Метод систематической электрохимический и электрофизиологические оценки нейронных регистрирующих электродов
Summary
Различные электродные покрытия влияет нейронной производительность записи путем внесения изменений в электрохимические, химические и механические свойства. Сравнение электродов в пробирке является относительно простым, однако сравнение ответа в естественных условиях, как правило, осложняется изменений в расстоянии электрод / нейронов и между животными. Эта статья предусматривает надежный метод для сравнения нейронных электроды записи.
Abstract
Новые материалы и конструкции для нейронных имплантатов обычно испытывают отдельно, с демонстрацией производительности, но без ссылок на другие имплантов характеристик. Это исключает рациональное выбор конкретного имплантата как оптимальной для конкретного применения и развития новых материалов на основе наиболее важных параметров производительности. Эта статья развивает протокол для в пробирке и в естественных условиях тестирования нейронных электродов записи. Рекомендуемые параметры для электрохимического и электрофизиологических испытаний документируются с ключевых шагов и возможных вопросов, которые обсуждались. Этот метод устраняет или уменьшает воздействие многих систематических ошибок, присутствующих в простых естественных условиях тестирования парадигм в, особенно изменениям в расстоянии электрод / нейрона и между животных моделях. Результатом является сильная корреляция между критической в пробирке и в естественных условиях ответов, таких как сопротивление и сигнал-шум. Этот протокол может быть легко адаптирована для тестирования других электродных материалов и конструкций. Методы в пробирке может быть расширена до любого другого неразрушающим методом для определения дальнейшего важные показатели эффективности. Принципы, используемые для хирургического подхода в слухового пути также могут быть модифицированы в другие нейронных областей или ткани.
Introduction
Нервные имплантаты все чаще используются для научных исследований, управления протезирование и лечение расстройств, таких как болезнь Паркинсона, эпилепсия, и сенсорной 1,2 потери. Измерение и / или контроля как химические и электрические состав мозга является основой для всех нейронных имплантатов. Тем не менее, важно управлять лечение только тогда, когда нервная ткань находится в состоянии аберрантной чтобы уменьшить побочные эффекты 3. Например, глубокие стимуляторы мозга для лечения эпилепсии, должны применяться только электрический импульс в мозг во время приступа. Некоторые побочные эффекты могут быть дистония, потеря памяти, дезориентация, нарушение когнитивной функции, индуцированных галлюцинации, депрессии или анти-депрессии 3,4. Во многих устройствах, система с замкнутым контуром Поэтому необходимо записать электрическую активность и вызывать раздражение, когда ненормальное состояние обнаружено. Запись электроды также используются для контроля заsthetic устройств. Очень важно, чтобы записать целевую нейронной активности с максимально возможной сигнал-шум для достижения наиболее точного срабатывания и управления устройствами. Большое отношение сигнал-шум Также весьма желательно для исследовательских целей, так как более надежные данные могут быть получены, в результате чего меньше требуемых испытуемых. Это также позволит более глубокое понимание механизмов и путей, участвующих в нейронной стимуляции и записи.
После нейронная имплантат был помещен в мозг, иммунный ответ срабатывает 5,6. Временной ход реакции, как правило, делится на острых и хронических фаз, каждая из которых состоит из различных биологических процессов 7. Иммунный ответ может иметь драматические последствия для производительности имплантата, например, изоляции электродов из целевых нейронов по инкапсуляции в глиальных шрам или химическому разложению имплантата материалов 8.Этот может уменьшить отношение сигнал-шум записи электрода и выходную мощность стимулирующего электрода, и привести к электроду отказ 9. Тщательный выбор дизайна и материалов имплантата необходимы для предотвращения сбоя в течение всего срока имплантата.
Много различных материалов и имплантатов конструкции были разработаны недавно, чтобы улучшить отношение сигнал-шум и стабильности имплантата для нервной записи. Электродные материалы включали платину, иридий, вольфрам, оксид иридия, оксид тантала, графен, углеродные нанотрубки, легированных проводящих полимеров, а в последнее гидрогели. Испытанные материалы подложки также включает кремния, оксид кремния, нитрид кремния, шелк, тефлон, полиимид, и силикон. Различные модификации электродов также исследовались, используя покрытий, таких как ламинином, нейротрофинов или самоорганизующихся монослоев и процедур с использованием электрохимического, плазменные и оптические методы. Имплантат дизайнс может быть 1 -, 2 – или 3-мерные с электродами обычно на кончике зонда изолирующей или вдоль кромки хвостовика для проникновения электродов или в 2-мерного массива поверхностных имплантатов мозга. Независимо от конструкции электрода или вещества, предыдущий литературе обычно продемонстрировали эффективность нового имплантата без ссылки на другие имплантов конструкций. Это предотвращает систематическую оценку их свойств.
Этот протокол предусматривает способ сравнения различных электродных материалов через диапазоне аналитических и электрофизиологических методов. Он основан на недавно опубликованной статье, которая по сравнению 4 различных легированных проводящих полимерных покрытий (полипиррола (PPY) и поли-3 ,4-этилендиокситиофен (PEDOT) с примесью сульфата (SO 4) или пара-толуолсульфонат (PTS)) и 4 отличается покрытие толщиной 10. Эта статья нашел один материал, PEDOT-СТ с времени осаждения 45 сек,был самый высокий коэффициент и шип количество сигнал-шум с наименьшим фонового шума, и что эти параметры зависят от электродного импеданса. PEDOT-СТ также отображается превосходную острый биостабильности по сравнению с другими легированных проводящих полимеров и голыми иридия электродов. Протокол позволяет критические параметры регулирования соотношения сигнал-шум и стабильности, которые будут определены и использоваться для дальнейшего повышения производительности нейронных электродов записи.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол предусматривает способ сравнения нейронных записи электродных покрытий в течение одного животного. Конструкция электрода используется является идеальным для имплантации в крысиной нижней бугорок (IC), с размерами примерно того же масштаба. Вариации этого электрода, так?…
Disclosures
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).
