Metode til Systematic Elektrokemisk og Elektrofysiologiske Evaluering af Neural Recording elektroder
Summary
Forskellige elektrode belægninger påvirker neurale optagelse præstation gennem ændringer i elektrokemiske, kemiske og mekaniske egenskaber. Sammenligning af elektroder in vitro er relativt enkel, men en sammenligning af in vivo-reaktion er typisk kompliceres af variationer i elektrode / neuron afstand og mellem dyr. Denne artikel giver en robust metode til at sammenligne neurale optagelse elektroder.
Abstract
Nye materialer og design til neurale implantater testes typisk separat, med en demonstration af ydeevne, men uden henvisning til andre implantat egenskaber. Dette udelukker en rationel udvælgelse af en bestemt implantat være optimal for en bestemt anvendelse og udvikling af nye materialer baseret på de mest kritiske måleparametre. Denne artikel udvikler en protokol for in vitro og in vivo-testning af neurale optagelse elektroder. Anbefalede parametre for elektrokemisk og elektrofysiologiske tests dokumenteres med de vigtigste skridt og potentielle emner, der drøftes. Denne metode eliminerer eller reducerer effekten af mange systematiske fejl til stede i enklere in vivo-test paradigmer, især variationer i elektrode / neuron distance og mellem dyremodeller. Resultatet er en stærk korrelation mellem den kritiske in vitro og in vivo reaktioner, såsom impedans og signal-til-støj-forhold. Denne protokol kan nemt tilpasses til at teste anden elektrode materialer og design. In vitro-teknikker kan udvides til enhver anden ikke-destruktiv fremgangsmåde til at bestemme yderligere vigtige indikatorer. Principperne, der anvendes til kirurgiske metode i den auditive vej kan også ændres til andre neurale områder eller væv.
Introduction
Neurale implantater bliver brugt mere og mere til forskning, kontrol proteser og behandling af lidelser, såsom Parkinsons sygdom, epilepsi, og sensorisk tab 1,2. Måling og / eller styring af både kemiske og elektriske sammensætning af hjernen er grundlaget for alle neurale implantater. Det er imidlertid vigtigt at administrere en behandling, når neuralt væv er i afvigende tilstand for at reducere bivirkninger 3. For eksempel bør Deep brain stimulatorer til behandling af epilepsi kun anvende en elektrisk impuls til hjernen under et anfald. Nogle bivirkninger kan være dystoni, hukommelsestab, desorientering, nedsat kognitiv funktion, inducerede hallucinationer, depression eller anti-depression 3,4. I mange enheder, er derfor nødvendigt et lukket kredsløb til at registrere elektrisk aktivitet og til at udløse stimulation, når der registreres en unormal tilstand. Optagelse elektroder også bruges til at styre prosthetic enheder. Det er vigtigt at registrere målet neurale aktivitet med den højest mulige signal-støj-forhold for at opnå den mest nøjagtige udløsning og udstyr kontrol. Et stort signal-til-støj-forholdet er også meget ønskeligt, at forskning applikationer, som mere pålidelige data kan opnås, hvilket resulterer i færre krævede forsøgspersoner. Det vil også give en større forståelse af de mekanismer og veje er involveret i neural stimulation og optagelse.
Efter et neuralt implantatet er blevet placeret i hjernen, er et immunrespons udløst 5,6. Tidsforløbet af reaktionen er generelt opdelt i akutte og kroniske faser, hver bestående af forskellige biologiske processer 7. Det immunrespons kan have dramatiske konsekvenser for udførelsen af implantatet, såsom isolering af elektroderne fra målet neuroner ved indkapsling i en glial ar eller kemisk nedbrydning af implantat materialer 8.Dette kan reducere signal-til-støj-forholdet for en elektrode og udgangseffekten fra en stimulerende elektrode og bly til elektrode svigt 9. Omhyggeligt valg af implantat design og materialer er nødvendige for at forhindre svigt over implantatet levetid.
Mange forskellige materialer og implantat designs er blevet udviklet for nylig for at forbedre signal-til-støj-forhold og implantat stabilitet for neurale optagelse. Elektrode materialer har inkluderet platin, iridium, wolfram, iridiumoxid, tantal oxid, graphene, kulstof-nanorør, doteret ledende polymerer, og mere for nylig hydrogeler. Substrat afprøvede materialer omfatter også silicium, siliciumoxid, siliciumnitrid, silke, Teflon, polyimid og silikone. Forskellige elektrode ændringer er også blevet undersøgt ved hjælp af belægninger såsom laminin, neurotrophins, eller selvstændige samlet monolag og behandlinger ved hjælp af elektrokemiske, plasma og optiske teknikker. Implant designs kan være 1 -, 2 – eller 3-dimensionelle med elektroderne generelt ved spidsen af et isolerende probe eller langs kanten af et skaft til penetrering elektroder eller i en 2-dimensional array til cortex overflade implantater. Uanset elektrode design eller materiale, der er tidligere litteratur typisk demonstreret udførelsen af nyt implantat uden henvisning til andre implantat konstruktioner. Dette forhindrer en systematisk evaluering af deres egenskaber.
Denne protokol giver en metode til at sammenligne forskellige elektrode materialer via en række analytiske og elektrofysiologiske teknikker. Den er baseret på en nyligt offentliggjort artikel, der sammenlignet 4 forskellige doteret ledende polymer belægninger (polypyrrol (PpY) og poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT), doteret med sulfat (SO 4) eller para-toluen-sulfonat (PTS)) og 4 forskellige coatingtykkelser 10. Denne artikel fundet et materiale, PEDOT-PTS med en 45 sek deposition tid,havde den højeste signal-støjforhold og spike tælle med den mindste baggrundsstøj og at disse parametre var afhængige elektrode impedans. PEDOT-PTS vises også overlegen akut biostabilitet sammenlignet med de andre dopede ledende polymerer og nøgne iridium elektroder. Protokollen tillader de kritiske parametre styrer signal-til-støj-forhold og stabilitet skal bestemmes og anvendes til yderligere at forbedre ydeevnen af neurale optagelse elektroder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol giver en metode til at sammenligne neurale optagelse elektrode belægninger inden for et dyr. Elektroden design anvendes, er ideel til implantering i en rotte ringere colliculus (IC), med dimensioner på et lignende omfang. Variationer af denne elektrode, såsom mere plads mellem skafterne ville forhindre alle skafter være i rotte-IC på samme tid, mens længere skafter og en større afstanden mellem elektroder øger risikoen for, at skaft tips vil komme i kontakt med bunden af kraniet under indfø…
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).
