وهناك طريقة لمنهجية التقييم الكهروكيميائية والكهربية العصبية من أقطاب تسجيل
Summary
الطلاء الكهربائي مختلفة تؤثر على أداء تسجيل العصبية من خلال تغييرات في الخصائص الكهروكيميائية والكيميائية والميكانيكية. المقارنة من الأقطاب الكهربائية في المختبر هي بسيطة نسبيا، ولكن المقارنة بين الاستجابة في الجسم الحي هو عادة معقدة بسبب الاختلافات في مسافة القطب / الخلايا العصبية وبين الحيوانات. توفر هذه المقالة طريقة قوية للمقارنة بين أقطاب تسجيل العصبية.
Abstract
وعادة ما يتم اختبار مواد جديدة وتصاميم ليزرع العصبية على حدة، مع مظاهرة من الأداء ولكن دون الإشارة إلى خصائص زرع أخرى. هذا يمنع مجموعة الرشيد للزرع سيما فيما الأمثل لتطبيق معين وتطوير مواد جديدة على أساس معايير الأداء الأكثر أهمية. هذه المادة يطور بروتوكول للفي المختبر والمجراة في اختبار من الأقطاب الكهربائية تسجيل العصبية. يتم توثيق المعلمات أوصت لاختبار الكهروكيميائية والكهربية مع الخطوات الرئيسية والمشاكل المحتملة التي تمت مناقشتها. يلغي هذا الأسلوب أو يقلل من تأثير العديد من الأخطاء المنهجية موجودة في أبسط نماذج اختبار في الجسم الحي، وخاصة تغيرات في المسافة القطب / الخلايا العصبية وبين النماذج الحيوانية. والنتيجة هي وجود علاقة قوية بين حرجة في المختبر والمجراة في الردود، مثل مقاومة والاشتراكيةنسبة gnal إلى الضجيج. ويمكن بسهولة أن تتكيف هذا البروتوكول لاختبار المواد القطب الآخر والتصاميم. يمكن توسيعها في المختبر التقنيات لأي أسلوب تدميري الأخرى لتحديد مؤشرات الأداء الهامة الأخرى. ويمكن أيضا أن تستخدم لمبادئ النهج الجراحية في مسار السمعي تعديلها إلى مناطق أخرى أو العصبية الأنسجة.
Introduction
يزرع العصبية وتستخدم بشكل متزايد للبحث، والسيطرة على الأطراف الاصطناعية والعلاج من الاضطرابات مثل مرض باركنسون والصرع، وفقدان الحواس 1،2. قياس و / أو السيطرة على كل من المواد الكيميائية والتركيبة الكهربائية من الدماغ هو الأساس لجميع يزرع العصبية. ومع ذلك، فإنه من المهم لإدارة العلاج الوحيد عندما الأنسجة العصبية في حالة الشاذة للحد من الآثار الجانبية 3. على سبيل المثال، ينبغي أن تنطبق التحفيز والتشجيع العميق للمخ لعلاج الصرع فقط نبضة كهربائية إلى الدماغ أثناء النوبة. قد تكون بعض الآثار الجانبية خلل التوتر، وفقدان الذاكرة، الارتباك، وضعف الوظائف المعرفية، والهلوسة التي يسببها، والاكتئاب أو مضادات الاكتئاب 3،4. في العديد من الأجهزة، وبالتالي نظام الحلقة المغلقة ضروري لتسجيل النشاط الكهربائي لتحريك وتحفيز عندما تم الكشف عن حالة غير طبيعية. وتستخدم أقطاب تسجيل أيضا للسيطرة الموالينأجهزة sthetic. فمن الأهمية بمكان لتسجيل النشاط العصبي المستهدفة وفقا لأعلى إشارة إلى نسبة الضوضاء ممكن لتحقيق اثار الأكثر دقة وتحكم الجهاز. وهناك نسبة كبيرة إشارة إلى الضجيج هو أيضا مرغوب فيه للغاية لتطبيقات البحوث، وأكثر موثوقية البيانات يمكن الحصول عليها، مما أدى إلى عدد أقل من اختبار المواضيع المطلوبة. وهذا سوف يسمح أيضا فهم أكبر لآليات ومسارات المشاركة في التحفيز العصبي والتسجيل.
بعد أن تم وضعها زرع العصبية في الدماغ، ويتم تشغيل استجابة مناعية 5،6. وتنقسم الدورة الوقت للاستجابة بشكل عام إلى مراحل الحادة والمزمنة، يتألف كل منها من العمليات البيولوجية المختلفة 7. الاستجابة المناعية يمكن أن يكون لها آثار وخيمة على أداء عملية الزرع، مثل عزل الأقطاب من الخلايا العصبية المستهدفة من قبل التغليف في ندبة الدبقية أو التدهور الكيميائي للمواد زرع 8.هذا يمكن أن تقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء من القطب تسجيل وانتاج الطاقة من القطب تحفيز، وتؤدي إلى فشل قطب كهربائي 9. اختيار دقيق من التصميم والمواد المستخدمة في زراعة ضرورية لمنع فشل على مدى عمر الزرع.
وقد وضعت العديد من مواد مختلفة وتصاميم زرع مؤخرا لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء والاستقرار زرع لتسجيل العصبية. وشملت المواد الكهربائي البلاتين والإيريديوم، التنغستن، وأكسيد الإيريديوم، وأكسيد التنتالوم، الجرافين، أنابيب الكربون النانوية، مخدر إجراء البوليمرات، والهلاميات المائية في الآونة الأخيرة. المواد الركيزة اختبار يشمل أيضا السيليكون، وأكسيد السيليكون، نيتريد السيليكون، والحرير، وتفلون، بوليميد، والسيليكون. كما تم التحقيق مختلف التعديلات الكهربائي، وذلك باستخدام الطلاء مثل laminin، neurotrophins، أو المجمعة monolayers الذاتي والعلاجات باستخدام الكهروكيميائية، والبلازما والتقنيات البصرية. تصميم زرعو يمكن أن يكون 1 -، 2 – أو 3 الابعاد مع الأقطاب عموما في غيض من اجراء تحقيق العزل أو على طول حافة عرقوب لاختراق أقطاب أو في مجموعة 2 الأبعاد لسطح القشرة يزرع. بغض النظر عن التصميم أو المواد الكهربائي، وقد أظهرت الدراسات السابقة عادة أداء عملية الزرع الجديدة دون الرجوع إلى البنى زرع أخرى. هذا يمنع إجراء تقييم منهجي لممتلكاتهم.
يوفر هذا البروتوكول طريقة لمقارنة المواد القطب مختلفة عبر مجموعة من التقنيات التحليلية والكهربية. لأنه يقوم على مقالة نشرت مؤخرا والتي مقارنة 4 مخدر مختلفة إجراء الطلاء البوليمر (polypyrrole (PPY) وبولي 3 ،4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) مخدر مع كبريتات (SO 4) أو الفقرة التولوين سلفونات (نقط)) و 4 طلاء مختلفة، سمك 10. وجدت هذه المادة مادة واحدة، PEDOT-نقط مع الوقت ترسب 45 ثانية،لديها أعلى نسبة ارتفاع عدد وإشارة إلى الضوضاء مع أصغر الضوضاء في الخلفية والتي كانت هذه المعايير تعتمد على مقاومة القطب. كما عرض PEDOT-نقط biostability الحادة متفوقة بالمقارنة مع غيرها من مخدر إجراء البوليمرات وأقطاب الإيريديوم العارية. بروتوكول يسمح المعلمات الحرجة السيطرة على نسبة والاستقرار إشارة إلى الضوضاء يتم تحديدها واستخدامها لزيادة تحسين أداء الأقطاب تسجيل العصبية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر هذا البروتوكول طريقة لمقارنة العصبية الطلاء القطب تسجيل في حيوان واحد. تصميم القطب المستخدمة هي مثالية للزرع في الفئران أكيمة السفلي (IC)، مع أبعاد نطاق مماثل. أن الاختلافات من هذا القطب مثل مساحة أكبر بين السيقان منع جميع السيقان يجري في IC الفئران في نفس الوقت، ف…
Divulgations
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).
