Een methode voor het systematisch Elektrochemische en elektrofysiologische evaluatie van neurale registrerende elektroden
Summary
Verschillende elektrode coatings invloed neurale opname prestaties door veranderingen in elektrochemische, chemische en mechanische eigenschappen. Vergelijking van elektroden in vitro is relatief eenvoudig, maar vergelijken in vivo reactie wordt typisch gecompliceerd door variaties in elektrode / neuron afstand en tussen dieren. Dit artikel geeft een robuuste methode om neurale registrerende elektroden vergelijken.
Abstract
Nieuwe materialen en ontwerpen voor neurale implantaten zijn meestal afzonderlijk getest, met een demonstratie van prestaties, maar zonder verwijzing naar andere implantaat kenmerken. Dit voorkomt een rationele selectie van een bepaald implantaat als optimaal voor een bepaalde toepassing en de ontwikkeling van nieuwe materialen gebaseerd op de belangrijkste prestatieparameters. Dit artikel ontwikkelt een protocol voor in vitro en in vivo testen van neurale registrerende elektroden. Aanbevolen parameters voor elektrochemische en elektrofysiologische tests worden gedocumenteerd met de belangrijkste stappen en mogelijke problemen besproken. Deze methode elimineert of vermindert de impact van de vele systematische fouten aanwezig in eenvoudiger in vivo testen paradigma's, vooral variaties in elektrode / neuron afstand en tussen diermodellen. Het resultaat is een sterke correlatie tussen de kritische in vitro en in vivo reacties zoals impedantie en signaal-tot-ruisverhouding. Dit protocol kan gemakkelijk worden aangepast aan andere elektrode materialen en ontwerpen testen. De in vitro technieken kunnen worden uitgebreid naar andere destructieve methode verdere belangrijke indicatoren bepalen. De principes voor de chirurgische benadering in het auditieve pad kan ook worden aangepast om andere neurale gebieden of weefsel.
Introduction
Neurale implantaten worden steeds meer gebruikt voor onderzoek, controle prothesen en behandeling van aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson, epilepsie, en sensorische verlies 1,2. Meten en / of regelen van zowel de chemische en elektrische samenstelling van de hersenen is de basis voor alle neurale implantaten. Het is echter belangrijk om een behandeling wanneer het zenuwweefsel in de afwijkende toestand bijwerkingen 3 verminderen beheren. Zo moet deep brain stimulator voor de behandeling van epilepsie alleen een elektrische puls van toepassing op de hersenen tijdens een aanval. Sommige bijwerkingen kunnen dystonie, geheugenverlies, desoriëntatie, verminderde cognitieve functie, hallucinaties, depressie of anti-depressie 3,4 zijn. In veel apparaten, een gesloten lussysteem is derhalve elektrische activiteit registreren en stimulatie activeren wanneer een abnormale toestand wordt gedetecteerd. Opnemen elektroden worden ook gebruikt om controleproceduressthetic apparaten. Het is cruciaal om het doel neurale activiteit opneemt met de hoogste signaal-ruisverhouding voor de meest accurate triggering en apparaat controle. Een grote signaal-ruisverhouding is zeer wenselijk voor onderzoek toepassingen, meer betrouwbare gegevens kunnen worden verkregen, wat resulteert in minder benodigde proefpersonen. Dit zal ook toelaten een beter begrip van de mechanismen en wegen betrokken bij neurale stimulatie en opnemen.
Na een neuraal implantaat is geplaatst in de hersenen, wordt een immuunrespons veroorzaakt 5,6. Het tijdsverloop van de reactie wordt in het algemeen onderverdeeld in acute en chronische fasen, elk uit verschillende biologische processen 7. De immuunrespons kan dramatische gevolgen voor de prestaties van het implantaat, zoals isolatie van de elektroden van het doel neuronen door inkapseling in een gliale litteken of chemische afbraak van het implantaat materiaal 8 hebben.Dit kan de signaal-ruisverhouding van een registratie-elektrode en het vermogen van een stimulerende elektrode, en leiden tot falen 9 elektrode verminderen. Zorgvuldige keuze van het implantaat ontwerp en de materialen zijn nodig om storing boven het implantaat mensenleven voorkomen.
Veel verschillende materialen en implantaten ontwerpen zijn recentelijk ontwikkeld om de signaal-ruisverhouding en stabiliteit implantaat voor neurale opname verbeteren. Elektrode materialen hebben opgenomen platina, iridium, wolfraam, iridium-oxide, tantaal oxide, grafeen, koolstof nanobuisjes, gedoteerde geleidende polymeren, en meer recent hydrogels. Substraatmaterialen getest ook silicium, siliciumoxide, siliciumnitride, zijde, teflon, polyimide en siliconen. Verschillende elektrode modificaties zijn ook onderzocht, met coatings zoals laminine, neurotrofinen, of zelf-geassembleerde monolagen en behandelingen elektrochemische, plasma en optische technieken. Implantaatontwerps kan 1 -, 2 – of 3-dimensionale met de elektroden gewoonlijk aan het uiteinde van een isolerende probe of langs de rand van een schacht voor doordringende elektroden of een 2-dimensionale array voor cortex oppervlak implantaten. Ongeacht elektrodeontwerp of materialen is bestaande literatuur algemeen toonde de prestaties van het nieuwe implantaat zonder verwijzing naar andere implantaatsystemen constructen. Dit voorkomt dat een systematische evaluatie van hun eigenschappen.
Dit protocol verschaft een werkwijze voor het vergelijken van verschillende elektrodematerialen via diverse analytische en elektrofysiologische technieken. Het is gebaseerd op een recent gepubliceerd artikel waarin 4 verschillende gedoteerde geleidende polymeer coatings (polypyrrool (Ppy) en poly-3 ,4-ethyleendioxythiofeen (PEDOT) gedoteerd met sulfaat (SO 4) of para-tolueensulfonaat (PTS)) en 4 vergeleken verschillende laagdikten 10. In dit artikel wordt een gevonden materiaal, PEDOT-pTS met een 45 sec depositie tijd,de hoogste signaal-ruisverhouding en spike tellen met de kleinste achtergrondgeluid en dat deze parameters afhankelijk elektrode impedantie waren. PEDOT-pTS weergegeven ook superieur acute biologische stabiliteit vergeleken met de andere gedoteerde geleidende polymeren en blote iridium elektroden. Het protocol kan de kritische parameters die de signaal-ruisverhouding en stabiliteit worden bepaald en gebruikt om de prestaties van neurale registratie-elektroden te verbeteren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol verschaft een werkwijze voor het vergelijken neurale registratie-elektrode coatings binnen een dier. Het ontwerp elektrode die is ideaal voor implantatie in een rat inferior colliculus (IC), met afmetingen die schaal. Variaties van deze elektrode zoals meer ruimte tussen schachten zou voorkomen dat alle schachten zijn bij ratten IC tegelijkertijd, terwijl langere stelen en een grotere steek tussen elektroden het risico dat de schacht uiteinden in contact met de basis van de schedel komt tijdens het inbrenge…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Materials
| 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 |
| di-sodium 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 anaesthetise 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 |
References
- Oluigbo, C. O., Rezai, A. R. Addressing Neurological Disorders With Neuromodulation. IEEE Trans. Biomed. Eng. 58, 1907-1917 (2011).
- Shivdasani, M. N., Mauger, S. J., Rathbone, G. D., Paolini, A. G. Inferior Colliculus Responses to Multichannel Microstimulation of the Ventral Cochlear Nucleus: Implications for Auditory Brain Stem Implants. J. Neurophysiol. 99, 1-13 (2008).
- Perlmutter, J. S., Mink, J. W. Deep Brain Stimulation. Ann. Rev. Neurosci. 29, 229 (2006).
- Weaver, F. M., et al. Bilateral Deep Brain Stimulation vs Best Medical Therapy for Patients With Advanced Parkinson Disease. J. Am. Med. Assoc. 301, 63-73 (2009).
- Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Exp. Neurol. 195, 115-126 (2005).
- McConnell, G. C., et al. Implanted neural electrodes cause chronic, local inflammation that is correlated with local neurodegeneration. J. Neural Eng. 6, (2009).
- Liu, X., et al. Stability of the interface between neural tissue and chronically implanted intracortical microelectrodes. IEEE Trans. Rehab. Eng. 7, 315-326 (1999).
- Rousche, P. J., Normann, R. A. Chronic recording capability of the Utah Intracortical Electrode Array in cat sensory cortex. J. Neurosci. Methods. 82, 1-15 (1998).
- Williams, J. C., Rennaker, R. L., Kipke, D. R. Long-term neural recording characteristics of wire microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. Brain Res. Protoc. 4, 303-313 (1999).
- Harris, A. R., et al. Conducting polymer coated neural recording electrodes. J. Neural Eng. 10, (2013).
- Bard, A. J., Faulkner, L. R. . Electrochemical Methods. , (2001).
- Ludwig, K. A., Uram, J. D., Yang, J., Martin, D. C., Kipke, D. R. Chronic neural recordings using silicon microelectrode arrays electrochemically deposited with a poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) film. J. Neural Eng. 3, 59 (2006).
