ओपन-सोर्स टूलकिट: तंत्रिका रिकॉर्डिंग के लिए बेंचटॉप कार्बन फाइबर माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी
Summary
यहां, हम तंत्रिका और मस्तिष्क में विवो में रिकॉर्डिंग के लिए अनुकूलन योग्य कार्बन फाइबर इलेक्ट्रोड सरणियों के लिए निर्माण पद्धति का वर्णन करते हैं।
Abstract
पारंपरिक परिधीय तंत्रिका जांच मुख्य रूप से एक क्लीनरूम में गढ़ी जाती है, जिसमें कई महंगे और अत्यधिक विशिष्ट उपकरणों के उपयोग की आवश्यकता होती है। यह पेपर कार्बन फाइबर तंत्रिका इलेक्ट्रोड सरणियों की एक क्लीनरूम “लाइट” निर्माण प्रक्रिया प्रस्तुत करता है जिसे अनुभवहीन क्लीनरूम उपयोगकर्ता द्वारा जल्दी से सीखा जा सकता है। इस कार्बन फाइबर इलेक्ट्रोड सरणी निर्माण प्रक्रिया के लिए केवल एक क्लीनरूम टूल, एक पेरिलीन सी जमाव मशीन की आवश्यकता होती है, जिसे सीमांत लागत पर वाणिज्यिक प्रसंस्करण सुविधा के लिए जल्दी से या आउटसोर्स किया जा सकता है। इस निर्माण प्रक्रिया में हाथ से पॉप्युलेटिंग मुद्रित सर्किट बोर्ड, इन्सुलेशन और टिप अनुकूलन भी शामिल हैं।
तीन अलग-अलग टिप अनुकूलन यहां (एनडी: YAG लेजर, blowtorch, और यूवी लेजर) टिप ज्यामिति और 1 kHz प्रतिबाधाओं की एक श्रृंखला में परिणाम, blowtorched फाइबर के साथ सबसे कम प्रतिबाधा में जिसके परिणामस्वरूप. जबकि पिछले प्रयोगों ने लेजर और ब्लोटॉर्च इलेक्ट्रोड प्रभावकारिता साबित की है, यह पेपर यह भी दिखाता है कि यूवी लेजर-कट फाइबर विवो में तंत्रिका संकेतों को रिकॉर्ड कर सकते हैं। मौजूदा कार्बन फाइबर सरणियों में या तो बंडलों के पक्ष में इंडिविटेड इलेक्ट्रोड नहीं होते हैं या जनसंख्या और इन्सुलेशन के लिए क्लीनरूम निर्मित मार्गदर्शिकाओं की आवश्यकता होती है। प्रस्तावित सरणियों में केवल उन उपकरणों का उपयोग किया जाता है जिनका उपयोग फाइबर आबादी के लिए बेंचटॉप पर किया जा सकता है। यह कार्बन फाइबर इलेक्ट्रोड सरणी निर्माण प्रक्रिया व्यावसायिक रूप से उपलब्ध जांच की तुलना में कम कीमत पर थोक सरणी निर्माण के त्वरित अनुकूलन के लिए अनुमति देता है।
Introduction
तंत्रिका विज्ञान अनुसंधान का अधिकांश हिस्सा इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी (ePhys) का उपयोग करके तंत्रिका संकेतों को रिकॉर्ड करने पर निर्भर करता है। ये तंत्रिका संकेत तंत्रिका नेटवर्क और उपन्यास चिकित्सा उपचार जैसे मस्तिष्क मशीन और परिधीय तंत्रिका इंटरफेस 1,2,3,4,5,6 के कार्यों को समझने के लिए महत्वपूर्ण हैं। परिधीय नसों के आसपास के अनुसंधान के लिए कस्टम-निर्मित या व्यावसायिक रूप से उपलब्ध तंत्रिका रिकॉर्डिंग इलेक्ट्रोड की आवश्यकता होती है। माइक्रोन-स्केल आयामों और नाजुक सामग्री के साथ तंत्रिका रिकॉर्डिंग इलेक्ट्रोड-अद्वितीय उपकरण-बनाने के लिए कौशल और उपकरणों के एक विशेष सेट की आवश्यकता होती है। विशिष्ट अंत उपयोगों के लिए विभिन्न प्रकार की विशेष जांच विकसित की गई है; हालांकि, इसका तात्पर्य यह है कि प्रयोगों को वर्तमान में उपलब्ध वाणिज्यिक जांच के आसपास डिज़ाइन किया जाना चाहिए, या एक प्रयोगशाला को एक विशेष जांच के विकास में निवेश करना चाहिए, जो एक लंबी प्रक्रिया है। परिधीय तंत्रिका में तंत्रिका अनुसंधान की विस्तृत विविधता के कारण, एक बहुमुखी ePhys probe4,7,8 के लिए उच्च मांग है। एक आदर्श ePhys जांच एक छोटी रिकॉर्डिंग साइट, कम प्रतिबाधा9, और एक system3 में कार्यान्वयन के लिए एक वित्तीय रूप से यथार्थवादी मूल्य बिंदु की सुविधा होगी.
वर्तमान वाणिज्यिक इलेक्ट्रोड या तो एक्स्ट्रान्यूरल या कफ इलेक्ट्रोड (न्यूरल कफ 10, माइक्रोप्रोब्स नर्व कफ इलेक्ट्रोड 11) होते हैं, जो तंत्रिका के बाहर बैठते हैं, या इंट्राफैसिकुलर, जो तंत्रिका में प्रवेश करते हैं और ब्याज के फास्किल के भीतर बैठते हैं। हालांकि, जैसा कि कफ इलेक्ट्रोड फाइबर से दूर बैठते हैं, वे आस-पास की मांसपेशियों और अन्य fascicles से अधिक शोर उठाते हैं जो लक्ष्य नहीं हो सकते हैं। ये जांच तंत्रिका को संकुचित करने के लिए भी होती हैं, जिससे बायोफाउलिंग-ग्लियाल कोशिकाओं का एक निर्माण हो सकता है और इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस पर निशान ऊतक-जबकि ऊतक ठीक हो जाता है। इंट्राफैसिकुलर इलेक्ट्रोड (जैसे LIFE12, TIME13, और Utah Arrays14) fascicle चयनात्मकता के लाभ को जोड़ते हैं और अच्छे सिग्नल-टू-शोर अनुपात होते हैं, जो मशीन इंटरफेसिंग के लिए भेदभाव संकेतों में महत्वपूर्ण है। हालांकि, इन जांचों में बायोकंपैटिबिलिटी के साथ समस्याएं हैं, समय के साथ तंत्रिकाएं विकृत हो जाती हैं3,15,16। जब व्यावसायिक रूप से खरीदा जाता है, तो इन दोनों जांचों में प्रयोग-विशिष्ट अनुकूलन के लिए कोई विकल्प नहीं होने के साथ स्थिर डिजाइन होते हैं और नई प्रयोगशालाओं के लिए महंगे होते हैं।
अन्य जांचों द्वारा प्रस्तुत उच्च लागत और जैव संगतता के मुद्दों के जवाब में, कार्बन फाइबर इलेक्ट्रोड विशेष उपकरणों की आवश्यकता के बिना अपनी जांच बनाने के लिए तंत्रिका विज्ञान प्रयोगशालाओं के लिए एक एवेन्यू प्रदान कर सकते हैं। कार्बन फाइबर एक छोटे से रूप कारक के साथ एक वैकल्पिक रिकॉर्डिंग सामग्री है जो कम क्षति सम्मिलन के लिए अनुमति देता है। कार्बन फाइबर बेहतर biocompatibility प्रदान करते हैं और सिलिकॉन 17,18,19 की तुलना में काफी कम निशान प्रतिक्रिया गहन क्लीनरूम प्रसंस्करण 5,13,14 के बिना। कार्बन फाइबर लचीले, टिकाऊ, आसानी से अन्य biomaterials19 के साथ एकीकृत कर रहे हैं, और प्रवेश और तंत्रिका 7,20 से रिकॉर्ड कर सकते हैं. कार्बन फाइबर के कई फायदों के बावजूद, कई प्रयोगशालाओं को इन सरणियों के मैनुअल निर्माण को कठिन लगता है। कुछ groups21 कार्बन फाइबर को बंडलों में जोड़ते हैं जो सामूहिक रूप से एक बड़े (~ 200 μm) व्यास में परिणाम देते हैं; हालांकि, हमारे ज्ञान के लिए, इन बंडलों को तंत्रिका में सत्यापित नहीं किया गया है। दूसरों ने अविभाज्य कार्बन फाइबर इलेक्ट्रोड सरणियों का निर्माण किया है, हालांकि उनके तरीकों को अपने सरणियों को पॉप्युलेट करने के लिए क्लीनरूम-निर्मित कार्बन फाइबर गाइड 22,23,24 और उपकरणों की आवश्यकता होती है। इसे संबोधित करने के लिए, हम एक कार्बन फाइबर सरणी बनाने की एक विधि का प्रस्ताव करते हैं जिसे प्रयोगशाला बेंचटॉप पर किया जा सकता है जो अचानक संशोधनों की अनुमति देता है। परिणामी सरणी विशेष फाइबर पॉप्युलेटिंग टूल के बिना individuated इलेक्ट्रोड युक्तियों को बनाए रखती है। इसके अतिरिक्त, अनुसंधान प्रयोग की जरूरतों से मेल खाने के लिए कई ज्यामिति प्रस्तुत की जाती हैं। पिछले work8,17,22,25 से निर्माण, यह पेपर न्यूनतम क्लीनरूम प्रशिक्षण समय की आवश्यकता के साथ मैन्युअल रूप से सरणियों की कई शैलियों को बनाने और संशोधित करने के लिए विस्तृत तरीके प्रदान करता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
सामग्री प्रतिस्थापन
जबकि उपयोग की जाने वाली सभी सामग्रियों को सामग्री की तालिका में संक्षेप में प्रस्तुत किया गया है, बहुत कम सामग्रियों को विशिष्ट विक्रेताओं से आने की आवश्यकता होती ह?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ न्यूरोलॉजिकल डिसऑर्डर एंड स्ट्रोक (UF1NS107659 और UF1NS115817) और नेशनल साइंस फाउंडेशन (1707316) द्वारा वित्तीय रूप से समर्थित किया गया था। लेखकों ने मिशिगन कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग विश्वविद्यालय से वित्तीय सहायता और मिशिगन सेंटर फॉर मटेरियल्स लक्षण वर्णन और वैन व्लाक अंडरग्रेजुएट लेबोरेटरी से तकनीकी सहायता को स्वीकार किया है। लेखक डॉ खलील नजफी को अपने एनडी: याग लेजर और लुरी नैनोफैब्रिकेशन फैसिलिटी के उपयोग के लिए उनके पेरिलीन सी जमाव मशीन के उपयोग के लिए धन्यवाद देते हैं। हम वाणिज्यिक कोटिंग तुलना अध्ययन में उनकी मदद के लिए विशेषता कोटिंग सिस्टम (इंडियानापोलिस, आईएन) को भी धन्यवाद देना चाहते हैं।
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 |
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