ערכת כלים בקוד פתוח: מערך מיקרו-אלקטרוניקה של סיבי פחמן עבור הקלטת עצבים
Summary
כאן, אנו מתארים מתודולוגיית ייצור עבור מערכי אלקטרודה סיבי פחמן להתאמה אישית להקלטה ב vivo בעצב ובמוח.
Abstract
בדיקות עצבים היקפיות קונבנציונליות מיוצרות בעיקר בחדר נקי, הדורשות שימוש בכלים יקרים ומתמחים מאוד. מאמר זה מציג תהליך ייצור “אור” חדר נקי של מערכי אלקטרודות עצביות סיבי פחמן שניתן ללמוד במהירות על ידי משתמש חדר נקי חסר ניסיון. תהליך ייצור מערך אלקטרודות סיבי פחמן זה דורש רק כלי ניקוי אחד, מכונת תצהיר Parylene C, שניתן ללמוד במהירות או במיקור חוץ למתקן עיבוד מסחרי בעלות שולית. תהליך ייצור זה כולל גם איכון ידני של מעגלים מודפסים, בידוד ואופטימיזציה של טיפים.
שלוש אופטימיזציות הקצה השונות שנחקרו כאן (לייזר Nd:YAG, מבער ולייזר UV) גורמות למגוון גיאומטריות קצה ועוכבה של 1 kHz, עם סיבים מבערים וכתוצאה מכך העכבה הנמוכה ביותר. בעוד ניסויים קודמים הוכיחו יעילות אלקטרודה לייזר מבער, מאמר זה גם מראה כי סיבים לחתוך לייזר UV יכול להקליט אותות עצביים ויוו. מערכי סיבי פחמן קיימים אינם כוללים אלקטרודות מחולקות לטובת חבילות או דורשים מדריכים מפוברקים בחדר נקי לאוכלוסייה ובידוד. המערכים המוצעים משתמשים רק בכלים שניתן להשתמש בהם בספסל לאוכלוסיית הסיבים. תהליך ייצור מערך אלקטרודות סיבי פחמן זה מאפשר התאמה אישית מהירה של ייצור מערך בתפזורת במחיר מופחת בהשוואה לבדיקות זמינות מסחרית.
Introduction
רוב המחקר במדעי המוח מסתמך על הקלטת אותות עצביים באמצעות אלקטרופיזיולוגיה (ePhys). אותות עצביים אלה חיוניים להבנת הפונקציות של רשתות עצביות וטיפולים רפואיים חדשניים כגון מכונת מוח וממשקי עצב היקפיים1,2,3,4,5,6. מחקר סביב עצבים היקפיים דורש אלקטרודות הקלטה עצביות מותאמות אישית או זמינות מסחרית. הקלטה עצבית אלקטרודות – כלים ייחודיים עם ממדים בקנה מידה מיקרוני וחומרים שבירים – דורשים קבוצה מיוחדת של מיומנויות וציוד כדי לפברק. מגוון בדיקות מיוחדות פותחו לשימושי קצה ספציפיים; עם זאת, זה מרמז כי ניסויים חייבים להיות מתוכננים סביב בדיקות מסחריות זמינות כיום, או מעבדה חייבת להשקיע בפיתוח של בדיקה מיוחדת, שהוא תהליך ממושך. בשל המגוון הרחב של מחקר עצבי בעצבים היקפיים, יש ביקוש גבוה לבדיקת ePhys רב-תכליתית4,7,8. בדיקה ePhys אידיאלית תכלול אתר הקלטה קטן, עכבה נמוכה9, ונקודת מחיר מציאותית מבחינה כלכלית ליישום במערכת3.
אלקטרודות מסחריות נוכחיות נוטות להיות אלקטרודות חיצוניות או חפתים (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), שיושבות מחוץ לעצב, או תוך-פשוליות, החודרות לעצב ויושבות בתוך הפשיזם של העניין. עם זאת, ככל שאלקטרודות חפתים יושבות רחוק יותר מהסיבים, הן קולטות יותר רעש מהשרירים הסמוכים ומפשקים אחרים שאולי אינם המטרה. בדיקות אלה נוטות גם לכווץ את העצב, אשר יכול להוביל biofouling- הצטברות של תאי גליה ורקמת צלקת – בממשק האלקטרודה בזמן הרקמה מרפאת. אלקטרודות תוך-חשמליות (כגון LIFE12, TIME13 ו-Utah Arrays14) מוסיפות את היתרון של סלקטיביות פאשיסטית ובעלות יחסי אות לרעש טובים, החשובים בהפלת אותות למתממשקים במכונה. עם זאת, בדיקות אלה יש בעיות עם תאימות ביולוגית, עם עצבים הופכים מעוותים לאורך זמן 3,15,16. כאשר נרכש מסחרית, שתי בדיקות אלה יש עיצובים סטטיים ללא אפשרות להתאמה אישית ספציפית לניסוי והם יקרים עבור מעבדות חדשות יותר.
בתגובה לבעיות העלות וההתאמה הביולוגית הגבוהות המוצגות על ידי בדיקות אחרות, אלקטרודות סיבי פחמן עשויות להציע שדרה למעבדות מדעי המוח לבנות בדיקות משלהן ללא צורך בציוד מיוחד. סיבי פחמן הם חומר הקלטה חלופי עם גורם צורה קטן המאפשר החדרת נזק נמוך. סיבי פחמן מספקים תאימות ביולוגית טובה יותר ותגובת צלקת נמוכה בהרבה מאשר סיליקון17,18,19 ללא עיבוד חדר ניקוי אינטנסיבי5,13,14. סיבי פחמן גמישים, עמידים, משולבים בקלות עם ביו-חומרים אחרים19, ויכולים לחדור ולתעד מהעצבים 7,20. למרות היתרונות הרבים של סיבי פחמן, מעבדות רבות מוצאות את הייצור הידני של מערכים אלה מפרך. קבוצות מסוימות21 לשלב סיבי פחמן לתוך חבילות כי באופן קולקטיבי לגרום בקוטר גדול יותר (~ 200 מיקרומטר); עם זאת, למיטב ידיעתנו, חבילות אלה לא אומתו בעצב. אחרים המציאו מערכי אלקטרודות של סיבי פחמן, אם כי השיטות שלהם דורשות מדריכי סיבי פחמן מפוברקים בחדר נקי22,23,24 וציוד כדי לאכלס את המערכים שלהם17,23,24. כדי לטפל בכך, אנו מציעים שיטה של ייצור מערך סיבי פחמן שניתן לבצע בספסל המעבדה המאפשר שינויים מאולתרים. המערך המתקבל שומר על טיפים אלקטרודות אינדיווידואליים ללא כלים מיוחדים לאכלוס סיבים. בנוסף, גיאומטריות מרובות מוצגות כדי להתאים לצרכים של הניסוי המחקרי. מאמר זה, שנבנה מעבודה קודמת8,17,22,25, מספק מתודולוגיות מפורטות כדי לבנות ולשנות מספר סגנונות של מערכים באופן ידני עם זמן אימון מינימלי בחדר נקי.
Protocol
Representative Results
Discussion
החלפת חומרים
בעוד שכל החומרים המשמשים מסוכמים בטבלת החומרים, מעט מאוד מהחומרים נדרשים להגיע מספקים ספציפיים. לוח מערך Flex חייב להגיע מהספק הרשום מכיוון שהם החברה היחידה שיכולה להדפיס את הלוח הגמיש. יש להזמין גם את מחבר מערך Flex מהספק המפורט מכיוון שהוא מחבר קנייני. פאריל…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה כלכלית על ידי המכונים הלאומיים להפרעות נוירולוגיות ושבץ מוחי (UF1NS107659 ו- UF1NS115817) והקרן הלאומית למדע (1707316). המחברים מכירים בתמיכה כספית מהמכללה להנדסה של אוניברסיטת מישיגן ותמיכה טכנית ממרכז מישיגן לאפיון חומרים ומעבדת התואר הראשון של ואן ולאק. המחברים מודים לד”ר ח’ליל נג’אפי על השימוש בלייזר Nd:YAG ובמתקן Nanofabrication Lurie על השימוש במכונת התצהיר פארילן C שלהם. ברצוננו גם להודות למערכות ציפוי מיוחדות (אינדיאנפוליס, IN) על עזרתם במחקר השוואת הציפוי המסחרי.
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 |
References
- Szostak, K. M., Grand, L., Constandinou, T. G. Neural interfaces for intracortical recording: Requirements, fabrication methods, and characteristics. Frontiers in Neuroscience. 11, 665 (2017).
- Cunningham, J. P., et al. A closed-loop human simulator for investigating the role of feedback control in brain-machine interfaces. Journal of Neurophysiology. 105 (4), 1932-1949 (2011).
- Yoshida, K., Bertram, M. J., Hunter Cox, T. G., Riso, R. R., Horch, K., Kipke, D. Peripheral nerve recording electrodes and techniques. Neuroprosthetics: Theory and Practice. , 377-466 (2017).
- Dweiri, Y. M., Stone, M. A., Tyler, D. J., McCallum, G. A., Durand, D. M. Fabrication of high contact-density, flat-interface nerve electrodes for recording and stimulation applications. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (116), e54388 (2016).
- Kim, H., et al. Cuff and sieve electrode (CASE): The combination of neural electrodes for bi-directional peripheral nerve interfacing. Journal of Neuroscience Methods. 336, 108602 (2020).
- Ciancio, A. L., et al. Control of prosthetic hands via the peripheral nervous system. Frontiers in Neuroscience. 10, 116 (2016).
- Jiman, A. A., et al. Multi-channel intraneural vagus nerve recordings with a novel high-density carbon fiber microelectrode array. Scientific Reports. 10 (1), 15501 (2020).
- Welle, E. J., et al. Sharpened and mechanically robust carbon fiber electrode arrays for neural interfacing. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 29, 993-1003 (2021).
- Moffitt, M. A., McIntyre, C. C. Model-based analysis of cortical recording with silicon microelectrodes. Clinical Neurophysiology. 116 (9), 2240-2250 (2005).
- Nerve-cuff electrodes. Micro-Leads Neuro Available from: https://www.microleadsneuro.com/research-products/?jumpto=nerve-cuff (2021)
- Mortimer, J. T., et al. Perspectives on new electrode technology for stimulating peripheral nerves with implantable motor prostheses. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 3 (2), 145-154 (1995).
- Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors & Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
- Grill, W. M., Norman, S. E., Bellamkonda, R. V. Implanted neural interfaces biochallenges and engineered solutions. Annual Review of Biomedical Engineering. 11, 1-24 (2009).
- Larson, C. E., Meng, E. A review for the peripheral nerve interface designer. Journal of Neuroscience Methods. 332, 108523 (2020).
- Christensen, M. B., et al. The foreign body response to the Utah Slant Electrode Array in the cat sciatic nerve. Acta Biomaterialia. 10 (11), 4650-4660 (2014).
- Patel, P. R., et al. Chronic in vivo stability assessment of carbon fiber microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066002 (2016).
- Yoshida Kozai, T. D., et al. Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces. Nature Materials. 11 (12), 1065-1073 (2012).
- Saito, N., et al. Application of carbon fibers to biomaterials: A new era of nano-level control of carbon fibers after 30-years of development. Chemical Society Reviews. 40 (7), 3824-3834 (2011).
- Welle, E. J., et al. Fabrication and characterization of a carbon fiber peripheral nerve electrode appropriate for chronic recording. FASEB Journal. 34 (1), 1 (2020).
- Guitchounts, G., Cox, D. 64-Channel carbon fiber electrode arrays for chronic electrophysiology. Scientific Reports. 10 (1), 3830 (2020).
- Patel, P. R., et al. High density carbon fiber arrays for chronic electrophysiology, fast scan cyclic voltammetry, and correlative anatomy. Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056029 (2020).
- Massey, T. L., et al. Open-source automated system for assembling a high-density microwire neural recording array. 2016 International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales (MARSS). , 1-7 (2016).
- Schwerdt, H. N., et al. Subcellular probes for neurochemical recording from multiple brain sites. Lab Chip. 17, 1104-1115 (2017).
- Welle, E. J., et al. Ultra-small carbon fiber electrode recording site optimization and improved in vivo chronic recording yield. Journal of Neural Engineering. 17 (2), 026037 (2020).
- Guitchounts, G., Markowitz, J. E., Liberti, W. A., Gardner, T. J. A carbon-fiber electrode array for long-term neural recording. Journal of Neural Engineering. 10 (4), 046016 (2013).
- Gillis, W. F., et al. Carbon fiber on polyimide ultra-microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 15 (1), 016010 (2018).
- Dong, T., Chen, L., Shih, A. Laser sharpening of carbon fiber microelectrode arrays for brain recording. Journal of Micro and Nano-Manufacturing. 8 (4), 041013 (2020).
- Massey, T. L., et al. A high-density carbon fiber neural recording array technology. Journal of Neural Engineering. 16 (1), 016024 (2019).
- Romeni, S., Valle, G., Mazzoni, A., Micera, S. Tutorial: a computational framework for the design and optimization of peripheral neural interfaces. Nature Protocols. 15 (10), 3129-3153 (2020).
- Khani, H., Wipf, D. O. Fabrication of tip-protected polymer-coated carbon-fiber ultramicroelectrodes and pH ultramicroelectrodes. Journal of The Electrochemical Society. 166 (8), 673-679 (2019).
- El-Giar, E. E. D. M., Wipf, D. O. Preparation of tip-protected poly(oxyphenylene) coated carbon-fiber ultramicroelectrodes. Electroanalysis. 18 (23), 2281-2289 (2006).
- Venkatraman, S., et al. In vitro and in vivo evaluation of PEDOT microelectrodes for neural stimulation and recording. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (3), 307-316 (2011).
- Petrossians, A., et al. Electrodeposition and Characterization of Thin-Film Platinum-Iridium Alloys for Biological Interfaces. Journal of the Electrochemical Society. 158 (6), 269-276 (2011).
- Lee, C. D., Hudak, E. M., Whalen, J. J., Petrossians, A., Weiland, J. D. Low-impedance, high surface area Pt-Ir electrodeposited on cochlear implant electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 165 (12), 3015-3017 (2018).
- Cassar, I. R., et al. Electrodeposited platinum-iridium coating improves in vivo recording performance of chronically implanted microelectrode arrays. Biomaterials. 205, 120-132 (2019).
- Taylor, I. M., et al. Enhanced dopamine detection sensitivity by PEDOT/graphene oxide coating on in vivo carbon fiber electrodes. Biosensors and Bioelectronics. 89, 400-410 (2017).
- Mohanaraj, S., et al. Gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (147), e59552 (2019).
- Pusch, J., Wohlmann, B. Chapter 2 – Carbon fibers. Inorganic and composite fibers. Production, properties, and applications. , 31-51 (2019).
- Budai, D., Hernádi, I., Mészáros, B., Bali, Z. K., Gulya, K. Electrochemical responses of carbon fiber microelectrodes to dopamine in vitro and in vivo. Acta Biologica Szegediensis. 54 (2), 155-160 (2010).
