Um Método para Sistemática de Eletroquímica e eletrofisiológica Avaliação do Neurais gravação Eletrodos
Summary
Revestimentos de eletrodos diferentes afetar o desempenho de gravação neural através de alterações nas propriedades eletroquímicas, químicas e mecânicas. Comparação de eléctrodos in vitro é relativamente simples, no entanto Comparação in vivo da resposta é tipicamente complicada pelas variações de distância entre os eléctrodos / neurónio e entre animais. Este artigo fornece um método robusto para comparar eletrodos de registro neurais.
Abstract
Novos materiais e designs para implantes neurais são tipicamente testados separadamente, com uma demonstração de desempenho, mas sem referência a outras características de implantes. Isto impede uma selecção racional de um implante em particular como óptima para uma aplicação particular e ao desenvolvimento de novos materiais com base nos parâmetros mais críticos do desempenho. Este artigo desenvolve um protocolo in vitro e testes in vivo de eléctrodos de registo neural. Parâmetros recomendados para o teste eletroquímico e eletrofisiológica são documentados com os principais passos e possíveis problemas discutidos. Este método elimina ou reduz o impacto de muitos erros sistemáticos presentes nas mais simples in vivo paradigmas de teste, especialmente variações na distância eletrodo / neurônio e entre modelos animais. O resultado é uma forte correlação entre a crítica in vitro e in vivo as respostas, tais como a impedância e siproporção nal-ruído. Este protocolo pode ser facilmente adaptado para testar outros materiais de eléctrodos e desenhos. As técnicas in vitro pode ser expandido para qualquer outro método não destrutivo para determinar os indicadores de desempenho mais importantes. Os princípios utilizados para a abordagem cirúrgica da via auditiva pode também ser modificado para outras regiões neurais ou tecido.
Introduction
Implantes neuronais estão a ser utilizados cada vez mais para a investigação, controlando próteses e tratamento de desordens, tais como doença de Parkinson, epilepsia, e 1,2 a perda sensorial. Medir e / ou controlar tanto a composição química e eléctrica do cérebro é a base para todos os implantes neurais. No entanto, é importante administrar um tratamento apenas quando o tecido neural é no estado aberrante para reduzir os efeitos secundários 3. Por exemplo, estimuladores cerebrais profundos para o tratamento de epilepsia só deve aplicar-se um pulso elétrico para o cérebro durante uma convulsão. Alguns efeitos secundários podem ser distonia, perda de memória, desorientação, função cognitiva prejudicada, alucinações induzidas, depressão ou anti-depressão 3,4. Em muitos dispositivos, um sistema de circuito fechado, por conseguinte, necessário para registar a actividade eléctrica e para provocar estimulação quando um estado anormal é detectada. Eletrodos de gravação também são usados para controlar pródispositivos sthetic. É crítico para registar a actividade neural alvo com a maior relação sinal-para-ruído possível conseguir o desencadeamento mais precisa e controlo do dispositivo. Uma grande proporção de sinal-para-ruído é também altamente desejáveis para aplicações de pesquisa, como dados mais fiáveis podem ser obtidas, o que resulta em menor número de indivíduos de teste necessários. Isso também irá permitir uma maior compreensão dos mecanismos e vias envolvidas na estimulação neural e gravação.
Depois de um implante neural tem sido colocado para o cérebro, uma resposta imunitária desencadeada é 5,6. O curso dos tempos de resposta está geralmente dividido em fases agudas e crónicas, cada uma consistindo de 7 diferentes processos biológicos. A resposta imune pode ter efeitos dramáticos sobre o desempenho do implante, tais como o isolamento dos eléctrodos dos neurónios-alvo por encapsulação em uma cicatriz glial ou degradação química dos materiais de implante 8.Isto pode reduzir a relação sinal-para-ruído de um eléctrodo de registo e a potência de saída de um eléctrodo estimulante, e para o eléctrodo de chumbo falha 9. Escolha cuidadosa do desenho do implante e os materiais são necessários para prevenir falhas durante a vida útil do implante.
Muitos diferentes materiais e modelos de implantes têm sido desenvolvidas recentemente para melhorar a relação sinal-ruído e a estabilidade do implante para o registo neural. Materiais de eletrodo incluíram platina, irídio, tungstênio, óxido de irídio, o óxido de tântalo, o grafeno, os nanotubos de carbono, polímeros condutores dopados, e, mais recentemente, os hidrogéis. Os materiais de substrato testados também inclui silício, óxido de silício, nitreto de silício, de seda, Teflon, poliimida, e silicone. Várias modificações dos eléctrodos também foram investigados, utilizando revestimentos, tais como laminina, neurotrofinas, ou monocamadas e tratamentos de auto-montagem utilizando electroquímica, plasma e técnicas ópticas. Projeto Implants poderiam ser 1 -, 2 – ou 3-dimensional com os eléctrodos geralmente na ponta de uma sonda ou de isolamento ao longo do bordo de uma haste para penetrar eléctrodos ou de uma matriz de duas dimensões de implantes de superfície do córtex. Independentemente da concepção ou material de eléctrodo, a literatura anterior tem tipicamente demonstrado o desempenho do novo implante, sem referência a outras construções de implante. Isso evita que uma avaliação sistemática das suas propriedades.
Este protocolo proporciona um método para comparação de diferentes materiais de eléctrodo por meio de uma variedade de técnicas analíticas e electrofisiológicos. Ele baseia-se num artigo recentemente publicado que comparou 4 dopado diferente realização de revestimentos de polímero (de polipirrol (Ppy) e poli-3 ,4-etilenodioxitiofeno (PEDOT) dopado com sulfato (SO4) ou para-tolueno sulfonato (PTS)) e 4 revestimento de diferentes espessuras de 10. Este artigo encontrei um material, PEDOT-pTS com um tempo de deposição de 45 segundos,tinha a maior proporção e contagem de pico de sinal-para-ruído com o menor ruído de fundo, e que estes parâmetros eram dependentes da impedância do eléctrodo. PEDOT-pTS também exibido bioestabilidade aguda superior em comparação com os outros polímeros dopados condução e eletrodos de irídio nuas. O protocolo permite que os parâmetros críticos da alteração da razão e estabilidade de sinal-para-ruído de ser determinada e utilizada para melhorar ainda mais o desempenho dos eléctrodos de registo neural.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo fornece um método para comparar revestimentos de eléctrodos de gravação neurais dentro de um animal. O projeto eletrodo utilizado é ideal para implantação em um rato colículo inferior (CI), com dimensões de uma escala similar. Variações deste eléctrodo, como mais espaço entre as hastes impediria todas hastes sendo no rato IC, ao mesmo tempo, ao passo que hastes mais compridas e um passo maior entre os eléctrodos aumenta o risco de que as pontas de hastes vai entrar em contacto com a base do …
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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