オープンソースツールキット:神経記録用のベンチトップカーボンファイバーマイクロ電極アレイ
Summary
ここでは、神経および脳における 生体内で 記録するためのカスタマイズ可能な炭素繊維電極アレイの作製方法論について説明する。
Abstract
従来の末梢神経プローブは、主にクリーンルームで製造されており、高価で高度に専門化された複数のツールを使用する必要があります。この論文は、経験の浅いクリーンルームユーザーが迅速に学ぶことができる炭素繊維神経電極アレイのクリーンルーム「光」製造プロセスを提示する。この炭素繊維電極アレイ製造プロセスに必要なクリーンルームツールはパリレンC蒸着機で、迅速に習得することも、限界費用で商業加工施設に委託することもできます。この製造プロセスには、プリント回路基板の手作業による実装、絶縁、チップの最適化も含まれます。
ここで検討した3つの異なる先端最適化(Nd:YAGレーザー、ブロートーチ、UVレーザー)により、さまざまな先端形状と1kHzのインピーダンスが得られ、ブロートーチされたファイバはインピーダンスが最も低くなります。これまでの実験ではレーザーとブロートーチ電極の有効性が証明されていますが、この論文では、UVレーザーカットファイバーが 生体内で神経信号を記録できることも示しています。既存の炭素繊維アレイは、バンドルに有利な個別の電極を持たないか、または人口と断熱のためにクリーンルームで製造されたガイドを必要とします。提案されたアレイは、ファイバーの集合のためにベンチトップで使用できるツールのみを使用します。この炭素繊維電極アレイ製造プロセスにより、市販のプローブと比較して低価格でバルクアレイ製造の迅速なカスタマイズが可能になります。
Introduction
神経科学研究の多くは、電気生理学(ePhys)を使用して神経信号を記録することに依存しています。これらの神経信号は、ニューラルネットワークの機能や、脳機械や末梢神経インターフェースなどの新しい治療法を理解するために不可欠です1,2,3,4,5,6。末梢神経を取り巻く研究には、カスタムメイドまたは市販の神経記録電極が必要です。ミクロンスケールの寸法と壊れやすい材料を備えたユニークなツールである神経記録電極は、製造するための特別なスキルと機器のセットを必要とします。特定の最終用途向けにさまざまな特殊なプローブが開発されています。しかし、これは、実験が現在入手可能な市販のプローブを中心に設計されなければならないか、または実験室が特殊なプローブの開発に投資しなければならないことを意味し、これは長いプロセスである。末梢神経における多種多様な神経研究のために、汎用性の高いePhysプローブ4,7,8に対する高い需要がある。理想的なePhysプローブは、小さな記録サイト、低インピーダンス9、およびシステムに実装するための財政的に現実的な価格帯を特長としています3。
現在の市販の電極は、神経の外側に位置する神経外またはカフ電極(Neural Cuff10、MicroProbes Nerve Cuff Electrode11)、または神経を貫通して目的の筋膜内に座る筋膜内のいずれかである傾向がある。しかし、袖口電極は繊維から遠く離れているため、近くの筋肉やターゲットではない可能性のある他の筋膜からより多くのノイズを拾います。これらのプローブはまた、神経を収縮させる傾向があり、組織が治癒している間に電極界面でバイオファウリング(グリア細胞および瘢痕組織の蓄積)につながる可能性がある。筋膜内電極(LIFE12、TIME13、Utah Arrays14など)は、ファシクル選択性の利点を追加し、良好な信号対ノイズ比を有するため、機械インターフェース用の信号を区別する上で重要である。しかし、これらのプローブには生体適合性の問題があり、時間の経過とともに神経が変形します3,15,16。商業的に購入された場合、これらのプローブは両方とも静的設計を持ち、実験固有のカスタマイズのためのオプションがなく、新しい実験室にとって高価です。
他のプローブによって提示される高コストと生体適合性の問題に対応して、炭素繊維電極は、神経科学研究所が特殊な機器を必要とせずに独自のプローブを構築するための道を提供する可能性があります。炭素繊維は、低ダメージ挿入を可能にする小型フォームファクタを備えた代替記録材料です。炭素繊維は、集中的なクリーンルーム処理を行わずに、シリコン17,18,19よりも優れた生体適合性とかなり低い瘢痕応答を提供します5,13,14。炭素繊維は柔軟で耐久性があり、他の生体材料と容易に統合され19、神経から浸透して記録することができます7,20。炭素繊維の多くの利点にもかかわらず、多くの研究室では、これらのアレイの手動製造が困難であると感じています。いくつかのグループ21は、炭素繊維を束に結合し、集合的により大きな(〜200μm)直径をもたらす。しかし、私たちの知る限り、これらのバンドルは神経で検証されていません。他の人たちは、個別の炭素繊維電極アレイを製造していますが、その方法はクリーンルームで製造された炭素繊維ガイド22,23,24と、そのアレイを移入するための機器を必要とします17,23,24。これに対処するために、我々は、即興の修正を可能にする実験室のベンチトップで行うことができる炭素繊維アレイを作製する方法を提案する。結果として得られるアレイは、特殊なファイバー装着ツールなしで個別の電極チップを維持します。さらに、研究実験のニーズに合わせて複数の形状が提示されます。以前の作業8,17,22,25から構築したこのホワイトペーパーでは、クリーンルームのトレーニング時間を最小限に抑えながら、複数のスタイルのアレイを手動で構築および変更するための詳細な方法論を提供します。
Protocol
Representative Results
Discussion
材料代替
使用されるすべての材料は 材料表に要約されていますが、特定のベンダーからのものである必要がある材料はほとんどありません。Flex Arrayボードは、フレキシブルボードを印刷できる唯一の会社であるため、上場ベンダーから入手する必要があります。Flex Array コネクタは、独自のコネクタであるため、リストされているベンダーからも注文する必要が?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、国立神経疾患・脳卒中研究所(UF1NS107659およびUF1NS115817)および米国国立科学財団(1707316)から財政的に支援された。著者らは、ミシガン大学工学部からの財政的支援と、ミシガン材料特性評価センターとVan Vlack学部研究所からの技術支援を認めている。著者らは、ハリール・ナジャフィ博士のNd:YAGレーザーの使用と、パリレンC蒸着装置の使用のためのLurie Nanofabrication Facilityに感謝する。また、Specialty Coating Systems(インディアナ州インディアナポリス)が商業コーティング比較研究に協力してくれたことにも感謝します。
Materials
| 3 prong clams | 05-769-6Q | Fisher | Qty: 2 Unit Cost (USD): 20 |
| 3,4-ethylenedioxythiophene (25 g) (PEDOT) |
96618 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 102 |
| 353ND-T Epoxy (8oz)++ (ZIF and Wide Board Only) |
353ND-T/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 48 |
| Ag/AgCl (3M NaCl) Reference Electrode (pack of 3) | 50-854-570 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| Autolab | PGSTAT12 | Metrohm | |
| Blowtorch | 1WG61 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 36 |
| Carbon Fibers | T-650/35 3K | Cytec Thornel | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Carbon tape | NC1784521 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 27 |
| Cotton Tipped Applicator | WOD1002 | MediChoice | Qty: 1 Unit Cost (USD): 0.57 |
| Delayed Set Epoxy++ | 1FBG8 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| DI Water | n/a | n/a | Qty: n/a Unit Cost (USD): n/a |
| Dumont Tweezers #5 | 50-822-409 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 73 |
| Flex Array** | n/a | MicroConnex | Qty: 1 Unit Cost (USD): 68 |
| Flux | SMD291ST8CC | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Glass Capillaries (pack of 350) | 50-821-986 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Glass Dish | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Hirose Connector (ZIF Only) |
H3859CT-ND | DigiKey | Qty: 2 Unit Cost (USD): 2 |
| Light-resistant Glass Bottle | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Heating Filiment | FB315B | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Puller | P-97 | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Nitrile Gloves (pack of 200) | 19-041-171C | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| Offline Sorter software | n/a | Plexon | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79025-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79024-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics to ZIF connector | ZCA-OMN16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Pin Terminal Connector (Wide Board Only) |
ED11523-ND | DigiKey | Qty: 16 Unit Cost (USD): 10 |
| Probe storage box | G2085 | Melmat | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| Razor Blade | 4A807 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| SEM post | 16327 | lnf | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| Silver Epoxy (1oz)++ | H20E/1OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 125 |
| Silver GND REF wires | 50-822-122 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 423.2 |
| Sodium p-toulenesulphonate(pTS)- 100g | 152536 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 59 |
| Solder | 24-6337-9703 | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Soldering Iron Tip | T0054449899N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Soldering Station | WD1002N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 374 |
| SpotCure-B UV LED Cure System | n/a | FusionNet LLC | Qty: 1 Unit Cost (USD): 895 |
| Stainless steel rod | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Stir Plate | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Surgical Scissors | 08-953-1B | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| TDT Shroud (ZIF Only) |
Z3_ZC16SHRD_RSN | TDT | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3.5 |
| Teflon Tweezers | 50-380-043 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| UV & Visible Light Safety Glassees | 92522 | Loctite | Qty: 1 Unit Cost (USD): 45 |
| UV Epoxy (8oz)++ (Flex Array Only) |
OG142-87/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 83 |
| UV Laser | n/a | WER | Qty: 1 Unit Cost (USD): 30 |
| Weigh boat (pack of 500) |
08-732-112 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 58 |
| Wide Board+ | n/a | Advanced Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| ZIF Active Headstage | ZC16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 925 |
| ZIF Passive Headstage | ZC16-P | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 625 |
| ZIF* | n/a | Coast to Coast Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 9 |
Referências
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