Method Article

Sinir Arayüzler için voltaj kutuplanması, Voltametri, ve Elektrik Empedans Spektroskopisi

DOI:

10.3791/3566

⸱

February 24th, 2012

 ,  ,  ,  ,  , 
1Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, 2Biomedical Engineering, University of Wisconsin-Madison, 3Biomedical Engineering, University of Michigan , 4Department of Biological Sciences, Purdue University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nöral kayıt elektrotları elektrot-doku arayüzü impedans spektroskopisi (EIS) ve voltametri (CV) ile karakterize edilebilir. Gerilim değişiklikleri elektrot-doku arayüzü elektrokimyasal özelliklerini kutuplama ve artırabilir kayıt özelliği uygulanması. Gerilim kutuplama, EIS, CV ve sinir kayıtları tamamlayıcıdır.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektrik impedans spektroskopisi (EIS) ve voltametri (CV) ek invaziv prosedürler olmaksızın elektrot-doku arayüzü ölçü özellikleri ve uzun vadede elektrot performansını izlemek için kullanılabilir. EIS çoklu frekanslarda elektrik empedansı ölçer ve voltametri elektrod taşıma kapasitesi şarj ölçer ve şarj farklı gerilim seviyelerinde nasıl aktarıldığını gösterir iken empedans artar, cihaz etrafında artmış glial skar oluşumu göstermektedir. Yerleştirilmiş elektrotlar yaş, EIS ve CV veri değişim ve daha önce spiking nöronlar kaydedildi elektrot siteler genellikle sinirsel kayıt için daha düşük etkinlik sergilemek gibi. Gençleşme olarak bilinen elektrot implante diziler, kısa bir gerilim darbe uygulaması bir süre için aksi sessiz elektrot sitelerinde faaliyet spiking geri getirebilir. Gençleştirme değiştirir EIS ve CV ve bu tamamlayıcı yöntemler izlenebilir. Tipik olarak, EIS elektrot yerinde doku tepkisi bir göstergesi olarak, günlük olarak ölçülür. Sivri önceden sivri olan bir kanal eksik bulundukları takdirde, daha sonra CV elektrot sitesi taşıma kapasitesi şarj belirlemek için kullanılır, ve yenilenme arayüz etkinliğini arttırmak için uygulanabilir. CV ve EIS sonra elektrot-doku arayüzünde değişiklikleri kontrol etmek için tekrarlanan ve nöral kayıtları toplanır. Gençleştirme genel amacı implante dizilerin fonksiyonel ömrünü uzatmak için.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Elektrokimya Enstrüman ayarlama

  1. Böyle bir Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, NL) gibi Elektrokimya enstrümantasyon ÇBS, CV ve Gençleştirme için gereklidir. Add-on FRA2 ÇBS sağlar ve kanal çoklayıcı (MUX) add-on multi-kanal elektrotlar test etmek için yararlıdır.
  2. Headstage için MUX kanal bağlamak için bir headstage adaptörü oluşturun.
  3. Bağlantılarını yapın. Çalışma ve MUX kanala elektrotlar algılama ve geçerli dönüş yolu bağlı, tipik bir implante paslanmaz çelik veya titanyum kemik vidası headstage adaptörünün parçası referans ve karşı elektrotlar bağlayın bağlayın.

2. Elektrik Empedans Spektroskopisi

  1. Frekans Analyzer (FRA) yazılımını başlatın ve Usulü dosya ayarlarını doğrulayın. Prosedür her anda 10 Hz ile 30 arasında değişen 15 sinüslerle oluşan iki multi-sinüs dalga test etmek için ayarlanmış olmalıdırkHz. Uygulanan voltaj 25 mV veya (tamamlayıcı yöntemler bakınız) daha az olmalıdır.
  2. Proje dosyasını açın ve düzenleyin. Proje, Usul dosyasını kullanan her kanal döngüsü ve sonucu (ek yöntemler bakınız) kaydeder.
  3. Pasif bir (hayır amplifikatörler) headstage hayvan konu bağlayın. Aktif headstages giriş sinyalleri geçmek olmaz.
  4. Proje dosyayı çalıştırın. Her kanal ayarlarına bağlı olarak saniyede onlarca alır.
  5. Sonucu görüntülemek ve yorumlamak. MATLAB (Natick, MA) ile çıkış metin dosyalarını ayrıştırma ve Nyquist arsa olun. Yüksek frekansları bir yarım daire, bir doku tepkisi gösterir.

3. Voltametri

  1. Genel Amaçlı Elektrokimya Sistemi (GPES) yazılımı başlatın ve Usulü dosya ayarlarını doğrulayın. Prosedürü (Pt, mV / s Tipik bir sinir elektrot malzemeleri için +0.8 ila -0.6 V hidroliz sınırları içinde 50 voltaj süpürmek için ayarlanmış olmalıdırIr, IROX). En az üç taramaları dengeye ulaşması sistemi için çalıştırılmalıdır. Nihai tarama elde edilen sonuçlar (ek yöntemler bakınız) kaydedilir. Tarama hızı azaltmak için ölçüm süresi 1 V / s ile arttırılabilir; tarama hızı elektrot-doku arayüz meydana gelen yük iletimi reaksiyon daha hızlı olduğu, ancak, IV grafiğinin şeklini değişecektir.
  2. Proje dosyasını açın ve düzenleyin. Proje, Usul dosyasını kullanan her kanal döngüsü ve sonucu (ek yöntemler bakınız) kaydeder.
  3. Pasif bir headstage hayvan konu bağlayın.
  4. Proje dosyayı çalıştırın. Her kanal ayarlarına bağlı olarak yaklaşık üç dakika sürer. 1 V / s tarama hızı artan kanal başına yaklaşık on saniye için ölçüm zamanını azaltır.
  5. Sonucu görüntülemek ve yorumlamak. MATLAB ile çıkış metin dosyalarını ayrıştırmak ve IV ilişki çizdirilir. Taşıma kapasitesi ücret alan entegre ederek ölçülürCV içinde katodik akım.

4. Gençleştirme

  1. Genel Amaçlı Elektrokimya Sistemi (GPES) yazılımı başlatın ve Usulü dosya ayarlarını doğrulayın. Adımlar ve Sweeps yöntemi kullanarak, işlem (ek yöntemler bakınız) 4 saniyelik bir süre için 1.5 V gerilim adıma ayarlanmalıdır.
  2. Proje dosyasını açın ve düzenleyin. Proje, Usul dosyasını kullanan her kanal döngüsü ve sonucu (ek yöntemler bakınız) kaydeder.
  3. Pasif bir headstage hayvan konu bağlayın.
  4. Proje dosyayı çalıştırın. Her kanal yaklaşık on saniye sürer. 4.5) EIS ve CV veri toplama ve sonuçları yorumlama.

5.. Temsilcisi Sonuçlar

Kayıtları, EIS, CV ve gençleştirme gibi tipik bir iş akışı, Şekil 1'de gösterilmiştir. Kayıtlar ve ÇBS ederken CV, tüm kanallardaki (günlük veya haftalık) en sık toplanarak ediliraktivite spiking artık tespit ise yenilenme kullanılabilir.

Bir elektrot haftalar sonra gün boyunca EIS değişiklikler implante edilir. EIS veri Nyquist komplo olarak görüntülendiğinde, daha yüksek frekanslar (kökeni yakın) elektrot sitesi (Şekil 2) doku yanıtı göstergesidir az yarım daire.

CV bazı histerezis gösteren bir akım-gerilim (IV) eğrisi üretir. En uygun CV istatistik taşıma kapasitesi ücretsizdir, (Şekil 3) elektrot sit alanı ile normalize IV eğrisi içinde kalan alan. Büyük şarj kapasitesi ile Elektrotlar mikro-uyarılması için tercih edilir.

Gençleştirme sırasında bir gerilim darbesi genellikle artmış şarj kapasitesi sonuçlar ve empedans büyüklükleri (Şekil 3a ve b) 'de azalma uygulanır. Çivileme daha önce sivri (Şekil 4a) vardı kanalları restore edilebilir. Gençleştirme empedans ve sinyal-hayır sadece kısa vadeli etkileri olmaklaISE oranı (SNR), bu teknik, günlük uygulanabilir. Şekil 4b ve c günlük gösterir öncesi ve sonrası gençleştirme 1 kHz empedans büyüklüğü ve kobay kortekste implante edilen 16 kanal dizi için SNR verileri. Gençleştirme Her uygulamadan sonra bir büyüklük sırasına göre 1 kHz empedans büyüklüğünün düşürülmesi üzerine sağlam bir etkiye sahiptir. Kurtarılmış sinyalleri ve alt empedansı bir sonucu olarak, her bir yenilenme SNR aktif sonra arttırır. Sonuçta, tüm sinyaller 160 gün implantasyonu sonrası ve gençleşme artık etkili oldu takiben kaybedildi.

figure-protocol-1
Şekil 1. EIS her kayıt seansından sonra ölçülür. Hiçbir diken diken oldu, daha önce bir kanal kaydedilmiş ve EIS zamanla arttı geniş doku bileşeni gösterir, o zaman CV ve gençleştirme bu kanal üzerinde çalışılmıştır. EIS ve kayıt daha sonra arıtma başarılı olup olmadığını belirlemek için kullanılır.


Şekil 2. 4 ay sonra bir elektrot hemen implantasyon sonrası sitesi (mavi) ve (yeşil) bir Nyquist arsa görüntülenen EIS veri. Nyquist arsa üzerindeki her noktadan tek bir frekansta gerçek ve hayali empedans temsil eder. Site çevresindeki doku nedeniyle kısmi yarım daire yüksek frekanslarda açıktır.

figure-protocol-2
Şekil 3. Implante bir iridyum oksit elektrot ön ve post-gençleştirme CV ve EIS değişir. (A) Rejuvenation taşıma kapasitesi artan bir şarj denk IV eğrisinin alanı artar. (B) düşük empedans seviyelere empedansı specra anlamlı bir değişim genellikle gençleştirme sonra görülmektedir.

figure-protocol-3
Şekil 4. Effegerilim cts kayıtları ve empedansı üzerindeki kutuplama. (A) öncesi ve sonrası gençleştirme kayıtları sivri sessiz kalmış kanallar geri kazanılabilir göstermektedir. Günlük pre-ve 1 kHz'e empedansı büyüklüğü ve ameliyatı sonrası yaklaşık 150 gün süreyle SNR in (C) sağlam bir artış (B) damla post-yenilenme sonuçlanır. Errorbars kobay korteks implante bir 16-kanal dizi toplanan veriler standart hata temsil eder.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kayıt özelliği zaman implantasyon sonrası azalır gibi nöral kayıt protez sistemleri sınırlı fonksiyonel ömrü gösterilecek. Azalan performans olasılıkla katkıda kompakt bir glial kılıf işlevsel sağlıklı doku 1 yabancı cisim izole olarak implante cihaza reaktif doku yanıttır. Sinir kaydı ile birlikte, elektro-kimyasal ölçümleri (EIS ve CV) tipik olarak elektrot-doku arayüz 2,3 uzunlamasına izlenmesi için kullanılır. EIS arayüz kayıt özelliği değerlendirmede pratik olarak yararlıdır. Empedansı hızlı süre ile reaktif doku tepkisi düşündüren post-implantasyon arayüz 3 elektriksel özelliklerini değiştiren arttırır. Buna ek olarak, EIS veri implante elektrot 3-5 bitişik hücresel bileşimi modeli için kullanılabilir. Voltametri daha kayıtları ve ÇBS değişiklikleri araştırmak için kullanılabilir. Elektriklikompozisyonda, malzeme ve pürüzlülük gibi elektrokimyasal reaksiyonları ve çevreleyen dokuya IV grafiğinin şeklini etkiler. IV eğrisinin alanı tespit kapasitesi,, geniş bir şarj taşıyan genellikle özellikle elektrik mikro-uyarılması için, tercih edilir. Düşük şarj kapasitesi genellikle artmış ÇBS ile ilişkilidir. CV sırasında uygulanan potansiyel gerilim aralığı redoks reaksiyonları tahrik etmek kadar büyük, özellikle şarj kapasitesi ve ÇBS kendisi değiştirebilir.

Voltajı eğimlendirme veya gençleştirmenin uygulaması, empedansı azaltılması, ve kaydedilmiş sivri 5 ile kanal numarasını artan, taşıma kapasitesi artan şarj etmek amacıyla kullanılabilir. Oksidasyon olasılıkla gençleştirme sırasında elektrot arayüzü meydana geliyor, ve iridyum malzemeleri ile, bir sulu oksit tek tabakalı 1.2 V 6 anodik potansiyellerde oluşturur. Bu tek tabakalı oluşumunu kaldırabilir öne sürülmüştür hücresel ve acellular malzemenin arayüz 5 daha düşük empedans sonuçlanan elektrot bağlı. Gençleştirme sinir sinyalleri kaybetti kurtarabilirsiniz Önceleri önce bir kaç gün içinde ani vardı kanallarda kullanılırsa, en etkili olur. Kayıtlar, EIS, CV ve gençleştirme iyi nöral arayüzü izlenmesi ve implante cihazların uzun dönemli işlevsellik iyileştirilmesi tamamlayıcı araçlar olarak kullanılabilir.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Çıkar çatışması ilan etti.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu araştırma, Ulusal Sağlık Enstitüleri (R03DC009339-02, NIDCD) tarafından ve Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) Dr Jack W. Judy himayesinde Microsystems Teknoloji Ofisi (MTO), (tarafından desteklenmiştir jack.judy @ Uzay ve Deniz Harp Sistemleri Komutanlığı (SPAWAR) Sistemleri Merkezi (SSC) Pasifik hibe No N66001-11-1-4013 ile Güvenilir Sinir Teknoloji Programı'nın bir parçası olarak darpa.mil).

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Ekipman Şirket Katalog numarası Yorumlar
Elektrokimya Enstrüman Metrohm Autolab PGSTAT128N eklentileri: FRA2, kanal MUX
Pasif headstage Tucker-Davis Teknolojileri modeli konektörü ve kanal sayısı bağlıdır
26-pin dişi konnektör AMP 5749069-2 Headstage Adaptörü Veya headstage için yerine uygun konektörü
Banana Jacks Digikey J151-ND Autolab kanal MUX headstage Adaptörü banana fişleri var

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Szarowski, D. H., Andersen, M. D., Retterer, S., Spence, A. J., Isaacson, M., Craighead, H. G., Turner, J. N., Shain, W. Brain responses to micro-machined silicon devices. Brain Res. 983, 23-35 (2003).
  2. Vetter, R. J., Williams, J. C., Hetke, J. F., Nunamaker, E. A., Kipke, D. R. Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. IEEE Trans. Biomed. Eng. 51, 896-904 (2004).
  3. Williams, J. C., Hippensteel, J. A., Dilgen, J., Shain, W., Kipke, D. R. Complex impedance spectroscopy for monitoring tissue responses to inserted neural implants. J. Neural Eng. 4, 410-423 (2007).
  4. Johnson, M. D., Otto, K. J., Kipke, D. R. Repeated voltage biasing improves unit recordings by reducing resistive tissue impedances. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 13, 160-165 (2005).
  5. Otto, K. J., Johnson, M. D., Kipke, D. R. Voltage pulses change neural interface properties and improve unit recordings with chronically implanted microelectrodes. IEEE Trans. Biomed. Eng. 53, 333-340 (2006).
  6. Pickup, P. G., Birss, V. I. A model for anodic hydrous oxide-growth at iridium. J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Electrical Impedance SpectroscopyCyclic VoltammetryVoltage BiasingNeural Interface MonitoringElectrode Tissue InterfaceCharge Carrying CapacityImpedance Spectroscopy AnalysisVoltage Pulse RejuvenationFrequency Response AnalysisHead Stage Adapter

Related Articles