שיטה לאלקטרוכימי שיטתי ואלקטרו הערכה של אלקטרודות הקלטה עצביות
Summary
ציפוי האלקטרודה שונה משפיע על ביצועי הקלטה עצביים דרך שינויים במאפיינים אלקטרוכימיים, כימיים ומכאניים. השוואה של אלקטרודות במבחנה היא פשוטה יחסית, עם זאת השוואה של תגובת in vivo היא מסובכת בדרך כלל על ידי שינויים במרחק אלקטרודה / נוירון ובין בעלי החיים. מאמר זה מספק שיטה חזקה כדי להשוות אלקטרודות הקלטה עצביות.
Abstract
חומרים ועיצובים לשתלים עצביים חדשים הם בדרך כלל נבדקו בנפרד, עם הפגנה של ביצועים, אך ללא התייחסות למאפייני שתל אחרים. זה מונע בחירה רציונלית של שתל מסוים כאופטימלי עבור יישום מסוים והפיתוח של חומרים חדשים המבוססים על הפרמטרים של ביצועים הקריטיים ביותר. מאמר זה עוסק בפיתוח פרוטוקול במבחנה בבדיקת vivo של אלקטרודות הקלטה עצביות. פרמטרים מומלצים לבדיקות אלקטרו ואלקטרו מתועדים עם השלבים העיקריים ובעיות פוטנציאליות שנדונו. שיטה זו מבטלת או מצמצמת את ההשפעה של הרבה שגיאות שיטתיות הווה בin vivo פרדיגמות בדיקות פשוטות יותר, וריאציות במיוחד במרחק אלקטרודה / נוירון ובין מודלים של בעלי החיים. התוצאה היא מתאם חזק בין קריטי במבחנה בתגובות vivo, כגון עכבה וsiיחס gnal לרעש. פרוטוקול זה יכול בקלות להיות מותאם לבדיקת חומרי האלקטרודה אחרים ועיצובים. ניתן להרחיב במבחנה הטכניקות לכל שיטה הרסנית אחרת כדי לקבוע מדדי ביצוע חשובים נוסף. העקרונות המשמשים לגישה הניתוחית במסלול השמיעה יכולים גם להיות שונה כדי אזורים עצביים אחרים או רקמה.
Introduction
שתלים עצביים נמצאים בשימוש יותר ויותר למחקר, שליטה תותבות וטיפול בהפרעות כגון מחלת פרקינסון, אפילפסיה, ו1,2 אובדן חושים. מדידה ו / או שליטה הן כימית והרכב חשמלי של המוח היא הבסיס לכל שתלים העצביים. עם זאת, חשוב לנהל את טיפול רק כאשר הרקמה העצבית נמצאת במצב החריג כדי להפחית את תופעות הלוואי 3. לדוגמא, לגירוי מוחי עמוק לטיפול באפילפסיה צריך לחול רק פולס חשמלי למוח במהלך התקף. תופעות לוואי מסוימים עשויות להיות דיסטוניה, אובדן הזיכרון, בלבול, תפקוד הקוגניטיבי לקוי, הזיות מושרה, דיכאון או אנטי הדיכאון 3,4. במכשירים רבים, מערכת לולאה סגורה לכן יש צורך להקליט את הפעילות חשמלית וכדי לעורר גירוי כאשר מדינה נורמלית הוא זוהה. אלקטרודות הקלטה משמשות גם כדי לשלוט בפרומכשירי sthetic. זה קריטי כדי להקליט את הפעילות העצבית היעד עם היחס הגבוה ביותר אפשרי אות לרעש כדי להשיג מפעילה מדויק ביותר ובקרה של התקן. יחס אות לרעש גדול הוא גם רצוי מאוד עבור יישומי מחקר, כפי שניתן לקבל נתונים אמינים יותר, וכתוצאה מנבדקים נדרשו פחות. זה גם יאפשר הבנה טובה יותר של המנגנונים ומסלולים מעורבים בגירוי והקלטה עצביים.
לאחר שתל עצבי הושם לתוך המוח, תגובה חיסונית מופעלת על 5,6. במהלך זמן התגובה מחולק בדרך כלל לשלבים אקוטיים וכרוניים, כל אחת בהיקף של תהליכים ביולוגיים שונים 7. התגובה החיסונית יכולה להיות השפעה דרמטית על הביצועים של השתל, כגון בידוד של אלקטרודות מהנוירונים היעד ידי אנקפסולציה בצלקת או השפלה כימית גליה של חומרי שתל 8.זה יכול להפחית את יחס אות לרעש של האלקטרודה הקלטה ותפוקת החשמל של האלקטרודה מגרה, ולהוביל לאלקטרודה כישלון 9. בחירה קפדנית של עיצוב שתל וחומרים נחוץ כדי למנוע כישלון לאורך חיי השתל.
רבים חומרים שונים ועיצובים שתל פותחו לאחרונה כדי לשפר את יחס אות לרעש ויציבות שתל להקלטה עצבית. חומרי אלקטרודה כללו פלטינה, אירידיום, טונגסטן, תחמוצת אירידיום, תחמוצת טנטלום, גרפן, צינורות פחמן, מסוממים פולימרים מוליכים, ולאחרונה הידרוג. חומרי מצע שנבדקו כוללים גם סיליקון, תחמוצת סיליקון, סיליקון ניטריד, משי, טפלון, polyimide, וסיליקון. שינויי אלקטרודה שונים גם נחקרו, תוך שימוש בציפויים כגון laminin, neurotrophins, או monolayers עצמי התאספו וטיפולים באמצעות אלקטרוכימיים, פלזמה ושיטות אופטיות. עיצוב שתלים יכול להיות 1 -, 2 – או 3 ממדים עם אלקטרודות בדרך כלל בקצה של חללית בידוד או בשולי שוק חודר אלקטרודות או במערך 2 ממדים לשתלי משטח קליפת המוח. ללא קשר לעיצוב האלקטרודה או חומר, הספרות קודמת יש בדרך כלל הוכיחה את הביצועים של השתל החדש ללא התייחסות למבני שתל אחרים. זה מונע הערכה שיטתית של הנכסים שלהם.
פרוטוקול זה מספק שיטה להשוואה בין חומרי אלקטרודה שונים באמצעות מגוון של שיטות אנליטיות ואלקטרו. הוא מבוסס על מאמר שפורסם לאחרונה אשר לעומת 4 מסוממים שונה ביצוע ציפוי פולימר (polypyrrole (PPy) ופולי-3 ,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) מסומם עם סולפט (SO 4) או sulfonate para-טולואן (נק ')) ו -4 ציפוי שונה בעוביי 10. מאמר זה מצא חומר אחד, PEDOT-נק 'עם זמן בתצהיר 45 שניות,היה לי ספירת היחס וספייק הגבוהה ביותר אות לרעש עם רעש הרקע הקטן ביותר וכי הפרמטרים אלה היו תלויים בעכבת אלקטרודה. PEDOT-נק 'מוצג גם biostability החריף מעולה לעומת הפולימרים מסוממים ניהול האחרים ואלקטרודות אירידיום חשופות. הפרוטוקול מאפשר הפרמטרים הקריטיים שליטה יחס אות לרעש ויציבות שייקבע ומשמש כדי לשפר את הביצועים של האלקטרודות הקלטה עצביות נוסף.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מספק שיטה להשוואה בין ציפוי האלקטרודה הקלטה עצבי בתוך חיה אחת. עיצוב אלקטרודה המשמש הוא אידיאלי להשתלה לתוך colliculus נחותים עכברוש (IC), עם ממדים של קנה מידה דומה. וריאציות של אלקטרודה זו כגון מקום רב יותר בין שאנקס ימנעו כל אנקס להיות בחולדה IC באותו הזמן, בעוד …
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).
