قدمت [لونغ-ترم] تسجيل25,26. ومن الجدير بالذكر ان أحدث أجهزه السيليكون المتاحة تجاريا17 لديها طول العمر لتسجيل لعده أشهر ولها مناطق مقطعيه مشابهه جدا لسيقان المستخدمة في الطريقة الموصوفة هنا (يونيو وآخرون 201717: 70 μm x 20 μm ، الاجهزه الموصوفة هنا وفي تشونغ وآخرون 20191: 68 μm-80 μm x 14 μm). بسبب الاختلاف في الاستقرار ، لم يثبت هذا المسبار لتكون قادره علي تسجيل من نفس الخلايا العصبية علي مدي أسابيع. ويرجع ذلك علي الأرجح إلى بعض الجمع بين استخدام السيليكون جامده ، فضلا عن الربط المباشر إلى الجمجمة ، والمعروف ان يسبب الحركة الدقيقة ، وعدم الاستقرار ، والداء الانحدر في واجهه صفيف الدماغ27،28. لبناء الجهاز الذي يمكن ان تتحرك مع الانسجه العصبية ، والمواد التي هي لينه5،29 ومرنه7 مطلوبه. العديد من البوليمرات المتاحة (انظر Geddes و Roeder30، فلاهي et al.31، و weltman et al.32 لاستعراض) لديها المرونة والاستقرار من الأسلاك الدقيقة ومتوافقة أيضا مع عمليات nanofabrication ، والتي تسمح التعبئة الكثيفة من أجهزه السيليكون.

العديد من القضايا زرع العصبية الخاصة باستخدام صفائف القطب البوليمر مرنه. الأول من هذه هو الادراج من الصفيف ، كما صفائف مرنه تفتقر إلى صلابة لتكون متقدمة في الدماغ مثل السيليكون أو الاستراتيجيات القائمة علي الأسلاك المجهرية. تعتمد غالبيه استراتيجيات الادراج للاجهزه المرنة علي التصلب المؤقت للركيزة كما يتم في هذه الطريقة (انظر Weltman et al.32 للمراجعة). وهناك خمس استراتيجيات بارزه لا تستفيد من المكوك الجامد. أولا ، هناك أساليب التي تستفيد من المواد التي تنتقل من جامده إلى الامتثال علي غرس33،34. والعيب في هذه الاستراتيجية هو انه يتطلب منطقه كبيره نسبيا عبر المقطعية لتحقيق القوه المطلوبة لاختراق انسجه المخ قبل التواء كما تمليه العملية الحسابية التي قامت بها يولر القوهال35ه. هذه الزيادة في المنطقة المقطعية ستؤثر سلبا علي صحة الانسجه المحيطة بها20،21،22،23،24. الثاني هو استخدام هيكل دعم القابلة للازاله فوق الدماغ36، علي الرغم من ان هذا يتطلب أزاله مضيعه للوقت أو انحلال السقالات للحفاظ علي طول الحد الأدنى غير معتمد (وارتفاع القوه التواء). بدلا من ذلك ، فانه يتطلب الصفيف ليتم ادراجها مع طول أطول غير معتمد ، التالي تتطلب الركيزة مصفوفة أكثر صلابة أو أكبر صفيف عبر القطاعات المنطقة. الثالث هو ما قبل الاختراق لفتح حفره لمصفوفة مرنه لادراجها في بعد ذلك35. وهذا يتطلب أعاده الضبط الدقيق أو قطر ما قبل الاختراق الكبير نسبيا ، وصلابة مصفوفة القطب والمنطقة المقطعية للسماح بالادراج غير المعتمد. الرابع هو استخدام الطلاء القابلة للذوبان لتشديد الجهاز مرنه. وهذا يزيد بشكل كبير من المنطقة المقطعية والاضرار الحاده الناجمة عن الادراج ، حتى عندما يتم اتخاذ احتياطات خاصه للحفاظ علي الطرف الحاد للجهاز37. الخامس هو حقن صفيف البوليمر. وقد حققت هذه الاستراتيجية النجاح في تحقيق يزرع مع ما يصل إلى 4 32-ch الادراج2, ولكن يتطلب استخدام مساحة أكبر بكثير عبر مقطعيه للادراج, 250 μm-1.5 مم الخارجي الزجاج أنبوب الشعرية9, تسبب ضررا حادا أكبر. وعلي النقيض من ذلك ، فان استخدام المكوك القابل للازاله ، مع أضافه منطقه مقطعيه إلى الادراج الحاد ، يسمح باستخدام المواد الممكنة الأكثر صلابة ، التالي يمكن ان يكون الحد الأدنى النظري للحجم عند إدخال جهاز مرن بشكل اعتباطي. التالي ، الادراج باستخدام مكوك جامده هو حاليا الخيار الأكثر جاذبيه لادراج الاجهزه المرنة.

هناك نوعان من المتطلبات من اي نهج الادراج المكوك: الركيزة قاسيه بشكل مناسب ووسيلة للزوجين الجهاز مرنه إلى الركيزة. الادراج المواد المكوك هي عاده السيليكون38،39،40،41، الفولاذ المقاوم للصدا8،42، أو التنغستن43،44، 45، مع المواد الأكثر صلابة مما يسمح للمناطق المقطعية أصغر. وعاده ما تلصق هذه باستخدام لاصق مثل البولي إيثيلين غليكول (PEG)8،38،39،42،43، القوات الكهربائية40، أو مباشره المادية اقتران45،46. في جميع الحالات ، والتحديات هي المحاذاة والاقتران من مصفوفة القطب والادراج المكوك قبل الادراج وفصل بعد الادراج. ويرد أدناه صقل للطريقة التي قدمها فيليكس وآخرون39 لوضع قوس مؤقتا مصفوفة القطب الكهربائي مع الادراج السيليكون المكوك ، المرفقة باستخدام PEG ، التي يتم ازالتها بعد الادراج من الصفيف إلى عمق الهدف.

التحدي الثاني الذي تقدمه الاجهزه المرنة داخل الزرع المزمن هو تثبيت الجهاز داخل المخ مع السماح بدمج الجهاز في الغرس المرفق بالجمجمة. يتحرك الدماغ بالنسبة إلى الجمجمة بسبب النبضات الطبيعية ، والتغيرات اللاحقة الصادمة ، والتاثير ، وغيرها من الأسباب ، ولذلك يجب ان تكون مصفوفة القطب الكهربي حره إلى حد ما علي الأقل للتحرك بالنسبة إلى مكان لصقها علي الجمجمة وأجهزه التسجيل. ويتحقق ذلك باستخدام قطعه قاعده بلاستيكية مطبوعه ثلاثية الابعاد ، مصممه خصيصا لكل مجموعه من أهداف الزرع ، والتي لها وظائف متعددة: خزان ملحي اثناء الغرس ، وموقع لحبل صفائف البوليمر ، والإسكان لهلام السيليكون. موقع الربط فوق الجمجمة وهلام السيليكون العمل معا لإنشاء دائره نصف قطرها أكبر من انحناء للمجموعة التالي تسمح لقوات الضغط أكبر علي الصفيف. وهذا بدوره يسمح للحركة من الدماغ بالنسبة إلى نقاط الربط من الصفيف (الجمجمة) لترجمتها إلى الحمل التواء.

وتشمل التحديات الأخرى الحاجة إلى المنزل صفائف متعددة وتوفير الاغاثه سلاله وافره للحيوان للتصرف بحريه دون نقل الاهتزازات أو قوات التاثير إلى صفائف القطب ، والتي يمكن ان تسبب الحركة بالنسبة للانسجه العصبية. وقد عالج هذا التحدي التكيف مع الحلول التي استخدمت في تطبيقات مماثله حيث يجب ان يكون المخ مستقرا بالنسبة لنافذه التسجيل الجامدة. هلام السيليكون مانع التسرب الاصطناعي (جدول المواد) ، والتي سبق ان ثبت ان تكون غير سامه ومنع تسرب السائل الدماغي الشوكي47، ويوفر الضغط المضاد للدماغ لمنع تورم الخارج وتحقيق الاستقرار في مجموعه في سطح الدماغ. يتم أضافه طبقه اضافيه من الحماية إلى شرائط الجهاز من قبل اللزوجة المتوسطة ، الجراحية سيليكون الصف المطاط ، ثبت سابقا للاستخدام في ختم يزرع القطب الشوكي المزمن48. وأخيرا ، فان الحشوة المخزنة بالسيليكون والمرحلة الراسية مغطاه بقطع مطبوعه ثلاثية الابعاد مصممه خصيصا للمحافظة علي مركز منخفض للكتلة للحد الأدنى من الحركة الطبيعية للحيوان.

يبدا هذا البروتوكول مع مجموعه مرنه البوليمر ميكروالكترود شنت علي مكوك الادراج السيليكون. فانه يمضي مع تصاعد الجهاز المكوك صفيف إلى قطع الادراج 3D المطبوعة ، ويصف التقنية الجراحية وزرع خطوات البناء المطلوبة لزرع الحيوانية بنجاح ، وقادر علي دعم سته عشر البوليمر متعدد الأقطاب صفائف مزروعة في ثماني مناطق تشريحيه بعيده في جرذ واحد1.

هذا البروتوكول يفترض مواد البداية من صفائف القطب الكهربائي التي يعلقها البولي إيثيلين اللاصق الحيوي (PEG) لمكوك الادراج السيليكون ، كما هو مبين في فيليكس وآخرون39، واثنين علي الأقل الادراج المنقولة بشكل مستقل القطع: واحد إلى الذي سيتم لصقها المكوك السيليكون واحد الذي سيتم التزام موصل صفيف القطب الكهربائي. يستخدم هذا البروتوكول أيضا قطعه الادراج الثالثة لأكثر أمانا إرفاق قطعتين الادراج إلى الجزئي ميكرون المقياس. يمكن الاطلاع علي جميع ملفات الطباعة ثلاثية الابعاد في: https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3DParts

كل مصفوفة القطب البوليمر ، المستخدمة في هذا الأسلوب يتكون من اثنين إلى أربعه سيقان التسجيل ، وهو الشريط الذي ينقل اثار الكهربائية ، و ، في نهاية الشريط ، موصل الاجهزه أو لوحه الدوائر المطبوعة. يتم إصلاح مصفوفة القطب والشريط علي قمة المكوك السيليكون مع PEG. كل شريط لديه 2 سم طويلة × 1 مم أنبوب بوليميد سميكه تعلق علي الشريط عبر الايبوكسي للشفاء من الاشعه فوق البنفسجية ، وتمتد عمودي علي طول الشريط. يجب تحميل كل جهاز (مصفوفة الأقطاب الكهربائية والادراج) علي قطع الادراج المطبوعة ثلاثية الابعاد والتي سيتم استخدامها لإدخال الصفيف في الدماغ وسحب المكوك (الشكل 1). في هذا التصميم ، الهيدروليكية الادراج الجزئي (الأخضر ، جدول المواد) يتحرك جهاز الادراج بأكمله (قطعه 1 ، قطعه 2 وتراجع الجزئي ، والبرتقالي) إلى عمق الهدف. مره واحده وقد تم فصل الصفيف من جهاز الادراج والثابتة ، والثانية ، تراجع الجزئي (البرتقالي) يعيد قطعه 1 والمكوك المرفقة بشكل مستقل عن بقية جهاز الادراج ، وأزاله المكوك دون تشريد الصفيف.

Figure 1
الشكل 1: مكونات الواضع.
(ا) القطع 1 و 2 ثابته مؤقتا علي بعضها البعض مع المسمار القابلة للازاله وسوف ترسو في وقت لاحق علي المكبس الجزئي تراجع (البرتقالي). (B) يتم التزام المكوك الصفيف والادراج إلى قطعه 1 وموصل صفيف موصوله إلى قطعه 2 مع الشريط علي الوجهين. قطعه 3 يربط التراجع الجزئي والقطع 1 و 2 إلى الادراج الجزئي (الأخضر). يتم إصلاح الإدخال الجزئي إلى محول المجسم لتحديد المواقع زرع. يتم تصوير قطع 1-3 في احجامها النسبية. قطعه 4 هو قطعه استقرار لمحاذاة السليم لمكوك الادراج. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Protocol

وقد تمت الموافقة علي جميع البروتوكولات المتعلقة بالحيوانية الموصوفة في هذه المخطوطة من قبل اللجنة المؤسسية للعناية بالماشية واستخدامها في UCSF.

1. اعداد صفائف الالكترود البوليمر للادراج (~ 30 دقيقه)

  1. نعلق قطعه 1 إلى قطعه 2 عن طريق ادراج المسمار من خلال المحاذاة ، والثقوب المنحى عموديا لقفل القطع معا (الشكل 2). احمل هذه القطعتين في الرذيلة إرفاق الشريط علي الوجهين (جدول المواد) إلى الجزء العلوي من قطعه 2. إرفاق قطعه الاستقرار 4 إلى نهاية قطعه 1. سيقام في مكان عن طريق الاحتكاك.

Figure 2
الشكل 2: تجميع لمحاذاة مجموعه النقل المكوكية.
(ا) تجميع القطع 1 و 2 وتثبيت القطعة في اعداد مرفق النقل المكوكي. (ب) القطع 1 و 2 التي عقدت مع المسمار الإبهام. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

  1. باليد ، محاذاة صفيف القطب ونعلق المكوك الادراج مع الجزء نهاية ضيقه من قطعه 1. عندما يتم محاذاة المسبار مع المحور الطولي من قطعه 1 ، والتمسك موصل صفيف إلى الشريط بوليميد علي الوجهين علي الجزء المسطح من قطعه 2.
  2. مع ملقط من البلاستيك يميل ، والاتصال فقط الجناح بوليميد تعلق علي الشريط الصفيف ، ورفع الادراج المكوك الكهربائي مجموعه تلميح الجهاز قباله قطعه 1 ، إلى الخارج من قطعه استقرار (الشكل 3a).
  3. تطبيق كميه صغيره من السيانواكريليت (جدول المواد) أو غيرها من لاصق (~ 10 μl) إلى نهاية قطعه 1. القليل جدا لن تلتزم بقوة المكوك الادراج إلى قطعه 1 ، المخاطرة مفرزه اثناء الادراج أو التراجع. الكثير من المخاطر تفيض المكوك والتمسك مجموعه نفسها إلى قطعه 1.
  4. باستخدام ملقط البلاستيك يميل ، والاتصال فقط الجناح بوليميد تعلق علي الشريط الصفيف ، وأعاده محاذاة الجهاز مع الجزء الضيق من قطعه 1 ، مع علامة التبويب مربع من المكوك الادراج (والمكوك فقط) علي قمة الغراء (الشكل 3b). اجراء تعديلات محاذاة صغيره عن طريق التلاعب في الجانب من المكوك السليكون أو PEG. تجنب تطبيق القوه المفرطة علي الشريط أو السيقان.

Figure 3
الشكل 3: المحاذاة ، والمرفقات ، وتعقيم المكوك المصفوفة.
(ا) الاتجاه الصحيح لإدخال المكوك-الكهربائي صفيف الجهاز لتطبيق الغراء علي محطه الإرساء من قطعه 1. اثنين--عرقوب صفيف--المكوك المبينة. (B) مصفوفة قطب البوليمر والادراج المكوك التي شنت علي قطعه الادراج ، مع قطعه استقرار مؤقته لمحاذاة. اثنين--عرقوب صفيف--المكوك المبينة. (ج) جهاز الادراج المغطي في صندوق من البلاستيك للحماية اثناء التعقيم. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

  1. تطبيق الضغط الهبوطي لطيف مع ملقط علي كلا الجانبين من قطعه استقرار وأزاله من التجمع دون تحريك الصفيف.
  2. أزاله تجميع الجهاز المحملة (قطعه 1 و 2 ، صفيف ، الادراج المكوك ، وموصل صفيف) من نائب والتمسك بها مع الشريط علي الوجهين إلى قاعده مربع من البلاستيك الصغيرة للتعقيم من قبل أكسيد الاثيلين (الشكل 3C). التعقيم بالبخار غير مناسب لهذه الاجهزه.

2. تصميم قطعه قاعده

  1. تحديد احجام الجمجمة للأهداف المجسمة المختارة ، فضلا عن مواقع مسامير الجماجم والمسامير الارضيه. يتم تحديد حجم الجمجمة من قبل البصمة صفيف ، مع بضع مئات (~ 300) محيط ميكرون لتعديلات التنسيب لتجنب الاوعيه الدموية السطحية.
  2. باستخدام برنامج تصميم (علي سبيل المثال ، CAD) ، تصميم بصمه القطعة الاساسيه لتطويق الجمجمة المخططة وتناسب داخل المحيط المحدد من قبل الحافة الزمنيه ومسامير الجماجم ، وتعظيم مساحة سطح الجمجمة التي ستكون خارج القطعة الاساسيه التي يمكن لاصقه الاسمنت العروة ربط للانضمام إلى زرع الجمجمة.
  3. كفاف السطح السفلي للقطعة الاساسيه بحيث يمكن التزام بها إلى الجمجمة دون ثغرات ، والحد من فرصه العدوى ومنع السائل الملحي أو المطاط السيليكون من تتسرب.
  4. تعيين ارتفاع قطعه قاعده إلى 3-7 مم ، عاليه بما يكفي لعقد المالحة والمطاط السيليكون ولكن منخفضه بما يكفي لعدم عرقله الرؤية اثناء الادراج صفيف (ق).
    ملاحظه: يمكن تصميم القطعة الاساسيه مع المشاركات الراسية أو الميزات المشابهة التي يمكن ان تكون الاجنحه بوليميد المربوطة في نقطه اعلي فوق الجمجمة. عدم السماح لنقاط المرفقات بعرقلة العرض.
  5. 3D طباعه القطعة الاساسيه (الشكل 4) وتعقيم القطعة الاساسيه قبل الغرس.

Figure 4
الشكل 4: جمجمة معده للزرع.
Durectomies كامله مع مسامير الجمجمة ، قاعده طبقه الأكريليك ، وقطعه قاعده ثابته علي الجمجمة.

3. اعداد الجمجمة (~ 2 ح)

  1. حدد الفئران 400 g أو أكبر لدعم وزن الزرع. ذكرت [لونغ-ايفانز] فيران, في 6-12 شهور من عمر كان استعملت.
  2. تخدير الجرذ. وضع الحيوانية في غرفه التخدير. بدوره علي 5 ٪ ايزوفلواني.
  3. حقن جرعه داخل الصفاق من الكيتامين (50 ملغم/كغ) ، اكسيليازين (6 ملغم/كغ) ، الاتروبين (0.14 ملغم/كغ).
    1. رصد عمق التخدير كل 20 دقيقه في جميع انحاء الاجراء عن طريق التحقق من عدم وجود انسحاب من مخلب قرصه ويبقي معدل التنفس 50-75 التنفس/دقيقه.
  4. تطبيق مرهم العين علي الفئران.
  5. احلق راس الجرذ
  6. ضع الحيوانية في الحامل الفراغي.
  7. اعداد الموقع الجراحي عن طريق تنقيه مع ثلاثه الدعك بالتناوب كل من Povidone-اليود فرك الجراحية ، تليها المالحة المعقمة.
  8. حقن 0.2 سم مكعب من 0.5 ٪ ليدوكائين في فروه الراس.
  9. اجراء شق السهمي في الخط الأوسط من الجمجمة تعريض ما لا يقل عن 3 مم الامامي إلى bregma و 3 مم الخلفية لأمدا.
  10. أزاله العظم المحيط باستخدام مسحات القطن.
  11. وضع علامة علي مواقع الادراج واستئصال القحف عن طريق تسجيل الجمجمة بمشرط باستخدام الطائرة الاحداثيه الديكارتية في الجهاز مع جهاز مجسم.
  12. حفر مواقع استئصال الجمجمة ، وترك طبقه رقيقه من العظام التي يمكن ازالتها مع ملقط. لا تعرض الجافية. وهذا يسمح لتنظيف الجمجمة من غبار العظام دون تعطيل دورا.
  13. حفر وادراج مسامير العظام ، واحد في كل مره ، لمنع غبار العظام من دخول الثقوب. استخدام الري متساوي النظائر السخي لأزاله غبار العظام. لزرع ما يقرب من 50 غراما ، استخدم مسامير 10-12. مسامير التيتانيوم تسمح49التكامل العظمي.
    1. تقدم مسامير إلى عمق ان تخترق تماما الجمجمة دون التاثير علي الدماغ.
  14. ربط واحد علي الأقل المسمار العظام إلى سلك موصله كهربائيا لتعمل كارضيه الدائرة.
  15. بعد اكتمال جميع الحفر ، وتنظيف الجمجمة من غبار العظام مع غسل المالحة.
  16. تجفيف الجمجمة مع مسحات القطن أو غيرها من المواد الماصة وتطبيق طبقه أوليه من الاسمنت اللاصقة احكام سد (جدول المادة) إلى مسامير (لا تستخدم الميل ألمينا علي جمجمة القوارض). وهذه المادة الاوليه لاصقه الاسمنت احكام سد زيادة التصاق الزرع وتقليل العمالة في خطوات التصاق في وقت لاحق.
  17. أزاله طبقه رقيقه من العظام المتبقية في كل موقع استئصال الجمجمة.
  18. Incise الجافية باستخدام ابره عيار 30 مع طرف عازمه مع تجنب اي الاوعيه الدموية. طول الشق يطابق ابعاد مكوك الادراج.
    1. إذا كان هناك نزيف ، ري يدويا بالتنقيط المالح لطيف ولا تستمر حتى توقف النزيف.
  19. في حاله القيام بعمليات متعددة ، حافظ علي المواقع رطبه مع رغوة هلام أو طريقه أخرى ، مثل الري العادي كل بضع دقائق مع المحلول الملحي درجه حرارة الجسم.
  20. جفف الجمجمة مره أخرى بمسحات قطنية أو مواد ماصه أخرى استعدادا للتصاق الاسمنت بالقطعة الاساسيه في الجمجمة.
  21. ضع القطعة الاساسيه المعقمة. إذا كانت القطعة الاساسيه سوف تغطي bregma ، وضع علامة علي موقع آخر علي مسافة معروفه بعيدا كوكيل.
  22. تطبيق لاصق الاسمنت العروة حول محيط القطعة الاساسيه. أملا القطعة الاساسيه الملتصقة بالمحلول الملحي. تحديد وتصحيح اي تسرب مع الاسمنت العروة لاصقه في الواجهة بين القطعة الاساسيه وواجهه الجمجمة (الشكل 5).
    ملاحظه: من الاهميه بمكان ان تكون القطعة الاساسيه مضمونه تماما في الجمجمة لمنع تسرب هلام السيليكون الاصطناعي المانع للتسرب ، لان هذا سيمنع التصاق الزرع الكافي بالجمجمة. الحيوانية علي استعداد لادراج صفائف.

4. الادراج المسلسل صفائف و أجل تراجع عن من المكوكات (~ 1 h لكل صفيف)

ملاحظه: يجب ان يتم تجريب هذا الاجراء مع جهاز غير قابل للتطبيق ، خاصه لعمليات زرع صفيف متعددة حيث قد تتداخل جهاز واحد مع غرس الاجهزه اللاحقة.

  1. تحميل القطع 1 و 2 علي المكبس الجزئي تراجع. قم بتعيين المقطع التفصيلي للقطعة 1 لوضع موسع والمقطع التفصيلي للقطعة 3 إلى موضع تراجع. وسوف تنزلق المكبس إلى عمق المحطة الطرفية داخل قطعه 1. قطعه 2 يناسب داخل الجزء العلوي من قطعه 3 ، مع الثقوب الانحياز.
    1. تحميل قطعه 3 علي مكبس الادراج الجزئي ، وأمنه في مكان مع المسمار علي الجزء السفلي من قطعه 3 (الشكل 5ا ، ب).
    2. تحميل والمسمار القطع 2 و 3 معا ، بحيث تتحرك الجزئي الادراج يتحرك جهاز الادراج كله (الشكل 5C).
    3. أزاله المسمار الذي يحمل القطع 1 و 2 معا. قطعه 1 يتحرك بشكل مستقل من قطعه 2 ، للسماح لتراجع منفصلة من المكوك الادراج من الجهاز.
    4. ادراج هذا المسمار في الحفرة الجانبية من قطعه 1 ، عمودي علي المسار المكبس ، حتى المسمار يطبق الضغط علي المكبس. وهذا يؤكد ان قطعه 1 يتحرك وفقا لتراجع مكبس ، كما راينا في الشكل 5D. تاكد من اختيار الثقب الجانبي الذي لن يعيق الرؤية عندما يتم تركيب الجهاز علي الاداه المجسمة.

Figure 5
الشكل 5: جمعيه الواضع.
(ا) تركيب القطعة 3 علي الأجزاءالصغيرة. (ب) ملحق القطعتين 1 و 2 علي جهاز الادراج. (ج) قطع الادراج مع الكهربائية التي شنت صفيف الادراج الجهاز المكوك. (د) الإبهام برغي عقد قطعه 1 و 2 معا أزاله. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

  1. أزاله اي رغوة هلام من كرانبيكا. استخدم bregma الحقيقي أو الوكيل لاستهداف المجسم. عند نقل الجهاز إلى موقع الادراج ، والحفاظ علي ارتفاع ما لا يقل عن بضعة سنتيمترات فوق الجمجمة.
    1. تجنب فترات طويلة من الجهاز المكوك الصفيف بالقرب من الجمجمة أو الدماغ لتقليل فرص ان التكثيف سيفصل الصفيف من المكوك الادراج قبل أو اثناء الادراج. في حاله حدوث ذلك ، حاول رفع الجهاز المكوك الصفيف عاليه فوق الدماغ والجمجمة وانتظر حتى يجف وأعاده التصاق.
  2. ضبط إحداثيات الزرع لتجنب الاوعيه الدموية السطحية. كما اثناء استئصال الجمجمة واستئصال المبيض ، وتجنب اختراق السفن مباشره.
  3. ادخل الجهاز بخفه (~ 25 ميكرومتر/ثانيه) ، وخفض مع الصك المجسم حتى يدخل الجهاز الدماغ. الجهاز لن تخترق الدماغ علي الفور. وسوف تعتمد درجه المقاومة والدمامل علي الموقع المستهدف وتصميم الجهاز (علي سبيل المثال ، اثنان مقابل أربع سيقان ، زاوية التلميح) ، ولكن الدمامل عاده لا تتجاوز 1 مم (الشكل 6).

Figure 6
الشكل 6: صفيف-المكوك الادراج.
وتقدم مصفوفة المكوك إلى الدماغ إلى عمق الهدف. أربعه عرقوب صفيف-مكوك يظهر.

  1. مره واحده في الدماغ ، واقل مع الجزئي ، وانخفاض السرعة علي نهج لعمق الهدف:
    1. استخدام الذراع المجسم لبدء ادراج في 25 μm/ثانيه.
    2. استخدام الجزئي لادراج في 10 μm/ثانيه عندما 2 مم إلى 1 مم فوق عمق الهدف.
    3. بطء الادراج مع الجزئي إلى 5 μm/ثانيه عندما 1 ملم إلى 500 μm فوق عمق الهدف.
    4. بطء الادراج ابعد من 1-2 μm/ثانيه خلال النهائي 500 μm إلى الهدف.
  2. تصور اجنحه الجهاز (أنابيب بوليميد الأفقي) ونقطه الادراج اثناء خفض لتجنب السابق لأوانه مفرزه مجموعه المكوك.
  3. عندما تم التوصل إلى عمق الهدف (الشكل 7a) ، وإرساء ثنائي اجنحه بوليميد إلى مواقع المرفق قطعه قاعده عن طريق الأكريليك قابل للشفاء الخفيفة أو لاصقه أخرى مثل السيانواكريليت (جدول المواد). الجافة ، إذا لزم الأمر ، واجنحه أو نقطه المرفق علي قطعه قاعده ، كما يمكن جمع التكثيف علي هذه الأسطح ومنع التصاق. إذا كانت الرؤية أو قيود المساحة الأخرى تتطلب ، فان الرسو في جناح بوليميد واحد فقط يكون كافيا عاده.
  4. قبل الانحلال ، وسوف تظهر شماعة ككتله كرويه يجلس علي قمة مجموعه والادراج واجهه المكوك (الشكل 7A). تذوب PEG بلطف يقطر الجسم درجه حرارة المحلول الملحي علي الصفيف عند نقطه حيث يتم التزام بها إلى المكوك. طول الوقت الذي يتطلبه هذا سوف يعتمد علي الوزن الجزيئي لل PEG المحددة ويمكن التحقق من انحلال كامل مع التصور المباشر. عندما تم حل PEG تماما حدود صفائف ستكون ملحوظة تماما من المكوك وقطعه 1 (الشكل 7B).

Figure 7
الشكل 7: تراجع المكوك.
(ا) الربط بين الاجنحه قبل التراجع. وتظهر مجموعه الساقين والمكوك. (B) حل الوتد والتصاق الجناح مع ميزه عرقوب (دائره ، والأزرق) الذي يسمح لتاكيد البصرية من فصل ناجح من الصفيف والمكوك اثناء التراجع. (ج) تم التراجع عن ادراج صفيف ناجح بعد نقل المكوك. (د) قطعه قاعده مع هلام السيليكون يملا لادراج صفيف واحد اثنين من عرقوب. هلام السيليكون منخفض اللزوجة المستخدمة لديه صبغه زرقاء. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

  1. باستخدام التراجع الجزئي ، سحب ببطء مكوك الادراج. مواصله الري المالحة (~ 1 قطره/ثانيه) علي الصفيف يجري سحبه. استخدم سرعات التراجع التي هي نفس سرعه الادراج عند المسافات ذات الصلة من عمق الهدف:
    1. سحب باستخدام الجزئي في 1-2 μm/ثانيه من عمق الهدف إلى-500 μm.
    2. تسريع التراجع باستخدام الجزئي في 5 μm/ثانيه عندما-500 μm إلى-1 مم.
    3. تسريع التراجع باستخدام الجزئي في 10 ميكرومتر/ثانيه عندما-1 مم إلى-2 مم.
    4. السحب باستخدام الذراع المجسم في 25 ميكرومتر/ثانيه من-2 مم من الهدف وصعودا.
  2. تصور واجهه بين الصفيف والادراج المكوك اثناء التراجع. ستفصل مجموعه البوليمر بشكل واضح عن المكوك وتبدو شفافة حيث ان المكوك يتراجع عند تقاطع نصف دائري بين سيقان مكوك الادراج (الشكل 7 ب).
  3. أزاله موصل صفيف من قطعه 2 والانتقال إلى موقع لن تتداخل مع عمليات الادراج اللاحقة. مصفوفة القطب الكهربائي البوليمر الآن في الدماغ ولم يعد متصلا إلى الجهاز المجسم (الشكل 7C). أزاله مكوك الادراج وأجهزه الادراج الأخرى.
  4. لعده عمليات الادراج ، كرر الخطوات 4.1-4.9; لا تنتقل إلى المقطع التالي حتى يتم ادراج كافة الصفائف المطلوبة. فمن سوء نصح لادراج جهازين داخل 250 μm من بعضها البعض ، كما الانحناء طفيف من الشريط الجهاز بين الدماغ والاجنحه في منطقه الاغاثه سلاله يمكن ان تمتد علي الأقل هذا الحد.

5. زرع البناء (~ 2 h)

  1. بعد الادراج الصفيف النهائي ، المالحة فارغه من القطعة الاساسيه باستخدام ماصه أو مسحه القطن ، والحرص علي عدم تعطيل صفائف مزروع أو شرائط.
  2. ملء الجمجمة والقطعة الاساسيه مع المطاط المنخفض اللزوجة سيليكون ، أو غيرها من تسرب الوضعي الاصطناعي. السماح لها لعلاج (الشكل 7D). مع الادراج متعددة ، ضع الموصلات الاجهزه حيث انها لا تتداخل (الشكل 8A). توجيه بشكل مناسب الموصلات صفيف ، وبناء زرع ، التالي فان أشرطه هي في موقفهم المطلوب النهائي.
  3. تغطيه صفائف ، شرائط صفيف ، والموصلات في المتوسطة اللزوجة سيليكون الاستومر. إيلاء اهتمام خاص لواجهه البوليمر موصل ، وهذا لينه الصلب واجهه المواد عرضه للتلف. تغطيه شرائط الصفيف تماما مثل انه عندما يشفي المتوسطة اللزوجة سيليكون ، فانها يتم تعبئتها.
  4. ارفق الاجهزه المطاطية المغطية في الحالة المصممة.
  5. تعزيز قاعده زرع مع الأكريليك الأسنان. لا تسمح الأكريليك لتاتي إلى اتصال مباشر مع شرائط صفيف لان التوسع في الأكريليك في حين انه يشفي يمكن ان تضر اثار موصل.
  6. تطبيق bupivicaine ومرهم باسيتراسين حول الشق.
  7. إغلاق الشق باستخدام خيوط النايلون 4-0 والغراء الجلد.

6. الانتعاش والرعاية زرع

  1. أزاله الحيوانية من الجهاز المجسم ووضع علي جانبها علي وساده التدفئة.
  2. إعطاء الحقن تحت الجلد من الحل الساخنة الرنين (5-10 مل) لترطيب الحيوانية.
  3. مره واحده الحيوانية هو الحركة (10-60 دقيقه) ، ونقل إلى قفص مع نصف القفص تحت وساده التدفئة في 37 درجه مئوية لمده 2-3 يوما.
  4. تحت وساده التدفئة ، وإعطاء الوصول إلى الطعام والماء خففت.
  5. حقن الحيوانية مع 2 مغ/كغ Meloxicam كل 24 ح (الاداره تحت الجلد أو عن طريق الفم) لمده 1 أسبوع حسب الحاجة للسيطرة علي الم.
  6. السماح للفئران 1-2 أسابيع للشفاء والتكيف مع الوزن زرع (الشكل 8B).
  7. قم باجراء غسيل الكلوركسيدين المنتظم للانسجه حول الزرع والفحص اليومي للتهيج أو العدوى أو التهيج.

Figure 8
الشكل 8: صفائف مدرجه متعددة والفئران بعد الانتعاش من الغرس. (ا) موصلات الاجهزه في المواقع التي لا تتداخل مع عمليات الادراج اللاحقة. (ب) 1,024-قناه ، والبوليمر المزمن زرع صفيف. مستنسخه باذن من الخلايا العصبية [الشكل التكميلي 1H]1. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Representative Results

بعد هذا البروتوكول ، وسجل زرع العصبية 1,024 قناه أنتجت 375 وحدات واحده1 (فرزها مع الجبل الفرز50، والضوضاء تتداخل < 0.03 ، والعزلة > 0.96 ، 512 القناات المستخدمة لتسجيل وحده واحده ، الشكل 9a). ويمكن استخدام هذا البروتوكول لزرع اعداد مختلفه من الاجهزه ، مع مختلف التهم قناه والمواصفات ، إلى مجموعات مختلفه من تسجيل الأهداف. باستخدام نفس البروتوكول ، وقد ثبت وحده واحده تسجيل طول العمر لمده 160 يوما علي الأقل1 في البيانات من 19 جهازا (18 32-قناه الاجهزه في الرؤوس الاماميه ، 1 64-قناه الجهاز في القشرة الاماميه المدارية) عبر ثلاثه فئران مختلفه ( الشكل 9 باء). وكان أحد الثلاثة الحيوانية فشل الكهربائية الرقمية مما ادي إلى عدم القدرة علي تسجيل من أربعه أجهزه. من الاجهزه 15/19 المتبقية ، كان هناك تسجيل متوسط العائد من ~ 1 وحده واحده لكل قناه. وكانت الاجهزه الفردية الغلة من وحدات قليله واحده تصل إلى ~ 2 وحدات لكل قناه. ومن المعتاد ان نري غله مختلفه جدا علي الاجهزه المزروعة في نفس الحيوانية في نفس المنطقة.

الاضافه إلى ذلك ، قام فريق جراحي مختلف يتبع البروتوكول الموصوف هنا بزرع سته من الماشية الاضافيه لكل منها مع مزيج من الاجهزه التي تبلغ 4-6 32 قناه والتي تستهدف القشرة الاماميه المدارية والمكونات النواة ، والمحرك الفائق (الغرس الكلي الوزن تقريبا 50 g). وكان أحد الحيوانيين المزروعة فصل خلال شهر واحد من الجراحة. وتوفي أحد الحيوانيين الآخرين خلال فتره النقاهة بعد العملية الجراحية ، ومن المرجح انه لا علاقة له بخطوات البروتوكول الموصوفة هنا. بقي المتبقي أربعه ماشيه يصح مع يزرع ثابته ان للطول التجربة, اي استمر 4-11 شهور. كانت حسابات وحده واحده مشابهه لتلك التي تم الإبلاغ عنها سابقا للاجهزه 32 قناه.

Figure 9
الشكل 9: الغلة وتسجيل طول العمر للوحدة الواحدة.
(ا) عدد مجموعات الوحدات الاحاديه المفترضة الماخوذه من 512 قناه (من القناات المزروعة في 1,024) ، الطبقية حسب عتبات مقاييس الجودة. الميكنة الألى باستخدام الجبل (الضوضاء تراكب 0.03 ، العزلة 0.96 ، المربع الأسود في الجزء العلوي الأيمن) ادي إلى تحديد 375 وحده واحده من قنوات 512. مستنسخه باذن من الخلايا العصبية [الشكل 2 ا]1. (ب) الوحدة الواحدة لإنتاج صفائف البوليمر لكل قناه (المحور ص الأيسر) أو لكل عرقوب 16 قناه (المحور y الأيمن) خلال 160 يوما بعد الغرس (محور x) في الجرذان. خط الصلبة هو العائد الخلية المتوسطة عبر 8 السيقان ، خطوط منقطه ± 1 SE. تظهر النقاط الزمنيه الفردية لكل عرقوب كنقاط مرمزه بألوان حسب المنطقة. مستنسخه باذن من الخلايا العصبية [الشكل 3 ا]1. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Discussion

هذا هو وسيله لغرس صفائف القطب البوليمر متعددة لمناطق الدماغ الموزعة لتسجيل وحدات واحده علي مدي أشهر. يمثل هذا الأسلوب زيادة 8x في قنوات التسجيل و 4x زيادة في عدد عمليات الادراج من أقرب نظام البوليمر صفيف القائم علي نطاق واسع2,3. واستخدم هذا النظام نظاما قائما علي حقن البوليمر بالماوس ولكنه لم يبلغ عن عدد مطلق من الوحدات الاحاديه المفترضة ، التالي فان المقارنة بين محصول الخلايا العصبية الواحدة ليس ممكنا.

تعتمد طريقه إدخال جهاز مرن علي بروتوكول سابق من فيليكس وآخرون39، مع التعديلات الهامه: جهاز ادراج من ثلاث قطع للحركة المستقلة لمكوك السليكون اثناء التراجع ، والربط من الصفيف في عمقها المستهدف قبل التراجع عن المكوك ، والتي تقضي معا علي الحاجة إلى الانسحاب السريع الموصوف في البروتوكول الأصلي. تقلل هذه التغييرات من تلف الانسجه وتحافظ علي ثبات المصفوفة اثناء تراجع المكوك. استراتيجيات زرع الجهاز المرنة الأخرى ، مثل الاجهزه التي تعمل بالتصلب مؤقتا مع المواد القابلة للذوبان الحيوي ، متوافقة مع الخطوات اللاحقة في هذا البروتوكول. تامين الاجهزه داخل الزرع استلزم دمج الاستراتيجيات التي تم التحقق منها سابقا لتغطيه الدماغ وحماية شرائط الجهاز الحساسة.

نظرا لهشاشتها ، والرعاية والاهتمام مطلوبه لتجنب الاتصال مباشره أو بخلاف ذلك نقل القوه إلى صفائف القطب البوليمر والمكوكات الادراج السيليكون. لا سيما عند العمل مع أجهزه متعددة ، وينبغي ملاحظه الادراج تحت المجهر لتجنب التدخل من جهاز واحد مع آخر. بشكل عام ، فمن الممكن للتعامل مع مجموعه القطب الكهربائي بلطف مع ملقط البلاستيك يميل ، وتجنب اثار. مثل هذه الاستراتيجية المناسبة ، علي سبيل المثال ، إذا كان البوليمر القطب الكهربائي يبدا التراجع مع المكوك الادراج. يمكن ان يحدث هذا إذا لم يتم حل PEG تماما ، أو بسبب التوتر السطحي من المحلول الملحي أو السائل الدماغي الشوكي بين البوليمر والسليكون.

واحده من الأخطاء القابلة للاسترداد الأكثر شيوعا هي مفرزه صفيف من مكوك الادراج. وهذا يمكن ان يحدث عند الادراج, كما الدمامل الدماغ والضغط في تلميح الجهاز يزيد, إذا كانت مصفوفة والمكوك غير منحازة تماما أو إذا كان التكثيف جزئيا حل PEG. لأعاده التمسك صفيف ، ورفعها علي اعلي مستوي ممكن فوق سطح الدماغ والانتظار حتى يجف (حوالي 5 دقائق).

ومن الجوانب الهامه للتخطيط لعمليه زرع متعددة المصفوفات تصميم القطعة الاساسيه لاستيعاب جميع أهداف الزرع والجلوس دون ثغرات ضد محيط الجمجمة. القطعة الاساسيه هي قطعه بلاستيكية صغيره مثبته علي الجمجمة بعد تنظيف الجمجمة ، وضع المسمار ، والسواعد الجزئية ، قبل ادراج المصفوفات. فقد ثلاث وظائف: 1) لعقد المالحة لأذابه PEG الادراج التالية الصفيف ولكن قبل تراجع السيليكون المكوك ، 2) لتوفير موقع فوق سطح الجمجمة التي يمكن إرفاقها صفائف من قبل اجنحه بوليميد ، مما يسمح تخفيف الضغط علي طول الشريط فوق نقطه الادراج في الدماغ ، و 3) لعقد تسرب الوضعي الاصطناعي ، الذي يستقر ويحمي صفائف والدماغ. القطعة الاساسيه يمكن ان تكون الطراز باليد أو 3D المطبوعة. ولوحظ ان استنزاف وتجفيف الجزء الأساسي من المحلول الملحي مهم جدا قبل إدخال الجهاز. هذه الخطوات منع التكثيف والفصل بين الصفيف والادراج المكوك. تجفيف القطعة الاساسيه هو أيضا أمر حاسم لملء قطعه قاعده مع تسرب الوضعي الاصطناعي. ومن المهم أيضا ان القطعة الاساسيه لا تسرب ، كما فيلم من هلام السيليكون من الصعب أزاله من الجمجمة ، وسوف تمنع التصاق الأكريليك الأسنان لمرفق مزمن موثوق به من زرع إلى الجمجمة. ومن المتوقع ان اي اللزوجة المنخفضة ، المطاط الحيوي سيليكون يمكن استخدامها لملء الجمجمة والقطعة الاساسيه ، مع المطاط سيليكون اللزوجة اعلي المحيطة به وشرائط صفيف البوليمر المكشوفة.

التقدم في البوليمر nanofabrication سوف تترجم إلى صفائف القطب القائم علي البوليمر ، والحد من احجام ميزه وزيادة عدد ممكن من الأقطاب الكهربائية في صفيف أقرب إلى تلك التي من أجهزه السيليكون15،16،17 و18و19. المثل ، فان المناطق المقطعية من أجهزه البوليمر يتقلص إلى جانب احجام الميزات ، وتوفير أفضل التوافق البيولوجي8. مره أخرى ، كما يجري إنجازه مع أجهزه السيليكون ، والتكامل مع تضخيم ، الترقيم ، ومضاعفه رقائق17 سيتيح مزيد من التسجيل العصبية علي نطاق أوسع.

Disclosures

جي اي سي و L.M.F. هم مخترعون علي براءة اختراع معلقه تتعلق بالعمل الموصوف هنا.

Acknowledgments

وقد تم دعم هذا العمل من قبل NINDS منحه U01NS090537 إلى V.M.T. ، ومنحه NIMH F30MH109292 إلى جي اي سي ، ومنحه NIMH F30MH115582 إلى H.R.J. j.e.c. وh.r.j. وتدعم أيضا من قبل المنحة NIGMS MSTP #T32GM007618. معهد فلاتيرون هو قسم من مؤسسه سيمونز.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chung, J. E., et al. High-Density, Long-Lasting, and Multi-region Electrophysiological Recordings Using Polymer Electrode Arrays. Neuron. 101 (1), 21-31 (2019).
  2. Fu, T. M., Hong, G., Viveros, R. D., Zhou, T., Lieber, C. M. Highly scalable multichannel mesh electronics for stable chronic brain electrophysiology. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (47), E10046-E10055 (2017).
  3. Fu, T. M., et al. Stable long-term chronic brain mapping at the single-neuron level. Nature Methods. 13 (10), 875-882 (2016).
  4. Gilletti, A., Muthuswamy, J. Brain micromotion around implants in the rodent somatosensory cortex. Journal of Neural Engineering. 3 (3), 189-195 (2006).
  5. Jeong, J. W., et al. Soft Materials in Neuroengineering for Hard Problems in Neuroscience. Neuron. 86 (1), 175-186 (2015).
  6. Kim, T. I., et al. Injectable, cellular-scale optoelectronics with applications for wireless optogenetics. Science. 340 (6129), 211-216 (2013).
  7. Lee, H. C., et al. Histological evaluation of flexible neural implants; flexibility limit for reducing the tissue response? Journal of Neural Engineering. 14 (3), (2017).
  8. Luan, L., et al. Ultraflexible nanoelectronic probes form reliable, glial scar-free neural integration. Science Advances. 3 (2), (2017).
  9. Schuhmann, T. G. Jr, et al. Syringe-injectable Mesh Electronics for Stable Chronic Rodent Electrophysiology. Journal of Visualized Experiments. (137), (2018).
  10. Dhawale, A. K., et al. Automated long-term recording and analysis of neural activity in behaving animals. Elife. 6, (2017).
  11. Schwarz, D. A., et al. Chronic,wireless recordings of large-scale brain activity in freely moving rhesus monkeys. Nature Methods. 11 (6), 670-676 (2014).
  12. Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: drive fabrication. Journal of Visualized Experiments. (26), (2009).
  13. Lu, L., Popeney, B., Dickman, J. D., Angelaki, D. E. Construction of an Improved Multi-Tetrode Hyperdrive for Large-Scale Neural Recording in Behaving Rats. Journal of Visualized Experiments. (135), (2018).
  14. Nguyen, D. P., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly. Journal of Visualized Experiments. (26), (2009).
  15. High-Density Cmos Neural Probe Implementing a Hierarchical Addressing Scheme for 1600 Recording Sites and 32 Output Channels. Herbawi, A. S., Kiessner, L., Paul, O., Ruther, P. 2017 19th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers), , 20-23 (2017).
  16. Raducanu, B. C., et al. Time Multiplexed Active Neural Probe with 1356 Parallel Recording Sites. Sensors (Basel). 17 (10), (2017).
  17. Jun, J. J., et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).
  18. Lopez, C. M., et al. A Neural Probe With Up to 966 Electrodes and Up to 384 Configurable Channels in 0.13 mu m SOI CMOS. Ieee Transactions on Biomedical Circuits and Systems. 11 (3), 510-522 (2017).
  19. Scholvin, J., et al. Close-Packed Silicon Microelectrodes for Scalable Spatially Oversampled Neural Recording. Ieee Transactions on Biomedical Engineering. 63 (1), 120-130 (2016).
  20. Bernatchez, S. F., Parks, P. J., Gibbons, D. F. Interaction of macrophages with fibrous materials in vitro. Biomaterials. 17 (21), 2077-2086 (1996).
  21. Sanders, J. E., Stiles, C. E., Hayes, C. L. Tissue response to single-polymer fibers of varying diameters: Evaluation of fibrous encapsulation and macrophage density. Journal of Biomedical Materials Research. 52 (1), 231-237 (2000).
  22. Seymour, J. P., Kipke, D. R. Neural probe design for reduced tissue encapsulation in CNS. Biomaterials. 28 (25), 3594-3607 (2007).
  23. Szarowski, D. H., et al. Brain responses to micro-machined silicon devices. Brain Research. 983 (1-2), 23-35 (2003).
  24. Thelin, J., et al. Implant Size and Fixation Mode Strongly Influence Tissue Reactions in the CNS. PLoS One. 6 (1), (2011).
  25. Mols, K., Musa, S., Nuttin, B., Lagae, L., Bonin, V. In vivo characterization of the electrophysiological and astrocytic responses to a silicon neuroprobe implanted in the mouse neocortex. Science Reports. 7 (1), 15642 (2017).
  26. Okun, M., Lak, A., Carandini, M., Harris, K. D. Long Term Recordings with Immobile Silicon Probes in the Mouse Cortex. PLoS One. 11 (3), e0151180 (2016).
  27. Kim, Y. T., Hitchcock, R. W., Bridge, M. J., Tresco, P. A. Chronic response of adult rat brain tissue to implants anchored to the skull. Biomaterials. 25 (12), 2229-2237 (2004).
  28. Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. The brain tissue response to implanted silicon microelectrode arrays is increased when the device is tethered to the skull. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 82 (1), 169-178 (2007).
  29. Lacour, S. P., Courtine, G., Guck, J. Materials and technologies for soft implantable neuroprostheses. Nature Reviews Materials. 1 (10), (2016).
  30. Geddes, L. A., Roeder, R. Criteria for the selection of materials for implanted electrodes. Annals of Biomedical Engineering. 31 (7), 879-890 (2003).
  31. Fattahi, P., Yang, G., Kim, G., Abidian, M. R. A Review of Organic and Inorganic Biomaterials for Neural Interfaces. Advanced Materials. 26 (12), 1846-1885 (2014).
  32. Weltman, A., Yoo, J., Meng, E. Flexible, Penetrating Brain Probes Enabled by Advances in Polymer Microfabrication. Micromachines. 7 (10), (2016).
  33. Ware, T., et al. Fabrication of Responsive, Softening Neural Interfaces. Advanced Functional Materials. 22 (16), 3470-3479 (2012).
  34. Harris, J. P., et al. Mechanically adaptive intracortical implants improve the proximity of neuronal cell bodies. Journal of Neural Engineering. 8 (6), (2011).
  35. Rousche, P. J., et al. Flexible polyimide-based intracortical electrode arrays with bioactive capability. Ieee Transactions on Biomedical Engineering. 48 (3), 361-371 (2001).
  36. Patel, P. R., et al. Insertion of linear 8.4 mu m diameter 16 channel carbon fiber electrode arrays for single unit recordings. Journal of Neural Engineering. 12 (4), (2015).
  37. Xiang, Z. L., et al. Ultra-thin flexible polyimide neural probe embedded in a dissolvable maltose-coated microneedle. Journal of Micromechanics and Microengineering. 24 (6), (2014).
  38. Felix, S., et al. Removable silicon insertion stiffeners for neural probes using polyethylene glycol as a biodissolvable adhesive. Conference Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2012, 871-874 (2012).
  39. Felix, S. H., et al. Insertion of flexible neural probes using rigid stiffeners attached with biodissolvable adhesive. Journal of Visualized Experiments. (79), (2013).
  40. Kozai, T. D. Y., Kipke, D. R. Insertion shuttle with carboxyl terminated self-assembled monolayer coatings for implanting flexible polymer neural probes in the brain. Journal of Neuroscience Methods. 184 (2), 199-205 (2009).
  41. Joo, H. R., Fan, J. L., Chen, S., et al. A microfabricated, 3D-sharpened silicon shuttle for insertion of flexible electrode arrays through dura mater into brain. J Neural Eng. , (2009).
  42. Sohal, H. S., et al. The sinusoidal probe: a new approach to improve electrode longevity. Frontiers in Neuroengineering. 7, 10 (2014).
  43. Kim, B. J., et al. 3D Parylene sheath neural probe for chronic recordings. Journal of Neural Engineering. 10 (4), (2013).
  44. Zhao, Z., et al. Parallel, minimally-invasive implantation of ultra-flexible neural electrode arrays. Journal of Neural Engineering. , (2019).
  45. Richter, A., et al. A simple implantation method for flexible, multisite microelectrodes into rat brains. Frontiers in Neuroengineering. 6, 6 (2013).
  46. Hanson, T. L., Diaz-Botia, C. A., Kharazia, V., Maharbiz, M. M., Sabes, P. N. The “sewing machine” for minimally invasive neural recording. bioRxiv. , (2019).
  47. Jackson, N., Muthuswamy, J. Artificial dural sealant that allows multiple penetrations of implantable brain probes. Journal of Neuroscience Methods. 171 (1), 147-152 (2008).
  48. Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. Journal of Visualized Experiments. (60), (2012).
  49. Bothe, R. T., Beaton, K. E., Davenport, H. A. Reaction of Bone to Multiple Metallic Implants. Surgery, Gynecology and Obstetrics. 71, 598-602 (1940).
  50. Chung, J. E., et al. A Fully Automated Approach to Spike Sorting. Neuron. 95 (6), 1381-1394 (2017).

Tags

علم الأعصاب ، الإصدار 152 ، صفائف ميكروالكترود ، البوليمر العصبية المجسات ، صفائف البوليمر الكهربائي ، الغرس المزمن ، الفيزيولوجيا الكهربية ، القوارض ، المجال المحلي المحتمل ، وحده واحده ، الخلايا العصبية ، تسجيل متعدد المواقع
الزرع المزمن للصفائف متعددة البوليمرات المرنة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter