En metod för systematisk Electro och Elektro Utvärdering av neurala registreringselektrod
Summary
Olika elektrodbeläggningar påverkar neurala inspelningsprestanda genom förändringar av elektrokemisk, kemiska och mekaniska egenskaper. Jämförelse av elektroderna in vitro är relativt enkel, men jämförelse av in vivo respons typiskt kompliceras av variationer i elektrod / neuron avstånd och mellan djur. Denna artikel ger en robust metod för att jämföra neurala registreringselektroderna.
Abstract
Nya material och konstruktioner för neurala implantat är oftast testas separat, med en demonstration av prestation, men utan hänvisning till andra implantat egenskaper. Detta utesluter ett rationellt val av ett visst implantat som optimal för en viss tillämpning och utveckling av nya material baserade på de mest kritiska prestandaparametrar. Denna artikel utvecklar ett protokoll för in vitro-och in vivo-testning av neurala registreringselektroderna. Rekommenderade parametrar för elektrokemiska och elektrofysiologiska tester dokumenteras med de viktigaste stegen och potentiella frågor som diskuterades. Denna metod eliminerar eller minskar effekten av många systematiska fel förekommer i enklare in vivo-testning paradigm, speciellt variationer i elektrod / neuron avstånd och mellan djurmodeller. Resultatet är ett starkt samband mellan den kritiska in vitro-och in vivo-svar, såsom impedans och signal-till-brusförhållande. Detta protokoll kan lätt anpassas för att testa andra elektrodmaterial och mönster. De in vitro-metoder kan utökas till andra icke-förstörande metod för att bestämma andra viktiga resultatindikatorer. De principer som används för kirurgiska tillvägagångssätt i hörselvägen kan också modifieras till andra neurala regioner eller vävnad.
Introduction
Neurala implantat används alltmer för forskning, styra proteser och behandling av sjukdomar som Parkinsons sjukdom, epilepsi, och känselbortfall 1,2. Mät-och / eller styrning av både kemisk och elektrisk sammansättning av hjärnan är grunden för alla neurala implantat. Det är emellertid viktigt att administrera en behandling endast när neural vävnad är i det avvikande tillståndet för att minska biverkningarna 3. Till exempel bör djupa hjärnan stimulatorer för behandling av epilepsi endast tillämpa en elektrisk puls till hjärnan under ett anfall. Vissa biverkningar kan vara dystoni, minnesförlust, förvirring, nedsatt kognitiv funktion, framkallade hallucinationer, depression eller anti-depression 3,4. I många anordningar, är ett system med sluten slinga därför nödvändigt att spela in elektriska aktivitet och för att utlösa stimulering när ett onormalt tillstånd detekteras. Inspelning elektroder används också för att styra prosthetic anordningar. Det är kritiskt för att spela in målet neural aktivitet med högsta möjliga signal-till-brusförhållandet för att uppnå den mest noggranna trigg och enhetskontroll. Ett stort signal-till-brusförhållandet är också högst önskvärt för forskningstillämpningar, som kan erhållas mer tillförlitliga data, vilket resulterar i färre erforderliga testämnen. Detta kommer också att möjliggöra en större förståelse för de mekanismer och involverade i neural stimulering och inspelning.
Efter ett neuralt implantat har placerats in i hjärnan, är ett immunsvar utlöses 5,6. Tidsförloppet av svaret är generellt delas in i akuta och kroniska faser, var och en bestående av olika biologiska processer 7. Immunsvaret kan få dramatiska effekter på prestandan av implantatet, som till exempel isolering av elektroderna från målet nervceller genom inkapsling i en glia ärr eller kemisk nedbrytning av implantatmaterial 8.Detta kan minska signal-till-brus av en inspelning elektrod och uteffekten av en stimulerande elektrod, och leda till elektrod fel 9. Noggrant val av implantat design och material är nödvändig för att förhindra fel över implantatet livstid.
Många olika material och implantat mönster har nyligen utvecklats för att förbättra signal-till-brusförhållande och implantatets stabilitet för neural inspelning. Elektrodmaterial har inkluderat platina, iridium, volfram, iridium oxid, tantal oxid, grafen, kolnanorör, dopade ledande polymerer, och mer nyligen hydrogel. Substratmaterial som testats innefattar även kisel, kiseloxid, kiselnitrid, silke, Teflon, polyimid, och silikon. Olika elektrod ändringar har också undersökts, med hjälp av beläggningar såsom laminin, neurotrofiner eller själv monterade monolager och behandlingar med hjälp av elektrokemisk, plasma och optiska tekniker. Implantat konstruktionn kan vara 1 -, 2 – eller 3-dimensionella med elektroderna i allmänhet vid spetsen av ett isolerande sond eller längs kanten av ett skaft för att penetrera elektroderna eller i en två-dimensionell array för cortexytan implantat. Oavsett elektrod design eller material, har tidigare litteratur vanligtvis visat utförandet av nya implantat utan hänvisning till andra implantat konstruktioner. Detta förhindrar en systematisk utvärdering av deras egenskaper.
Detta protokoll ger en metod för att jämföra olika elektrodmaterial via en rad analytiska och elektrofysiologiska tekniker. Den är baserad på en nyligen publicerad artikel som jämfördes fyra olika dopade ledande polymerbeläggningar (polypyrrol (PPy) och poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) som är dopade med sulfat (SO 4) eller para-toluensulfonat (PTS)) och 4 olika skikttjocklekar 10. Den här artikeln hittade ett material, PEDOT-pTS med en 45 sek nedfall tid,hade den högsta signal-till-brusförhållande och spik räkna med den minsta bakgrundsbruset, och att dessa parametrar var beroende av elektrodimpedans. PEDOT-pTS visade också överlägsen akut biostabilitet jämfört med de andra dopade ledande polymerer och kala iridiumelektroder. Protokollet tillåter de kritiska parametrarna styra signal-till-brusförhållandet och stabilitet som skall bestämmas och användas för att ytterligare förbättra prestanda för neurala registreringselektroderna.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll ger en metod för att jämföra neurala inspelning elektrodbeläggningar inom ett djur. Elektrod designen som används är idealisk för implantering i en rått sämre colliculi (IC), med måtten liknande omfattning. Variationer av denna elektrod såsom mer utrymme mellan skaften skulle förhindra alla skänklar vara i råtta IC på samma gång, medan längre halsar och en större delningen mellan elektroderna ökar risken att skaftet tips kommer att komma i kontakt med basen av skallen under införandet…
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).
