Un metodo per la sistematica elettrochimici ed elettrofisiologiche di valutazione dei neurali registrazione elettrodi
Summary
Diversi rivestimenti degli elettrodi influiscono sulle prestazioni di registrazione neurale attraverso modifiche alle proprietà elettrochimiche, chimiche e meccaniche. Confronto di elettrodi in vitro è relativamente semplice, tuttavia confronto della risposta in vivo è tipicamente complicata da variazioni di distanza elettrodo / neurone e tra animali. Questo articolo fornisce un metodo robusto per confrontare elettrodi di registrazione neurali.
Abstract
Nuovi materiali e disegni per impianti neurali sono in genere testati separatamente, con una dimostrazione di prestazioni, ma senza riferimento ad altre caratteristiche implantari. Ciò preclude una razionale selezione di un particolare impianto come ottimale per una particolare applicazione e lo sviluppo di nuovi materiali basati sui parametri più critici prestazioni. Questo articolo sviluppa un protocollo per in vitro e in vivo test di elettrodi di registrazione neurali. Parametri consigliati per il test elettrochimico ed elettrofisiologico sono documentati con i passaggi chiave e potenziali problemi discussi. Questo metodo elimina o riduce l'impatto di molti errori sistematici presenti in una semplificazione in vivo paradigmi di prova, soprattutto le variazioni della distanza elettrodo / neurone e tra modelli animali. Il risultato è una forte correlazione tra la critica in vitro e in vivo risposte, come impedenza e SIde segnal-to-rumore. Questo protocollo può essere facilmente adattato a test altri materiali elettrodici e disegni. Le tecniche in vitro possono essere espanse per qualsiasi altro metodo non distruttivo per determinare ulteriori importanti indicatori di performance. I principi utilizzati per l'approccio chirurgico nel percorso uditivo possono anche essere modificati per altre regioni o tessuti neurali.
Introduction
Impianti neurali sono sempre più utilizzati per la ricerca, il controllo protesi e trattamento di disturbi come il morbo di Parkinson, epilessia e perdita sensoriale 1,2. Misurazione e / o controllare sia la composizione chimica e elettrica del cervello è la base per tutti gli impianti neurali. Tuttavia, è importante somministrare un trattamento solo quando il tessuto neurale è in stato aberrante per ridurre gli effetti collaterali 3. Per esempio, stimolatori cerebrali profondi per il trattamento dell'epilessia dovrebbe essere applicato solo un impulso elettrico al cervello durante un attacco. Alcuni effetti indesiderati possono essere distonia, perdita di memoria, disorientamento, la funzione cognitiva, allucinazioni indotte, depressione o anti-depressione 3,4. In molti dispositivi, un sistema a circuito chiuso è quindi necessario registrare attività elettrica e di innescare stimolazione quando viene rilevato uno stato anomalo. Registrazione di elettrodi vengono usati anche per controllare prodispositivi protesici. E 'fondamentale per registrare l'attività neurale bersaglio con il più alto rapporto segnale-rumore per ottenere il triggering più accurata e il controllo del dispositivo. Un elevato rapporto segnale-rumore è anche altamente desiderabile per applicazioni di ricerca, come dati più affidabili possono essere ottenuti, con conseguente minor soggetti di prova richiesti. Ciò consentirà anche una maggiore comprensione dei meccanismi e dei meccanismi coinvolti nella stimolazione neurale e la registrazione.
Dopo una protesi neurale è stata posta nel cervello, una risposta immunitaria viene attivato 5,6. La durata della risposta è generalmente diviso in fasi acute e croniche, ciascuna composta da diversi processi biologici 7. La risposta immunitaria può avere effetti drammatici sulle prestazioni dell'impianto, come l'isolamento degli elettrodi dei neuroni bersaglio di incapsulamento in una cicatrice gliale o degradazione chimica dei materiali implantari 8.Ciò può ridurre il rapporto segnale-rumore di un elettrodo di registrazione e la potenza di un elettrodo di stimolazione, e piombo sull'elettrodo guasto 9. L'attenta scelta di design dell'impianto e dei materiali sono necessari per evitare il fallimento per tutta la durata dell'impianto.
Molti materiali diversi e design di impianti sono stati sviluppati recentemente per migliorare il rapporto segnale-rumore e stabilità dell'impianto per la registrazione neurale. Materiali per gli elettrodi hanno incluso platino, iridio, tungsteno, ossido di iridio, ossido di tantalio, grafene, nanotubi di carbonio, drogato polimeri conduttori, e più recentemente idrogel. Materiali di substrato provato include anche silicio, ossido di silicio, nitruro di silicio, seta, Teflon, poliimmide, e silicone. Varie modifiche elettrodi sono stati indagati, utilizzando rivestimenti come laminina, neurotrofine, o monostrati auto-assemblati e trattamenti a base di elettrochimica, plasma e tecniche ottiche. Design dell'impiantos potrebbe essere 1 -, 2 – o 3-dimensionale con gli elettrodi generalmente sulla punta di una sonda isolante o lungo il bordo di un codolo per penetrare elettrodi o in una matrice a 2 dimensioni per impianti con superficie corticale. Indipendentemente dal disegno dell'elettrodo o materiale, letteratura precedente ha tipicamente dimostrato le prestazioni del nuovo impianto senza riferimento ad altri costrutti implantari. Questo impedisce una valutazione sistematica delle loro proprietà.
Questo protocollo fornisce un metodo per la comparazione dei diversi materiali elettrodici attraverso una serie di tecniche analitiche ed elettrofisiologici. Si basa su un articolo pubblicato di recente che ha confrontato 4 drogato diversa conduzione rivestimenti polimerici (polipirrolo (PpY) e di poli-3 ,4-etilendiossitiofene (PEDOT) drogato con solfato (SO 4) o para-toluene solfonato (PTS)) e 4 rivestimento in diversi spessori 10. Questo articolo ha trovato un materiale, PEDOT-PTS con un tempo di deposizione 45 sec,avuto il rapporto e picco più alto numero di segnale-rumore con il minor rumore di fondo e che questi parametri dipendevano impedenza dell'elettrodo. PEDOT-PTS visualizzato anche biostabilità acuta superiore rispetto agli altri polimeri drogate conduzione ed elettrodi iridio nude. Il protocollo consente i parametri critici controllando il rapporto segnale-rumore e la stabilità di essere determinato e utilizzato per migliorare ulteriormente le prestazioni di elettrodi di registrazione neurali.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo fornisce un metodo per la comparazione dei rivestimenti elettrodo di registrazione neurali entro un animale. Il design elettrodo utilizzato è ideale per l'impianto in un ratto collicolo inferiore (IC), con dimensioni di un livello simile. Variazioni di questo elettrodo come più spazio tra gambi impedirebbero tutti gambi essendo nel ratto IC Allo stesso tempo, mentre gambi più lunghi e un passo più grande tra gli elettrodi aumentano il rischio che le punte gambo verranno in contatto con la base …
Offenlegungen
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 |
Referenzen
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