신경 기록 전극의 체계적인 전기 및 전기 생리 평가를위한 방법
Summary
다른 전극 코팅은 전기 화학적, 화학적, 기계적 특성 변화를 신경 기록 성능에 영향을 미친다. 체외에서 전극의 비교 그러나 생체 반응의 비교는 일반적으로 전극 / 신경 세포의 거리에서 동물 사이의 변화에 의해 복잡하고, 비교적 간단하다. 이 문서에서는 신경 기록 전극을 비교하는 강력한 방법을 제공한다.
Abstract
새로운 재료와 신경 임플란트 디자인은 일반적으로 성능을 시연 그러나 다른 임플란트 특성을 참조하지 않고, 개별적으로 시험한다. 이것은 특정 애플리케이션에 대해 최적의 가장 중요한 성능 파라미터에 기초하여 새로운 재료의 개발과 같은 특정 임플란트의 합리적 선택을 배제한다. 이 문서는 시험 관내 및 신경 기록 전극의 생체 내 시험에 대한 프로토콜을 개발하고 있습니다. 전기 및 전기 생리학 검사에 대한 권장 매개 변수를 설명하는 주요 단계 및 잠재적 인 문제와 함께 설명되어 있습니다. 이 방법은 제거 또는 단순 생체 실험 패러다임, 전극 / 신경 세포의 거리 및 동물 모델과 특히 변동에 존재하는 많은 계통 오차의 영향을 줄일 수 있습니다. 결과는 시험 관내에서와 같은 임피던스 및 Si 등의 생체 내 반응에서 중요한 간의 강한 상관 관계gnal 잡음비. 이 프로토콜은 쉽게 다른 전극 재료 및 설계를 테스트하도록 구성 될 수있다. 시험 관내 기술은 더욱 중요한 성능 지표를 결정하는 임의의 다른 비파괴 방법으로 확장 될 수있다. 청각 경로의 수술 방법에 사용되는 원리는 또한 다른 영역 또는 신경 조직에 변형 될 수있다.
Introduction
신경 임플란트 보철 및 파킨슨 병, 간질, 및 감각 손실 1,2 장애의 치료를 제어하는 연구를 위해 사용이 증가되고있다. 화학 물질과 뇌의 전기적 구성을 모두 측정 및 / 또는 제어하는 모든 신경 임플란트의 기초가된다. 그러나, 신경 조직이 3 부작용을 감소시키는 정도를 벗어난 상태에있는 경우에만 처리를 관리하는 것이 중요하다. 예를 들어, 간질 치료를위한 뇌 심부 자극은 발작 중 뇌에 전기 펄스를 적용해야합니다. 일부 부작용은 근육 긴장 이상, 메모리, 방향 감각 상실,인지 기능 장애, 유도 환각, 우울, 항 우울증 3,4의 손실이있을 수 있습니다. 많은 장치에서, 폐 루프 시스템은 전기 활동을 기록하고, 이상 상태가 검출 될 때 자극을 유발하는 것이 필요하다. 기록 전극은 또한 프로 제어하는 데 사용된다sthetic 장치. 그것은 가장 정확한 트리거링 및 장치 제어를 달성하기 위해 가능한 가장 높은 신호 대 잡음비로 타겟 신경 활동을 기록하는 것이 중요하다. 더 신뢰할 수있는 데이터가 적게 요구되는 시험 대상의 결과를 얻을 수있는 바와 같이 큰 신호 – 대 – 잡음 비는 또한 연구 애플리케이션에 매우 바람직하다. 이것은 또한 신경 자극과 녹음에 관여하는 메커니즘과 경로의 큰 이해를하실 수 있습니다.
신경 이식 뇌에 배치 된 후, 면역 반응은 5,6 트리거된다. 응답의 시간 경과는 일반적으로 서로 다른 생물학적 과정 7 이루어진 급성 및 만성 단계로 구분된다. 면역 반응은 이러한 임플란트 재료 (8)의 아교 흉터 또는 화학적 분해에 의해 밀봉 대상 뉴런으로부터 전극의 분리와 같은 임플란트의 성능에 극적인 효과를 가질 수있다.이것은 기록 전극의 신호 대 잡음비와 자극 전극의 전원 출력 및 오류 9 전극 리드를 줄일 수있다. 임플란트 디자인 및 재료의 신중한 선택은 임플란트 수명 동안 고장을 방지하기 위해 필요하다.
다른 재료 및 임플란트 디자인 많은 신경 기록 용 신호 대 잡음비 및 임플란트의 안정성을 개선하기 위해 최근 개발되어왔다. 전극 재료는 백금, 이리듐, 텅스텐, 산화 이리듐, 산화 탄탈, 그래 핀, 탄소 나노 튜브, 전도성 중합체 도핑, 그리고 더 최근의 하이드로 겔을 포함했다. 시험 기판 재료는 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실크, 테프론, 폴리이 미드, 및 실리콘을 포함한다. 다양한 전극 수정은 또한 전기, 플라즈마 및 광학 기술을 사용하여 라미닌, neurotrophins과, 또는 자기 조립 단층과 치료 등의 코팅을 사용하여 연구되었다. 임플란트 디자인일반적 절연성 프로브의 선단에 전극 또는 관통하거나 외피 표면 임플란트를위한 2 차원 배열에 대한 생크의 가장자리 또는 전극과 3 차원 -, 2 – 그룹의 1이 될 수있다. 에 관계없이 전극의 디자인이나 소재, 이전의 문학은 일반적으로 다른 임플란트 구조를 참조하지 않고 새로운 임플란트의 성능을 보여 주었다. 이것은 그들의 속성의 체계적인 평가를 방지 할 수 있습니다.
이 프로토콜은 분석 및 전기 생리 기술 범위를 통해 다른 전극 재료를 비교하기위한 방법을 제공한다. 이것은 중합체 코팅 (폴리피롤 (PPY), 폴리 -3,4 – 에틸렌 (PEDOT), 황산으로 도핑 (SO 4) 또는 파라 – 톨루엔 설포 네이트 (PTS)) 및 4 전도성 4 가지 도핑 비해 최근 발표 된 문서에 기초 다른 코팅 (10)은 두께. 이 문서는 45 초 증착 시간에 하나의 재료, PEDOT-PTS 발견작은 배경 잡음과 함께 이들 파라미터는 전극의 임피던스에 의존했고 그 가장 높은 신호 – 대 – 잡음 비 및 스파이크 카운트했다. PEDOT-PTS는 다른 도핑 된 전도성 고분자와 맨 손으로 이리듐 전극에 비해 우수한 급성 생체 안정성을 표시. 프로토콜은 임계 파라미터가 결정되고 상기 뉴럴 기록 전극의 성능을 향상시키기 위해 사용되는 신호 – 대 – 잡음 비 및 안정성을 제어한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜은 동물 내에서 신경 기록 전극 코팅을 비교하기위한 방법을 제공한다. 사용 된 전극 디자인은 비슷한 규모의 치수, 쥐 열등 둔덕 (IC)에 주입 이상적입니다. 이러한 섕크 사이에 더 많은 공간 등이 전극의 변형 이상 섕크와 전극 사이의 큰 피치 생크 팁 두개골의 염기와 접촉하게 될 위험을 증가하면서 모든 정강이, 동시에 래트 IC에 빠지는 것을 방지 할 삽입시. 작은 전극 피치는 인접?…
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
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