Eine Methode zur systematischen Elektrochemische und elektrophysiologische Bewertung der Neural Aufzeichnungselektroden
Summary
Verschiedene Elektrodenbeschichtungen beeinflussen neuronale Aufnahmeleistung durch Änderungen an elektrochemischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften. Vergleich der in vitro-Elektroden ist relativ einfach, jedoch Vergleich der in vivo-Reaktion wird typischerweise durch Variationen Elektrode / Neuron Abstand zwischen Tieren und kompliziert. Dieser Artikel bietet eine robuste Methode, um neuronale Aufzeichnungselektroden vergleichen.
Abstract
Neue Materialien und Designs für Neuroimplantate werden in der Regel getrennt geprüft werden, mit einer Demonstration von Leistung, aber ohne Bezug auf andere Implantateigenschaften. Dies verhindert eine rationale Auswahl eines bestimmten Implantats als optimal für eine bestimmte Anwendung und der Entwicklung von neuen Materialien auf der Basis der kritischen Leistungsparameter. Dieser Artikel entwickelt ein Protokoll für die in vitro-und in vivo-Tests von neuralen Aufzeichnungselektroden. Empfohlene Parameter für elektrochemische und elektrophysiologische Tests sind mit die wichtigsten Schritte und mögliche Probleme diskutiert dokumentiert. Diese Methode eliminiert oder reduziert die Auswirkungen von vielen in einfacher in-vivo-Tests Paradigmen, vor allem Schwankungen in Elektrode / Neuron Abstand zwischen Tier und Modellen vorhanden systematische Fehler. Das Ergebnis ist eine starke Korrelation zwischen der kritischen in vitro-und in vivo-Reaktionen, wie z. B. Impedanz und signal-Rausch-Verhältnis. Dieses Protokoll kann leicht an andere Elektrode Materialien und Designs zu testen. Die in-vitro-Techniken können zu jedem anderen zerstörungsfreien Methode erweitert, um weitere wichtige Leistungsindikatoren zu bestimmen. Die zur chirurgischen Ansatz in der Hörbahn verwendeten Prinzipien können auch auf andere Regionen oder neuralen Gewebes verändert werden.
Introduction
Nervenimplantate werden zunehmend für die Forschung verwendet werden, die Steuerung der Prothetik und der Behandlung von Erkrankungen, wie Parkinson-Krankheit, Epilepsie und sensorischen Verlust 1,2. Messen und / oder Steuern sowohl der chemischen und elektrischen Zusammensetzung des Gehirns ist die Basis für alle Nervenimplantate. Jedoch ist es wichtig, eine Behandlung, nur wenn das neuronale Gewebe in aberranten Zustand Nebenwirkungen reduzieren 3 verabreichen. Zum Beispiel Gehirnstimulatoren für Epilepsie-Behandlung sollte nur einen elektrischen Impuls an das Gehirn während einer Beschlagnahme gelten. Einige Nebenwirkungen können Dystonie, Gedächtnisverlust, Verwirrtheit, Beeinträchtigung der kognitiven Funktion, induziert Halluzinationen, Depressionen oder Anti-Depression 3,4 sein. In vielen Geräten ist ein geschlossenes Kreislaufsystem daher erforderlich, die elektrische Aktivität zu erfassen und Stimulation ausgelöst wird, wenn ein anormaler Zustand festgestellt wird. Aufnahme Elektroden werden auch verwendet, um zu steuern proprothetischen Geräte. Es ist kritisch, um die Ziel neuronale Aktivität mit der höchstmöglichen Signal-zu-Rausch-Verhältnis, um die genaueste Auslösung und Gerätesteuerung zu erreichen aufzuzeichnen. Ein großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist auch für Forschungsanwendungen sehr wünschenswert, da mehr zuverlässige Daten erhalten werden können, was zu weniger Testpersonen erforderlich. Dies ermöglicht auch ein besseres Verständnis der Mechanismen und Signalwege in neuronalen Stimulation und Aufzeichnung beteiligt.
Nach ein neuronales Implantat in das Gehirn platziert worden sind, wird eine Immunantwort ausgelöst 5,6. Der Zeitverlauf der Reaktion ist im allgemeinen in akuten und chronischen Phasen unterteilt, die jeweils aus verschiedenen biologischen Prozessen 7. Die Immunantwort kann dramatische Auswirkungen auf die Leistung des Implantats, wie z. B. Isolierung von den Elektroden von den Zielneuronen durch Einkapselung in einer glialen Narbe oder chemischen Abbau der Implantatmaterialien 8 haben.Dies kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis eines Aufzeichnungselektrode und die Ausgangsleistung einer Stimulationselektrode und zum Ausfall der Elektrode 9 zu reduzieren. Die sorgfältige Auswahl der Implantat-Design und Materialien sind notwendig, um über die Implantatversagen Lebenszeit zu verhindern.
Viele verschiedene Materialien und Implantat-Designs sind kürzlich entwickelt worden, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und Stabilität des Implantats für neuronale Aufnahme zu verbessern. Elektrodenmaterialien sind Platin, Iridium, Wolfram, Iridiumoxid, Tantaloxid, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, dotierte leitende Polymere und kürzlich Hydrogele enthalten. Getestet Substratmaterialien gehören auch Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Seide, Teflon, Polyimid und Silikon. Verschiedene Modifikationen Elektrode wurden ebenfalls untersucht, unter Verwendung von Beschichtungen, wie Laminin, Neurotrophine oder selbstorganisierte Monolagen und Anwendungen mit elektrochemischen, Plasma und optische Techniken. Implantatdesign-, 2 – oder 3-dimensional mit den Elektroden in der Regel an der Spitze eines isolierenden Sonde oder an der Kante eines Schaftes zum Durchdringen von Elektroden oder in einem 2-dimensionalen Array für Kortexoberfläche Implantate s könnte 1 sein. Unabhängig von Elektroden-Design oder Material hat typischerweise bisherigen Literatur demonstriert die Leistungsfähigkeit des neuen Implantats ohne Bezugnahme auf andere Implantat-Konstrukte. Dies verhindert, dass eine systematische Bewertung ihrer Eigenschaften.
Dieses Protokoll liefert ein Verfahren für den Vergleich verschiedener Elektrodenmaterialien über eine Reihe von analytischen und elektrophysiologischen Techniken. Es ist auf einem kürzlich erschienenen Artikel, die 4 verschiedene dotierte leitende Polymerbeschichtungen (Polypyrrol (ppy) und Poly-3 ,4-ethylendioxythiophen (PEDOT) mit Sulfat-dotierte (SO 4) oder p-Toluolsulfonat (PTS)) und 4 verglichen basierend unterschiedliche Beschichtungsdicken 10. Dieser Artikel gefunden, ein Material, PEDOT-pTS mit einem 45 sec Abscheidungszeitden höchsten Signal-zu-Rausch-Verhältnis und Spike Zahl mit der kleinsten Grundrauschen und dass diese Parameter waren abhängig von der Elektrodenimpedanz. PEDOT-pTS angezeigt auch überlegen akuten Biostabilität Vergleich zu den anderen dotierten leitenden Polymeren und nackten Iridium-Elektroden. Das Protokoll ermöglicht die kritischen Parameter, die die Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die Stabilität bestimmt und verwendet, um die Leistung der neuronalen Aufnahme Elektroden weiter zu verbessern.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll liefert ein Verfahren für den Vergleich von neuralen Aufzeichnungselektrodenbeschichtungen in einem Tier. Die Elektrodenkonstruktion verwendet wird, ist ideal für die Implantation in einem Ratten Colliculus inferior (IC), mit Abmessungen von einer ähnlichen Größenordnung. Variationen dieses Elektrode, wie mehr Platz zwischen Schäfte würde verhindern, dass alle Schäfte in der Ratte IC in der gleichen Zeit, während längere Schenkel und einen größeren Abstand zwischen den Elektroden zu erhöhen…
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
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