वोल्टेज biasing, चक्रीय Voltammetry, और तंत्रिका इंटरफेस के लिए विद्युत प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी

Summary

इलेक्ट्रोड ऊतक तंत्रिका रिकॉर्डिंग इलेक्ट्रोड के इंटरफ़ेस विद्युत प्रतिबाधा (EIS) स्पेक्ट्रोस्कोपी और चक्रीय voltammetry (सीवी) के साथ लक्षण वर्णन किया जा सकता है. वोल्टेज परिवर्तन biasing पर ऊतक इंटरफ़ेस इलेक्ट्रोड की विद्युत गुणों में सुधार कर सकते हैं रिकॉर्डिंग क्षमता के आवेदन. वोल्टेज biasing, EIS, CV, और तंत्रिका रिकॉर्डिंग पूरक हैं.

Abstract

विद्युत प्रतिबाधा (EIS) स्पेक्ट्रोस्कोपी और चक्रीय (सीवी) voltammetry इलेक्ट्रोड ऊतक अतिरिक्त आक्रामक प्रक्रियाओं के बिना इंटरफेस के उपाय गुण, और लंबे समय से इलेक्ट्रोड प्रदर्शन की निगरानी करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. EIS एकाधिक आवृत्तियों में बिजली प्रतिबाधा उपाय है, और प्रतिबाधा में वृद्धि डिवाइस के चारों ओर बढ़ा glial निशान गठन से संकेत मिलता है, जबकि चक्रीय voltammetry आरोप इलेक्ट्रोड की क्षमता उपाय है, और बताता है कि कैसे चार्ज अलग वोल्टेज स्तर पर स्थानांतरित कर रहा है. के रूप में उम्र इलेक्ट्रोड प्रत्यारोपित, EIS और CV डाटा परिवर्तन, और इलेक्ट्रोड साइटों है कि पहले से spiking न्यूरॉन्स दर्ज अक्सर तंत्रिका रिकॉर्डिंग के लिए काफी कम प्रभावकारिता एक्ज़िबिट. प्रत्यारोपित इलेक्ट्रोड arrays के, कायाकल्प रूप में जाना जाता है, के लिए एक संक्षिप्त वोल्टेज स्पंद के आवेदन वापस लाने के लिए अन्यथा समय की अवधि के लिए चुप इलेक्ट्रोड साइटों पर गतिविधि spiking कर सकते हैं. कायाकल्प बदल EIS और CV, और इन पूरक तरीकों से नजर रखी जा सकती है. आमतौर पर, EIS दैनिक के इलेक्ट्रोड साइट पर ऊतक प्रतिक्रिया का एक संकेत के रूप में मापा जाता है. यदि spikes है कि पहले spikes के था एक चैनल में अनुपस्थित रहे हैं, तो सीवी इलेक्ट्रोड साइट की क्षमता को ले जाने के आरोप निर्धारित करने के लिए प्रयोग किया जाता है, और कायाकल्प के इंटरफ़ेस प्रभावकारिता में सुधार करने के लिए लागू किया जा सकता है. CV और EIS इलेक्ट्रोड – ऊतक इंटरफ़ेस में परिवर्तन की जांच फिर दोहराया जाता है, और तंत्रिका रिकॉर्डिंग एकत्र कर रहे हैं. कायाकल्प के समग्र लक्ष्य प्रत्यारोपित arrays के कार्यात्मक जीवनकाल का विस्तार है.

Protocol

1. Electrochemistry साधन Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, NL) के रूप में electrochemistry उपकरण EIS, CV और कायाकल्प के लिए की जरूरत है. जोड़ने पर FRA2 EIS सक्षम बनाता है, और जोड़ने पर चैनल बहुसंकेतक (MUX) मल्टी चैनल इलेक्ट्रोड के परीक्षण के लिए उपयोगी है. एक headstage MUX headstage के लिए चैनल कनेक्ट अनुकूलक बनाएँ. कनेक्शन बनाते हैं. काम कर और MUX चैनल के लिए इलेक्ट्रोड संवेदन, और headstage वर्तमान वापसी पथ में, आमतौर पर एक प्रत्यारोपित हड्डी के स्टेनलेस स्टील या टाइटेनियम स्क्रू जुड़े अनुकूलक का हिस्सा करने के लिए संदर्भ और काउंटर इलेक्ट्रोड कनेक्ट कनेक्ट. 2. विद्युत प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी फ़्रिक्वेंसी प्रतिक्रिया विश्लेषक सॉफ्टवेयर (FRA) प्रारंभ करें, और प्रक्रिया फ़ाइल सेटिंग्स को सत्यापित. प्रक्रिया दो बहु साइन waveforms के प्रत्येक निर्वाचकगण के एक साथ 10 हर्ट्ज से 30 से लेकर 15 sines के परीक्षण के लिए सेट किया जाना चाहिएkHz. लागू वोल्टेज 25 एम वी या कम (अनुपूरक तरीकों देखें) होना चाहिए. परियोजना फ़ाइल खोलें और संपादित करें. परियोजना प्रक्रिया फ़ाइल का उपयोग करता है, प्रत्येक चैनल के माध्यम से loops, और परिणाम के (अनुपूरक तरीकों देखें) बचाता है. (कोई एम्पलीफायरों) एक निष्क्रिय headstage के साथ पशु विषय कनेक्ट. सक्रिय headstages इनपुट संकेतों को पारित नहीं होगा. परियोजना फ़ाइल चलाएँ. प्रत्येक चैनल सेटिंग्स पर निर्भर करता है सेकंड के दसियों लेता है. प्रदर्शन और परिणाम की व्याख्या. MATLAB (Natick, एमए) के साथ उत्पादन पाठ फ़ाइलों को पार्स, और एक Nyquist साजिश. उच्च आवृत्तियों में एक अर्धवृत्त एक ऊतक प्रतिक्रिया इंगित करता है. 3. चक्रीय Voltammetry सामान्य प्रयोजन Electrochemistry सिस्टम सॉफ्टवेयर (GPES) प्रारंभ करें, और प्रक्रिया फ़ाइल सेटिंग्स को सत्यापित. प्रक्रिया के भीतर hydrolysis की सीमा जो ठेठ तंत्रिका इलेक्ट्रोड सामग्री के लिए के बीच 0.8 और -0.6 वी है mV / 50 में वोल्टेज झाड़ू सेट किया जाना चाहिए (पंडित,Ir, IROX) के. कम से कम तीन स्कैन प्रणाली के लिए चलाई जानी चाहिए संतुलन तक पहुँचने. अंतिम स्कैन से परिणाम (अनुपूरक तरीकों देखें) बच रहे हैं. स्कैन दर 1 वी / s बढ़ा जा सकता है माप समय को कम करने के लिए, तथापि, चतुर्थ वक्र की आकृति की संभावना अगर स्कैन दर चार्ज हस्तांतरण इलेक्ट्रोड ऊतक इंटरफ़ेस में होने वाली प्रतिक्रियाओं की तुलना में तेजी से बदल जाएगा. परियोजना फ़ाइल खोलें और संपादित करें. परियोजना प्रक्रिया फ़ाइल का उपयोग करता है, प्रत्येक चैनल के माध्यम से loops, और परिणाम के (अनुपूरक तरीकों देखें) बचाता है. पशु विषय एक निष्क्रिय headstage के साथ कनेक्ट. परियोजना फ़ाइल चलाएँ. प्रत्येक चैनल के बारे में तीन मिनट सेटिंग्स के आधार पर लेता है. 1 वी / करने के लिए स्कैन दर बढ़ाने माप चैनल के अनुसार लगभग दस सेकंड के लिए समय कम कर देता है. प्रदर्शन और परिणाम की व्याख्या. MATLAB के साथ उत्पादन पाठ फ़ाइलों को पार्स, और चतुर्थ संबंध साजिश. क्षमता प्रभार क्षेत्र को एकीकृत द्वारा मात्रा निर्धारित हैCV भीतर cathodic वर्तमान की. 4. कायाकल्प सामान्य प्रयोजन Electrochemistry सिस्टम सॉफ्टवेयर (GPES) प्रारंभ करें, और प्रक्रिया फ़ाइल सेटिंग्स को सत्यापित. कदम और Sweeps विधि का उपयोग, प्रक्रिया 1.5 वी के लिए 4 सेकंड की अवधि के लिए वोल्टेज (अनुपूरक तरीकों देखें) कदम करने के लिए सेट किया जाना चाहिए. परियोजना फ़ाइल खोलें और संपादित करें. परियोजना प्रक्रिया फ़ाइल का उपयोग करता है, प्रत्येक चैनल के माध्यम से loops, और परिणाम के (अनुपूरक तरीकों देखें) बचाता है. पशु विषय एक निष्क्रिय headstage के साथ कनेक्ट. परियोजना फ़ाइल चलाएँ. प्रत्येक चैनल के बारे में दस सेकंड लेता है. 4.5) EIS और CV डेटा लीजिए और परिणामों की व्याख्या. 5. प्रतिनिधि परिणाम रिकॉर्डिंग, EIS, CV और कायाकल्प सहित एक विशिष्ट कार्यप्रवाह, संख्या 1 में दिखाया गया है. रिकॉर्डिंग और EIS एकत्र कर रहे हैं सबसे अधिक बार (दैनिक या साप्ताहिक) सभी चैनलों के पार है, जबकि CV औरकायाकल्प किया जा सकता है अगर गतिविधि spiking नहीं रह गया है detectable. सप्ताह के दिनों के पाठ्यक्रम पर एक इलेक्ट्रोड के बाद EIS परिवर्तन प्रत्यारोपित किया जाता है. जब EIS डेटा एक Nyquist भूखंड के रूप में प्रदर्शित किया जाता है, एक उच्च (मूल निकट) आवृत्तियों इलेक्ट्रोड साइट (चित्र 2) में ऊतक प्रतिक्रिया का संकेत है पर अर्धवृत्त. CV वर्तमान वोल्टेज (चतुर्थ) कुछ हिस्टैरिसीस दिखाने के वक्र पैदा करता है. सबसे प्रासंगिक सीवी आंकड़ा क्षमता आरोप है, चतुर्थ वक्र के अंदर क्षेत्र इलेक्ट्रोड साइट क्षेत्र द्वारा सामान्यीकृत (3 छवि एक). इलेक्ट्रोड बड़े प्रभारी क्षमता के साथ सूक्ष्म उत्तेजना के लिए पसंद कर रहे हैं. कायाकल्प के दौरान एक वोल्टेज स्पंद लागू किया जाता है कि वृद्धि प्रभारी क्षमता में आमतौर पर परिणाम और प्रतिबाधा magnitudes (चित्र 3a ख) कम है. Spiking चैनलों कि पहले spikes के (चित्रा -4 ए) में भी बहाल किया जा सकता है. जबकि कायाकल्प प्रतिबाधा और संकेत करने के लिए नहीं पर केवल अल्पकालिक प्रभाव हैबनना अनुपात (SNR), इस तकनीक को दैनिक लागू किया जा सकता है. आंकड़ा 4b कॉट एंड दैनिक से पता चलता है पूर्व और बाद कायाकल्प 1 kHz प्रतिबाधा परिमाण और SNR एक 16 चैनल सरणी के लिए गिनी पिग प्रांतस्था में प्रत्यारोपित डेटा. कायाकल्प प्रत्येक आवेदन के बाद 1 kHz के परिमाण के एक आदेश से प्रतिबाधा परिमाण को कम करने पर एक मजबूत प्रभाव है. बरामद संकेतों और कम प्रतिबाधा के एक परिणाम के रूप में, SNR प्रत्येक कायाकल्प सत्र के बाद बढ़ जाती है. अंत में, सभी संकेत आरोपण के बाद 160 दिनों और कायाकल्प नहीं रह गया था प्रभावी के बाद खो गए थे. चित्रा 1. EIS प्रत्येक रिकॉर्डिंग सत्र के बाद मापा जाता है. यदि नहीं spikes के एक चैनल है कि पहले से spikes के था पर दर्ज हैं, और EIS एक बड़े ऊतक घटक है कि समय के साथ वृद्धि हुई है दिखाता है, तो CV और कायाकल्प के इस चैनल पर कोशिश कर रहे हैं. EIS और रिकॉर्डिंग तो अगर इलाज सफल रहा था निर्धारित करने के लिए उपयोग किया जाता है. <p class="Jove_content"> चित्रा 2. EIS आरोपण के बाद तुरंत एक इलेक्ट्रोड साइट (नीला), और 4 महीने के बाद (हरा) की एक Nyquist साजिश में प्रदर्शित डेटा. Nyquist साजिश पर प्रत्येक बिंदु एक एकल आवृत्ति में वास्तविक और काल्पनिक प्रतिबाधा का प्रतिनिधित्व करता है. साइट के आसपास के ऊतकों को एक आंशिक कारण अर्धवृत्त उच्च आवृत्तियों पर स्पष्ट है. चित्रा 3. एक प्रत्यारोपित इरीडियम ऑक्साइड इलेक्ट्रोड पूर्व और बाद के कायाकल्प के CV और EIS परिवर्तन. (ए) कायाकल्प चतुर्थ वक्र की एक वृद्धि की क्षमता ले जाने के आरोप में इसी क्षेत्र बढ़ जाती है. (बी) कम प्रतिबाधा के स्तर प्रतिबाधा specra में एक महत्वपूर्ण बदलाव आमतौर कायाकल्प के बाद मनाया जाता है. चित्रा 4 प्रभावी तरीके.वोल्टेज की cts रिकॉर्डिंग और प्रतिबाधा पर biasing पर. (ए) के पूर्व और बाद कायाकल्प रिकॉर्डिंग दिखाने के spikes के चैनल है कि पहले से चुप कर दिया गया था पर बरामद किया जा सकता है. दैनिक पूर्व और बाद कायाकल्प परिणाम 1 kHz प्रतिबाधा परिमाण और सर्जरी के बाद लगभग 150 दिनों के लिए (सी) SNR में वृद्धि में एक मजबूत ड्रॉप (बी) में. Errorbars गिनी पिग प्रांतस्था में प्रत्यारोपित एक 16 चैनल सरणी से एकत्र आंकड़ों से मानक त्रुटि का प्रतिनिधित्व करते हैं.

Discussion

तंत्रिका रिकॉर्डिंग सिस्टम कृत्रिम एक सीमित कार्यात्मक जीवनकाल प्रदर्शित रिकॉर्डिंग क्षमता के रूप में बाद आरोपण समय के साथ कम हो जाती है. कम प्रदर्शन होने की संभावना योगदानकर्ता प्रतिक्रियाशील ऊतक के जवाब प्रत्यारोपित युक्ति के रूप में एक कॉम्पैक्ट glial म्यान कार्यात्मक स्वस्थ ऊतकों से ¹ विदेशी वस्तु आइसोलेट्स है. तंत्रिका रिकॉर्डिंग के साथ साथ, विद्युत रासायनिक माप (EIS और CV) आम तौर पर इलेक्ट्रोड ऊतक ^2,3 इंटरफ़ेस के अनुदैर्ध्य निगरानी के लिए उपयोग किया जाता है. EIS व्यावहारिक अंतरफलक की रिकॉर्डिंग क्षमता का आकलन करने में उपयोगी है. प्रतिबाधा जल्दी से बढ़ जाती है समय के साथ आरोपण के बाद प्रतिक्रियाशील ऊतक प्रतिक्रिया सुझाव ³ अंतरफलक के विद्युत गुण बदल. इसके अतिरिक्त, EIS डेटा के के सेलुलर रचना प्रत्यारोपित ^3-5 इलेक्ट्रोड के लिए आसन्न मॉडल इस्तेमाल किया जा सकता है. चक्रीय voltammetry आगे रिकॉर्डिंग और EIS में परिवर्तन की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. electrक़सीदा सामग्री और के रूप में के रूप में अच्छी तरह से खुरदरापन विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं और आसपास के ऊतकों चतुर्थ वक्र की आकृति को प्रभावित कर रहे हैं. बड़े क्षमता, चतुर्थ वक्र के क्षेत्र से निर्धारित है, ले जाने के आरोप आम तौर पर बिजली की उत्तेजना सूक्ष्म के लिए विशेष रूप से पसंद है. कम शुल्क क्षमता अक्सर वृद्धि EIS के साथ जुड़ा हुआ है. CV के दौरान लागू संभावित ही प्रभारी क्षमता और EIS बदल सकता है, खासकर अगर वोल्टेज रेंज काफी बड़ी redox प्रतिक्रियाओं ड्राइव है.

वोल्टेज biasing पर, या कायाकल्प के आवेदन, बढ़ती क्षमता ले जाने के आरोप के उद्देश्य के साथ इस्तेमाल किया जा सकता है, प्रतिबाधा कम है, और रिकार्ड ⁵ spikes के साथ संख्या चैनलों बढ़ रही है. ऑक्सीकरण की संभावना कायाकल्प के दौरान इलेक्ट्रोड के इंटरफेस में होने वाली, और इरीडियम सामग्री के साथ, एक सजल ऑक्साइड monolayer anodic 1.2 ⁶ वी की क्षमता पर रूपों. यह सुझाव दिया है कि इस monolayer का गठन निकाल सकते हैं सेलुलर और acellular सामग्री इलेक्ट्रोड के बीच इंटरफेस ⁵ पर कम प्रतिबाधा में जिसके परिणामस्वरूप से जुड़ी है. जबकि कायाकल्प तंत्रिका संकेतों खो ठीक हो सकता है, यह सबसे प्रभावी है अगर चैनल है कि पहले कुछ दिनों के भीतर spikes पहले था पर इस्तेमाल किया. रिकॉर्डिंग, EIS, CV, और कायाकल्प तंत्रिका इंटरफ़ेस निगरानी और लंबी अवधि प्रत्यारोपित उपकरणों की कार्यक्षमता में सुधार करने में सबसे अच्छा पूरक उपकरण के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है.

Materials

Equipment	Company	Catalogue number	Comments
Electrochemistry Instrument	Metrohm Autolab	PGSTAT128N	add-ons: FRA2, channel MUX
Passive Headstage	Tucker-Davis Technologies		model depends on connector and channel count
26-pin female connector	AMP	5749069-2	Headstage Adapter Or substitute appropriate connector for your headstage
Banana Jacks	Digikey	J151-ND	Headstage Adapter The Autolab channel MUX has banana plugs