Summary

神経電位電極の体系的電気化学的および電気生理学的評価方法

Published: March 03, 2014
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Summary

異なる電極コーティングは、電気化学的、化学的および機械的特性の変化を介して神経記録性能に影響を与える。 in vitroでの電極の比較は、しかし、生体内反応の比較は、通常、電極/神経距離と動物間の変動によって複雑に、比較的簡単です。この記事では、神経記録電極を比較する堅牢な方法を提供する。

Abstract

神経インプラントのための新素材とデザインは、一般的にパフォーマンスのデモではなく、他のインプラントの特性を参照することなく、別々に試験されています。これは、最も重要な性能パラメータに基づいて、特定のアプリケーション及び新材料の開発のための最適なように、特定のインプラントの合理的な選択を妨げる。この記事では、in vitroおよび神経記録電極のin vivo試験のためのプロトコルを開発しています。電気化学的および電気生理学的検査のための推奨パラメータが議論の重要なステップと潜在的な問題に文書化されています。この方法は、in vivo試験パラダイム簡単に存在する多くの系統誤差、電極/ニューロン距離および動物モデルの間で、特に変動の影響を排除または低減します。結果は、 インビトロおよびそのようなインピーダンスおよびSiなどのインビボ応答において重要なの間には強い相関であるgnal対雑音比。このプロトコルは、簡単に他の電極材料および設計をテストするように適合させることができる。 インビトロ技術は、さらに、重要な性能指標を決定するために、任意の他の非破壊的方法に拡張することができる。聴覚路内の外科的アプローチのために使用される原理は、他​​の領域の神経または組織に改変することができる。

Introduction

ニューラルインプラントは、補綴ならびにパーキンソン病、てんかん、および感覚喪失1,2障害の治療を制御する、研究のためにますます使用されている。測定および/または脳の化学的および電気的成分の両方を制御することは、すべての神経インプラントの基礎となっている。しかしながら、神経組織、副作用減少させるために3異常な状態にあるときにのみ治療を投与することが重要である。例えば、てんかんの治療のための脳深部刺激装置は、発作時の脳への電気パルスを適用する必要があります。いくつかの副作用は、ジストニア、記憶喪失、見当識障害、認知機能障害、幻覚誘発され、又はうつ病の抗うつ3,4であってもよい。多くのデバイスでは、閉ループシステムは、電気的活動を記録し、異常状態が検出されたときに刺激を誘発することが必要である。記録電極は、プロ制御するために使用されstheticデバイス。これは、最も正確なトリガデバイス制御を達成するために、可能な限り高い信号対雑音比で標的神経活動を記録することが重要である。より信頼性の高いデータがより少ない必要な試験被験者において得られた、得ることができるように、大きな信号対雑音比は、また、研究用途のために非常に望ましい。これはまた、神経刺激と記録に関与する機構および経路をより深く理解できるようになります。

神経移植片は脳内に配置された後、免疫応答は、5,6トリガされる。応答の時間経過は、一般に、各々が異なる生物学的プロセス7からなる、急性および慢性のフェーズに分割される。免疫応答は、そのようなインプラント材料8のグリア性瘢痕または化学的分解のカプセル化による標的ニューロンからの電極の単離などのインプラントの性能に劇的な影響を有することができる。これは、記録電極の信号対雑音比と、刺激電極の電力出力を低減し、故障9、電極につながることができる。インプラントの設計および材料の注意深い選択は​​、インプラントの寿命にわたって失敗を防止する必要がある。

異なる材料およびインプラントの設計の多くは、神経記録用の信号対雑音比およびインプラントの安定性を改善するために開発されている。電極材料は、白金、イリジウム、タングステン、酸化イリジウム、酸化タンタル、グラフェン、カーボンナノチューブ、導電性ポリマードープされ、最近のヒドロゲルを含んでいた。試験された基板材料は、シリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、絹、テフロン(登録商標)、ポリイミド、及びシリコーンを含む。様々な電極の修飾はまた、ラミニン、ニューロトロフィン、または電気化学的、プラズマと光学技術を用いた自己組織化単分子膜や治療などのコーティングを使用して、研究されてきた。インプラントデザイン一般に、絶縁プローブの先端または電極を貫通するか、皮質表面インプラントのための2次元配列のためのシャンクの端部に沿って又は電極を備えた3次元 – 、2 – sは1であってもよい。関係なく、電極設計や材料の、以前の文献は通常、他のインプラントの構造を参照することなく、新たなインプラントの性能を実証しています。これは彼らの特性の体系的な評価を防ぐことができます。

このプロトコルは、分析的および電気生理学的手法の範囲を介して、異なる電極材料を比較するための方法を提供する。これは、最近発表された(硫酸塩(SO 4)またはパラ -トルエンスルホン酸(PTS)がドープされたポリピロール(のPpy)とポリ-3,4 -エチレンジオキシチオフェン(PEDOT))ポリマーコーティングを4つの異なる導電性のドープされた比較物品と4に基づいている異なるコーティングは、10を厚さ。この記事では、45秒の堆積時間で1材料、PEDOT-PTSを見つけました最小のバックグラウンドノイズと最も高い信号対雑音比とスパイクカウントを有し、これらのパラメータは、電極のインピーダンスに依存していたこと。 PEDOT-PTSは、他のドープ導電性ポリマーと裸イリジウム電極と比較して、優れた急性生体安定性を示した。プロトコルは、信号対雑音比および安定性を制御する重要なパラメータを決定し、さらに、神経記録電極の性能を改善するために使用されることを可能にする。

Protocol

プロトコルは、ラ·トローブ大学(09-28P)、RMIT大学動物倫理委員会(1315年)によって承認されている。 1。電極の調製と予備的in vitro試験 電極コーティング堆積溶液を調製し、例えば10 mMのは、3,4 -エチレンジオキシチオフェン(EDOT)および0.1 Mナトリウム、パラ -トルエンスルホン酸(ナトリウム2点)は、ポリ-3 -3,4 -エチレンジ-PTS(PEDOT-PTS…

Representative Results

この実験プロトコルのために使用される典型的な電極アレイは、 図1に示されている。 413μm 2に 、名目幾何学的面積および200μMピッチで4シャンク32イリジウム電極があります。アレイ上の各第2の電極は、標識された1〜4つの異なる電極被膜、のいずれかで被覆されている。コー​​ティング材料は、慎重にそれらの化学的、機械的および電気化学的特性のた…

Discussion

このプロトコルは、1動物内の神経記録電極コーティングを比較するための方法を提供する。使用される電極の設計は、同様の規模の大きさで、ラット下丘(IC)への移植に最適です。長いシャンクと電極との間のより大きなピッチがシャンクのヒントは頭蓋底に接触するリスクを増加させながら、このようなシャンクの間に多くのスペースとしてこの電極の変形は、同時にラットのICにいる?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者は、Electromaterials科学拠点のセンターを通じて、オーストラリア研究評議会の支援を認める。

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

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Cite This Article
Harris, A. R., Morgan, S. J., Wallace, G. G., Paolini, A. G. A Method for Systematic Electrochemical and Electrophysiological Evaluation of Neural Recording Electrodes. J. Vis. Exp. (85), e51084, doi:10.3791/51084 (2014).

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