Sinir Kayıt Elekrtotların Sistematik Elektrokimyasal ve Elektrofizyolojik Değerlendirme için Bir Yöntem
Summary
Farklı elektrot kaplamalar elektrokimyasal, kimyasal ve mekanik özellikleri değişiklikler yoluyla sinir kayıt performansını etkileyebilir. In vitro elektrot karşılaştırması, ancak in vivo yanıt karşılaştırılması tipik olarak elektrot / nöron mesafede ve hayvanlar arasında farklılıklar ile komplike nispeten basittir. Bu makalede, nöral kayıt elektrotları karşılaştırmak için sağlam bir yöntem sağlar.
Abstract
Yeni malzemeler ve nöral implantlar için tasarımlar genellikle performansı bir gösteri ile ancak diğer implant özelliklerine değinmeden, ayrı ayrı test edilir. Bu, özel bir uygulama için optimum ve en önemli performans parametreleri dayalı yeni malzemelerin geliştirilmesi gibi belirli bir implant rasyonel bir seçim engellemektedir. Bu makalede, in vitro ve nöral kayıt elektrot vivo test için bir protokol geliştirir. Elektrokimyasal ve elektrofizyolojik test için önerilen parametreler tartışılan önemli adımlar ve olası sorunlar ile belgelenmiştir. Bu yöntem ortadan kaldırır ya da basit in vivo test paradigmaların, elektrot / nöron mesafe ve hayvan modelleri arasında özellikle varyasyonları mevcut birçok sistematik hataların etkisini azaltır. Sonuç, in vitro ve bu empedansına si olarak vivo tepkiler, kritik arasında güçlü bir korelasyongnal-gürültü oranı. Bu protokol, kolayca diğer elektrot malzeme ve tasarımları test etmek için uyarlanabilir. In vitro teknikleri daha önemli performans göstergelerini belirlemek için başka tahribatsız yöntemle açılabilir. Işitsel yolu cerrahi yaklaşım için kullanılan prensipler diğer nöral bölgeler veya dokuya değiştirilebilir.
Introduction
Nöral protez ve implantları, Parkinson hastalığı, epilepsi ve duyu kaybı, 1,2 bozuklukların tedavisi kontrol araştırmaları için artan bir biçimde kullanılmaktadır. Kimyasal ve beynin elektrik bileşimi her ikisi de ölçülmesi ve / veya kontrol eden tüm sinir implantlar için temel oluşturur. Ancak, bu nöral doku yan etkileri 3 azaltmak için anormal halde sadece bir tedavi uygulanması önemlidir. Örneğin, epilepsi tedavisi için derin beyin uyarıcıları sadece nöbet sırasında beyindeki bir elektrik darbe uygulamak gerekir. Bazı yan etkiler distoni, bellek, oryantasyon bozukluğu, bilişsel işlev bozukluğu, kaynaklı halüsinasyonlar, depresyon ya da anti-depresyon 3,4 kaybı olabilir. Birçok cihaz, kapalı bir döngü sistemi elektriksel aktivite kayıt ve anormal bir durum tespit edildiğinde uyarımı tetiklemek için bu nedenle gereklidir. Kayıt elektrotları da pro kontrol etmek için kullanılırsthetic cihazlar. Bu en doğru tetikleme ve cihaz kontrolü sağlamak için mümkün olan en yüksek sinyal-gürültü oranına sahip hedef sinir aktivite kayıt için çok önemlidir. Daha güvenilir veri daha az gerekli olan deneklerde elde elde edilebilir, olarak büyük bir sinyal-gürültü oranı, aynı zamanda araştırma uygulamaları için yüksek ölçüde istenebilecektir. Bu da sinir uyarımı ve kayıt ile ilgili mekanizmaların ve yolların büyük bir anlayış sağlayacaktır.
Bir sinir implant beyin içine yerleştirildikten sonra, bir bağışıklık tepkisi, 5,6 tetiklenir. Cevabın zaman süreci genellikle her biri farklı biyolojik süreçlerin 7 kapsayan akut ve kronik fazlar ayrılmıştır. Immün yanıt gibi implant malzemeler 8'in bir glial yara izi veya kimyasal bozulma kapsülleme ile hedef nöronlardan elektrotların izolasyonu olarak implantın performansı üzerinde dramatik etkilere sahip olabilir.Bu bir kayıt elektrot sinyal-gürültü oranı ve bir uyarıcı elektrot güç çıkışı, ve başarısızlık 9 elektrot kurşun azaltabilir. Implant tasarımı ve malzemelerin dikkatli seçimi implant ömrü boyunca başarısızlığı önlemek için gereklidir.
Farklı malzemeler ve implant tasarımı çok sinir kayıt için sinyal-gürültü oranı ve implant kararlılığını artırmak için son zamanlarda geliştirilmiştir. Elektrot malzemeler platin, iridyum, tungsten, iridyum oksit, tantalum oksit, grafen, karbon nanotupler, iletken polimerler katkılı ve daha yakın zamanda hidrojeller dahil ettik. Yüzey test malzemeleri de silikon, silikon oksit, silikon nitrit, ipek, Teflon, poliimid, ve silikon içerir. Çeşitli değişiklikler, aynı zamanda, elektrot elektrokimyasal, plazma ve optik teknikleri kullanarak laminin, nörotrofinler, ya da kendi kendini monte tek katmanlar ve kaplamalar kullanılarak tedavi olarak, araştırılmıştır. İmplant tasarımgenellikle bir izolasyon probunun ucu ya da elektrotlar delici veya korteks yüzey implantlar için bir 2-boyutlu bir dizide bir gövdenin kenarı boyunca veya elektrotlar ile 3 boyutlu -, 2 – s 1 olabilir. Ne olursa olsun elektrot tasarım veya malzeme, önceki literatür genellikle diğer implant yapıların referans olmadan yeni implantın performansını göstermiştir. Bu özelliklerinin sistematik bir değerlendirmesini engeller.
Bu protokol, analitik ve elektrofizyolojik teknikler yolu ile bir dizi farklı bir elektrot malzemeleri karşılaştırmak için bir yöntem sağlar. Polimer kaplama (polipirol (altı primer Ppy) ve poli-3 ,4-etilendioksitiyofen (PEDOT) sülfat ile katkılı (SO 4) ya da para-toluen sülfonat (PTS)) ve 4 iletken 4 farklı katkılı kıyasla yakın zamanda yayınlanan bir makale dayanmaktadır Farklı kaplama kalınlığı 10. Bu makalede, bir 45 saniye birikim zamanla bir malzeme, PEDOT-PTS bulunduküçük arka plan gürültü ile ve bu parametreler elektrot empedansı bağlı olduğu en yüksek sinyal-gürültü oranı ve başak sayısı vardı. PEDOT-PTS de diğer katkılı iletken polimerlerin ve çıplak iridyum elektrotlara kıyasla üstün akut biyo görüntülenir. Protokol kritik parametreler belirlenmiştir ve daha fazla sinir kayıt elektrotları performansını artırmak için kullanılmak üzere sinyal-gürültü oranı ve stabilite kontrol sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, tek bir hayvan içinde sinir kayıt elektrot kaplamaların karşılaştırılması için bir yöntem sağlamaktadır. Kullanılan elektrot tasarımı benzer bir ölçekte boyutları ile, bir sıçan alt colliculus (IC) içine implantasyon için idealdir. Örneğin saplar arasında daha fazla bir alan olarak bu elektrot varyasyonları uzun sap ve elektrotlar arasında daha büyük bir adım sap uçlarına kafatası baz ile temas edeceği riskini artıran ise her sap, aynı zamanda, sıçan IC olmak önleyece…
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).
