Elektrode-vævsgrænseflade af neurale registrerende elektroder kan karakteriseres med elektrisk impedans spektroskopi (EIS) og cyklisk volt-amperemetri (CV). Påtrykning af spænding forspænding ændrer elektrokemiske egenskaber af elektroden-vævsgrænseflade og kan forbedre optagelsen evne. Spænding påvirke, EIS, CV, og neurale optagelser er komplementære.
Elektrisk impedans spektroskopi (EIS) og cyklisk volt-amperemetri (CV) måler egenskaber elektrode-vævsgrænseflade uden yderligere invasive procedurer og kan anvendes til at overvåge elektrode resultater på langt sigt. EIS måler elektrisk impedans ved flere frekvenser, og stigninger i impedans indikerer forøget glial ardannelse rundt om anordningen, medens cyklisk voltammetri måler ladning bæreevne af elektroden, og angiver hvorledes ladning overføres på forskellige spændingsniveauer. Som implanterede elektroder alder, EIS og CV data forandringer, og elektrode websteder, der tidligere har indspillet standardtilsætningsforsøg neuroner ofte udviser signifikant lavere effekt for neurale optagelse. Anvendelsen af en kort spændingspuls implanterede elektrode arrays, der er kendt som foryngelse, kan bringe tilbage spiking aktivitet på ellers tavse elektrodestederne for en periode. Foryngelse ændrer EIS og CV, og kan overvåges af disse komplementære metoder. Typisk EIS målt dagligt som en indikation af vævsrespons på elektroden site. Hvis spidser er fraværende i en kanal, der tidligere havde pigge, derefter CV anvendes til at bestemme ladningen bæreevne elektroden site, og foryngelse kan anvendes til at forbedre kontakten virkning. CV og EIS gentages derefter for at kontrollere ændringer i elektrode-vævsgrænseflade, og neurale optagelser opsamles. Det overordnede mål for foryngelse er at forlænge den funktionelle levetid implanterede arrays.
Neurale registrering prostetiske systemer udviser en begrænset funktionel levetid som optagelseskapacitet aftager med tiden efter implantation. Den sandsynlige årsag til aftagende ydeevne er den reaktive væv reaktion på den implanterede enhed som en kompakt glial kappe funktionelt isolerer fremmedlegeme fra raske væv 1. Sammen med neural optagelse er elektrokemiske målinger (EIS og CV) anvendes typisk til langsgående overvågning af elektrode-vævsgrænseflade 2,3. EIS er praktisk anvendelig i vurderingen af optagelsen evne til grænsefladen. Impedansen hurtigt stiger med tiden efter implantation antyder reaktive vævsrespons ændrer de elektriske egenskaber af grænsefladen 3. Derudover kan EIS data anvendes til at modellere den cellulære sammensætning støder op til den implanterede elektroden 3-5. Cyklisk voltammetri kan anvendes til yderligere at undersøge ændringer i optagelser og EIS. Den elektrode materiale og ruhed samt de elektrokemiske reaktioner og det omgivende væv påvirke formen af IV kurven. Stor ladning bæreevne, bestemmes ud fra arealet af IV kurve, foretrækkes sædvanligvis, især for elektrisk mikro-stimulering. Lav afgift kapacitet er ofte forbundet med øget EIS. Den spænding, der påtrykkes under CV selv kan ændre opladningskapaciteten og EIS, især hvis spændingen er stort nok til at drive redoxreaktioner.
Anvendelse af spænding forspænding eller foryngelse, kan anvendes med det formål at forøge ladning bæreevne, faldende impedans, og øger antallet kanaler optaget spidser 5. Oxidation er sandsynligt forekommer ved elektroden grænsefladen under foryngelse, og med iridium materialer, danner et vandholdigt oxid monolag ved anodiske potentialer på 1,2 V 6. Det er blevet foreslået, at dannelsen af denne monolag fjerne cellulære og acellular materiale vedhæftet til elektroden resulterer i lavere impedans ved grænsefladen 5. Mens foryngelse kan genvinde tabte neurale signaler, det er mest effektivt, hvis de anvendes på kanaler, der tidligere har haft pigge inden for et par dage før. Recordings, EIS, CV og foryngelse bedst kan bruges som supplerende værktøjer i overvågning af neurale interface og forbedre den langsigtede funktionalitet implanterede enheder.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev støttet af National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD), og af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), under ledelse af Dr. Jack W. Judy (jack.judy @ darpa.mil) som en del af de pålidelige Neural Technology Program, gennem rummet og Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Pacific tilskud nr. N66001-11-1-4013.
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 |