Un método para Sistemática Electroquímica y electrofisiológico Evaluación de Neuronales Grabación Electrodos
Summary
Diferentes recubrimientos de electrodos afectan al rendimiento de grabación neural a través de cambios en las propiedades electroquímicas, químicas y mecánicas. Comparación de los electrodos in vitro es relativamente simple, sin embargo la comparación de la respuesta in vivo típicamente se complica por las variaciones en la distancia de los electrodos / neurona y entre animales. Este artículo proporciona un método robusto para comparar electrodos de grabación neural.
Abstract
Los nuevos materiales y diseños para implantes neuronales se prueban típicamente por separado, con una demostración de rendimiento, pero sin referencia a otras características del implante. Esto se opone a una selección racional de un implante en particular como óptima para una aplicación en particular y el desarrollo de nuevos materiales basados en los parámetros más críticos de rendimiento. En este artículo se desarrolla un protocolo in vitro y en ensayos in vivo de electrodos de registro neuronales. Parámetros recomendados para la prueba electroquímica y electrofisiológico se documentan con los pasos clave y los posibles problemas discutidos. Este método elimina o reduce el impacto de muchos errores sistemáticos presentes in vivo paradigmas más simples en las pruebas, especialmente las variaciones en la distancia de los electrodos / neurona y entre los modelos animales. El resultado es una fuerte correlación entre el crítico in vitro e in vivo en las respuestas, tales como la impedancia y Sirelación gnal-ruido. Este protocolo se puede adaptar fácilmente para probar otros materiales de los electrodos y diseños. Las técnicas in vitro se pueden ampliar a cualquier otro método no destructivo para determinar los indicadores de rendimiento más importantes. Los principios utilizados para el abordaje quirúrgico en la vía auditiva también pueden ser modificados para otras regiones neurales o tejido.
Introduction
Implantes neuronales se están utilizando cada vez más para la investigación, el control de prótesis y tratamiento de trastornos tales como la enfermedad de Parkinson, la epilepsia, y 1,2 pérdida sensorial. La medición y / o control tanto de la composición química y eléctrica del cerebro es la base para todos los implantes neuronales. Sin embargo, es importante para administrar un tratamiento sólo cuando el tejido neural está en el estado aberrante a reducir los efectos secundarios 3. Por ejemplo, los estimuladores cerebrales profundos para el tratamiento de la epilepsia se deben aplicar únicamente un impulso eléctrico al cerebro durante una convulsión. Algunos efectos secundarios pueden ser distonía, pérdida de memoria, desorientación, alteración de la función cognitiva, las alucinaciones inducidas, la depresión o la lucha contra la depresión 3,4. En muchos dispositivos, un sistema de bucle cerrado, por tanto, es necesario registrar la actividad eléctrica y para activar la estimulación cuando se detecta un estado anormal. Los electrodos de registro también se utilizan para controlar Prodispositivos STHETIC. Es crítico para registrar la actividad neuronal objetivo con la mayor proporción posible de señal a ruido para lograr la activación más precisa y control del dispositivo. Una gran relación señal a ruido es también muy deseable para aplicaciones de investigación, como los datos más fiables se pueden obtener, lo que resulta en un menor número de sujetos de prueba requeridos. Esto también permitirá una mayor comprensión de los mecanismos y las vías implicadas en la estimulación de los nervios y la grabación.
Después de un implante neural ha sido colocado en el cerebro, una respuesta inmune se activa 5,6. El curso temporal de la respuesta se divide generalmente en las fases agudas y crónicas, cada uno formado por diferentes procesos biológicos 7. La respuesta inmune puede tener efectos dramáticos sobre el rendimiento del implante, tales como el aislamiento de los electrodos de las neuronas diana por encapsulación en una cicatriz glial o degradación química de los materiales de implante 8.Esto puede reducir la relación señal a ruido de un electrodo de registro y la potencia de salida de un electrodo de estimulación, y el plomo al electrodo insuficiencia 9. Selección cuidadosa del diseño y los materiales de implante son necesarios para evitar el fracaso durante la vida útil del implante.
Muchos diferentes materiales y diseños de implantes se han desarrollado recientemente para mejorar la relación señal-ruido y la estabilidad de los implantes para la grabación neural. Materiales de los electrodos han incluido platino, iridio, tungsteno, óxido de iridio, óxido de tántalo, el grafeno, nanotubos de carbono, polímeros conductores dopados, y, más recientemente, los hidrogeles. Materiales de sustrato ensayadas también incluye silicio, óxido de silicio, nitruro de silicio, de seda, de teflón, poliimida, y silicona. Diversas modificaciones de electrodos también se han investigado, usando recubrimientos tales como laminina, neurotrofinas, o monocapas y tratamientos auto-ensambladas utilizando electroquímica, plasma y técnicas ópticas. Diseño de implantess podría ser 1 -, 2 – o 3-dimensional con los electrodos generalmente en la punta de una sonda aislante o a lo largo del borde de un vástago para penetrar en los electrodos o en una matriz de 2 dimensiones para implantes de superficie de la corteza. Independientemente del diseño del electrodo o material, la literatura anterior ha demostrado típicamente el rendimiento del nuevo implante sin referencia a otras construcciones de implante. Esto impide una evaluación sistemática de sus propiedades.
Este protocolo proporciona un método para comparar diferentes materiales de los electrodos a través de una gama de técnicas analíticas y electrofisiológicos. Se basa en un artículo recientemente publicado que comparó 4 dopado diferente la realización de recubrimientos de polímeros (de polipirrol (Ppy) y poli-3 ,4-etilenodioxitiofeno (PEDOT) dopado con sulfato (SO 4) o para-tolueno-sulfonato (PTS)) y 4 diferentes espesores de recubrimiento 10. En este artículo se encuentra un material, PEDOT-PTS con un tiempo de deposición de 45 segundos,tenido el recuento más alta de señal a ruido y espiga con el ruido de fondo más pequeño y que estos parámetros eran dependientes de la impedancia del electrodo. PEDOT-PTS también se muestra bioestabilidad aguda superior en comparación con los otros polímeros dopados realización y electrodos de iridio desnudas. El protocolo permite que los parámetros críticos controlando la relación de señal a ruido y la estabilidad que se determine y se utiliza para mejorar aún más el rendimiento de electrodos de registro neuronales.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo proporciona un método para comparar los recubrimientos de electrodos neurales de registro dentro de un animal. El diseño del electrodo utilizado es ideal para la implantación en una rata colículo inferior (CI), con dimensiones de una escala similar. Variaciones de este electrodo como más espacio entre vástagos impedirían que todos los vástagos de estar en la rata IC al mismo tiempo, mientras que los mangos más largos y un paso mayor entre los electrodos aumentan el riesgo de que las puntas de vá…
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
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