Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays

Jason E Chung; Hannah  R Joo; Clay  N Smyth; Jiang Lan Fan; Charlotte Geaghan-Breiner; Hexin Liang; Daniel  Fan Liu; Demetris Roumis; Supin Chen; Kye  Y Lee; Jeanine  A Pebbles; Angela  C Tooker; Vanessa  M Tolosa; Loren  M Frank

doi:10.3791/59957

JoVE Journal > Neuroscience

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

신경과학

השרשה כרונית של מערכים גמישים אלקטרודה מרובים

Published: October 04, 2019

doi:

10.3791/59957

Jason E Chung*^1,2, Hannah R Joo*^1,2, Clay N Smyth², Jiang Lan Fan³, Charlotte Geaghan-Breiner², Hexin Liang², Daniel Fan Liu³, Demetris Roumis², Supin Chen^4,5, Kye Y Lee⁴, Jeanine A Pebbles⁴, Angela C Tooker⁴, Vanessa M Tolosa^4,5, Loren M Frank^2,6

¹Medical Scientist Training Program and Neuroscience Graduate Program,University of California San Francisco, ²Kavli Institute for Fundamental Neuroscience, Center for Integrative Neuroscience, and Department of Physiology,University of California San Francisco, ³Bioengineering Graduate Program,University of California San Francisco, ⁴Center for Micro- and Nanotechnology,Lawrence Livermore National Laboratory, ⁵Neuralink Corp., ⁶Howard Hughes Medical Institute

Summary

המתואר להלן הוא שיטה עבור השרשה של מערכי האלקטרודה מרובים פולימר ברחבי אזורים מרוחקים מבחינה אנטומית עבור הקלטה אלקטרופיסיולוגית כרונית בחופשיות הזזת חולדות. הכנה והשתלות כירורגיות מתוארות בפרוטרוט, בדגש על עקרונות עיצוב להנחות את השיטות לשימוש במינים אחרים.

Abstract

הקלטות סימולטני מאוכלוסיות גדולות של נוירונים בודדים ברחבי אזורי המוח המופצים במשך חודשים עד שנים יאפשרו שדרות חדשות של פיתוח מדעי וקליני. השימוש של מערכים גמישים אלקטרודה הפולימר יכול לתמוך הקלטה ארוכת טווח, אבל אותם תכונות מכניות המאפשרות אריכות ימים של הקלטה להפוך הוספות מרובות ואינטגרציה לתוך שתל כרונית אתגר. הנה מתודולוגיה שממנה מערכים מרובים של האלקטרודה הפולימר יכולים להיות מיועדים לקבוצה בלתי מוגבלת יחסית של אזורי מוח.

השיטה משתמשת התקנים פולימר סרט דק, נבחר עבור תאימות תאימות להם ויכולת להשיג לטווח ארוך ויציבה ממשקי הקלטה אלקטרופיזיולוגית. השתל הנובעת מאפשר התמקדות מדויקת וגמישה של אזורים מרוחקים מבחינה אנטומית, יציבות פיזית במשך חודשים, וחוסן לרעש חשמלי. המתודולוגיה תומכת עד שש עשרה התקנים בעלי הוכנס באופן סדרתי על פני שמונה מטרות אנאטומיות שונות. כפי שהראו קודם לכן, המתודולוגיה מסוגלת להקליט מ1024 ערוצים. מתוך אלה, 512 ערוצים בהפגנה זו השתמשו עבור הקלטה תא העצב אחד הניב 375 יחידות יחיד מפוזרים על פני שישה אתרי הקלטה. חשוב מכך, שיטה זו גם יכולה להקליט יחידות יחיד לפחות 160 ימים.

אסטרטגיה זו השרשה, כולל באופן זמני מרענן כל התקן עם העבורת לשליפה סיליקון הכניסה, כרוך בקשירת התקנים במעמקי היעד שלהם כדי פיסת בסיס פלסטיק בסיסי בגולגולת כי הוא מותאם אישית מעוצב עבור כל קבוצה של הקלטה מטרות, וייצוב/הגנה של המכשירים בתוך מארז ממולא סיליקון מעוצב בהתאמה אישית. מכוסה גם הוא הכנת התקנים עבור השרשה, ועקרונות עיצוב כי צריך להנחות הסתגלות לצירופים שונים של תחומי המוח או עיצובי מערך.

Introduction

השתל העצבי האידיאלי היה להקליט ממספר גדול מאוד של נוירונים בודדים באזורי המוח המופצים במשך שבועות עד חודשים. מערכי האלקטרודה הגמישה של הפולימר מספקים הקלטות אלקטרופיזיולוגיות עם אריכות הימים כדי להקליט במשך חודשים ואת היציבות לעקוב אחר נוירונים בודדים¹^,²^,³. עם זאת, אותם תכונות מכניות המקמצמו את נזק ההטיה⁴ ומעניקים יכולת תאימות והקלטה²^,³^,⁵^,⁶^,⁷^, ⁸ להוות אתגר להכנסת שלהם לתוך המוח ביחס עמיתיהם נוקשה שלהם. העבודה הקודמת השיגה מקסימום של 4 32-channel מערכים, אבל התשואה הכוללת של הנוירונים מיון בודד בודדים הוא לא דיווח²^,³^,⁹. לעומת זאת, מערכי אלקטרודה מבוססי סיליקון שימשו בצפיפות גבוהה, multi-אזור שתלים, אבל הטכנולוגיות האלה חסרות גם את היכולת להקליט קוצים מנוירונים במשך חודשים (אריכות ימים) או לעקוב אחר הנוירונים (יציבות) באותו ציר זמן, או הצפיפות להקליט ממאות נוירונים בודדים על פני מספר מחוזות המוח. השיטה המוצגת כאן גוברת על מספר נמוך של הוספות בשיטות מבוססות פולימרים פולימר מערך, ובכך לספק אמצעים הקלטה אלקטרולוגית של מספר רב של נוירונים בודדים באזורים מרוחקים מרחוק מבחינה אנטומית עבור חודשים, עם יציבות להקליט מן הנוירונים בודדים אותו במשך ימים רבים.

יש ויכוח לגבי החשיבות של שימוש במצע פולימרי במקום המיקרוגל או הסיליקון מבוססי אסטרטגיות. כפי שמתואר על ידי דהוייל ואח ‘¹⁰, המיקרוגל הם באמת מסוגלים הקלטות יציבות חודשים ארוכים במכרסמים, למרות השתלים היו מוגבלים 16 tetrodes באזור אחד. שינוי גודל של השתל המיקרוגל מגיע מגבלה גבוהה יחסית גבוה, עם עד 1792 ערוצים מושתלים השיגה פרימטים לא אנושיים¹¹. עם זאת, בניית מערכי המיקרוגל אינה תואמת לתהליכי הננו-מעבדים הסיליקון, ולכן היא גוזלת זמן רב, ודורשת טיפול ידני בכל ערוץ בנפרד במהלך הבנייה¹²^,¹³ ^,¹⁴. ככזה, לא ברור אם טכנולוגיה זו יכולה לתמוך בסדר גודל של עלייה בערוצי ההקלטה.

התקני סיליקון הנוכחי יכול למקם מאות או אפילו מעל אלף אלקטרודות על מכשיר מונוליטי אחד¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹. תהליכי ייצור הסיליקון האחרונים יוצרים התקנים עם אזורים בעלי חתך נמוך יותר, ללא קשר לחומר, וכתוצאה מכך הפעלה גלילית פחות²⁰^,²¹^,²²^,²³ ^,²⁴ והתקנים תואמי יותר. יש שינויים בדוחות של הסיליקון בדיקה יחידה אריכות חיים הקלטה, עם כמה המציין כי בבדיקות סיליקון גדול יחסית יכול לספק הקלטה לטווח ארוך²⁵^,²⁶. בעיקר, האחרונה מסחרית-זמין מכשירים סיליקון¹⁷ יש אריכות ימים להקליט במשך מספר חודשים ויש להם חתך באזורים דומים מאוד שאנקס בשימוש בשיטה המתוארת כאן (יוני et al. 2017¹⁷: 70 יקרומטר x 20 יקרומטר, התקנים המתוארים כאן ובצ et al. 2019¹: 68 יקרומטר – 80 יקרומטר x 14 יקרומטר). בשל ההבדל ביציבות, בדיקה זו לא הפגינו כדי להיות מסוגל להקליט מן הנוירונים אותו במשך שבועות. סביר להניח שבגלל שילוב כלשהו של השימוש בסיליקון נוקשה, כמו גם התחברות ישירה לגולגולת, ידוע לגרום micromotion, חוסר יציבות, ו gliosis בממשק מערך-מוח²⁷^,²⁸. כדי לבנות מכשיר שיכול לנוע עם הרקמה העצבית, חומרים רכים⁵^,²⁹ וגמיש⁷ נדרשים. פולימרים זמינים רבים (ראו בגדס וברודר³⁰, פאטהי ואח ‘³¹, ו-וולטמן ואח ‘³² לביקורות) יש את הגמישות והיציבות של המיקרוגל והן תואמות גם לתהליכי הננו, המאפשרים אריזה צפופה של התקני סיליקון.

מספר בעיות השרשה עצבית הן ספציפיות לשימוש במערכים אלקטרודה גמישה. הראשון מבין אלה הוא החדרת המערך, כמו מערכים גמישים חוסר קשיחות להיות מתקדמים לתוך המוח כמו סיליקון או במיקרוגל מבוססי אסטרטגיות. רוב אסטרטגיות הכניסה עבור התקנים גמישים תלוי בהתקשות זמני של המצע כפי שנעשה בשיטה זו (לראות וולטמן ואח ‘³² לסקירה). ישנן חמש אסטרטגיות בולטת שאינן עושות שימוש במעבורת נוקשה. ראשית, ישנן שיטות שעושות שימוש בחומרים כי מעבר נוקשה לתואם על^{השרשה 33,}³⁴. החיסרון של אסטרטגיה זו הוא שהיא דורשת שטח גדול יחסית בחתך הרוחב כדי להשיג את הכוח הנדרש לחדירת רקמת המוח לפני הקריסה כפי שהוכתב על ידי החישוב כוח הקריסה של אוילר³⁵. העלייה הזאת באזור החתך יהיה שלילי להשפיע על הבריאות של הרקמה המקיפה²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴. השני הוא השימוש במבנה התומך הנשלף מעל המוח³⁶, אם כי זה דורש הסרת זמן רב או פירוק של פיגומים כדי לשמור על אורך לא נתמך מינימלי (ואת כוח הקריסה גבוה). לחלופין, המערכת תדרוש שהמערך יתווסף באורך זמן ארוך יותר, ובכך יידרש מצע של מערך מסוים או מערך גדול יותר לרוחב האזור. השלישי הוא חדירה מראש כדי לפתוח חור עבור מערך גמיש להיות מוכנס לאחר מכן³⁵. זה דורש היישור מדויק או בקוטר גדול מראש לפני החדירה, ואת הקשיחות מערך האלקטרודות אזור החוצה כדי להתיר הכנסה לא נתמכת. הרביעי הוא שימוש בציפויים הנמצאים בשימוש מדלל כדי להתקשות את המכשיר הגמיש. הדבר מגדיל באופן משמעותי את האזור הצולב ואת הנזק החריף שנגרם כתוצאה מהוספה, גם כאשר אמצעי זהירות מיוחדים נלקחים כדי לשמר את הקצה החד של מכשיר³⁷. החמישית היא הזריקה של מערך הפולימר. אסטרטגיה זו היתה הצלחה בהשגת שתלים עם עד 4 32-ch הוספות², אבל דורש שימוש בשטח גדול החוצה חתך החוצה להוספה, a 250 יקרומטר – 1.5 מ”מ בקוטר החיצוני זכוכית נימי שפופרת⁹, גרימת נזק חריף יותר. לעומת זאת, באמצעות שירות הסעות נשלף, תוך הוספת אזור חתך להכנסה החריפה, מאפשר להשתמש בחומרים האפשריים החדים, ולכן, יכול להיות הגודל המינימלי התיאורטי בעת החדרת מכשיר גמיש באופן שרירותי. לפיכך, הכניסה באמצעות שירות הסעות נוקשה היא כעת האפשרות האטרקטיבית ביותר עבור הוספת התקנים גמישים.

ישנן שתי דרישות של כל גישה הסעות הכניסה: מצע נוקשה כראוי ודרך זוג המכשיר גמיש המצע. הכניסה חומרים המעבורת הם בדרך כלל סיליקון³⁸^,³⁹^,⁴⁰^,⁴¹, נירוסטה⁸^,⁴², או טונגסטן⁴³^,⁴⁴^, ⁴⁵, עם חומרים סטיפר המאפשרים שטחים קטנים יותר בחתך הרוחב. אלה מודבקת בדרך כלל באמצעות דבק כגון פוליאתילן גליקול (יתד)⁸^,³⁸^,³⁹^,⁴²^,⁴³, כוחות אלקטרוסטטית⁴⁰, או ישיר צימוד פיזי⁴⁵^,⁴⁶. בכל המקרים, האתגרים הם היישור והצימוד של מערך האלקטרודות וההסעות הכניסה לפני הכניסה והdecoupling לאחר ההכנסה. סיפר להלן עידון של השיטה שהוצגה על ידי פליקס ואח ‘³⁹ כדי לחזק באופן זמני את מערך האלקטרודה עם המעבורת החדרת סיליקון, המצורפת באמצעות פג, כי הוא הוסר לאחר החדרת המערך לעומק היעד שלה.

האתגר השני הציג על ידי מכשירים גמישים בתוך שתל כרוני הוא של ייצוב המכשיר בתוך המוח תוך שהוא עדיין מאפשר את המכשיר להיות משולב לתוך שתל מחובר לגולגולת. המוח נע ביחס הגולגולת בשל הקלות הטבעית, פוסט טראומטית שינויים, השפעה, וגורמים אחרים, ואת מערך האלקטרודה חייב להיות לפחות קצת חופשי לנוע ביחס למקום שבו הוא מודבקת על הגולגולת והקלטת חומרה. זה מושגת באמצעות 3D מודפס בסיס פלסטיק פיסת, מותאם אישית עבור כל ערכה של מטרות השתל, כי יש פונקציות מרובות: מאגר מלוחים במהלך השרשה, מיקום לקשור את המערכים פולימר, ודיור ג’ל סיליקון. המיקום המעזז מעל הגולגולת וג הסיליקון פועלים יחדיו כדי ליצור רדיוס גדול יותר של עקמומיות עבור המערך ובכך לאפשר לכוחות הגדולים יותר במערך. זה בתורו מאפשר תנועה של המוח ביחס נקודות העוגן של המערך (הגולגולת) להיות מתורגם לטעון קריסה.

אתגרים נוספים כוללים את הצורך לבית מערכים מרובים ולספק הקלה במאמץ רב עבור בעל החיים להתנהג בחופשיות ללא העברה של ויברציות או כוחות השפעה על מערכי האלקטרודה, אשר יכול לגרום תנועה ביחס לרקמות עצביות. עיבודים לפתרונות ששימשו ביישומים דומים שהמוח חייב להיות יציב יחסית לחלון הקלטה נוקשה התייחס לאתגר הזה. ג’ל סיליקון מלאכותי ריר איטום (טבלה של חומרים), אשר בעבר הפגינו להיות לא רעיל ולמנוע דליפה של שדרתי⁴⁷, מספק לחץ נגד המוח כדי למנוע נפיחות החוצה לייצב את המערך ב פני המוח. שכבה נוספת של הגנה מתווסף לרצועות המכשיר על ידי צמיגות בינונית, כיתה כירורגית אלסטומר סיליקון, הפגינו בעבר לשימוש איטום שתלים עצביים העצבית כרונית⁴⁸. בסופו של דבר, השתל באגירה הסיליקון והבמה הוא עטוף בחלקים מודפסים 3D מותאם אישית שנועד לשמור על מרכז נמוך של מסה עבור צמצום מינימלי של ניידות נורמלית של בעל החיים.

פרוטוקול זה מתחיל במערך גמיש של מיקרואלקטרודה פולימר הרכוב למעבורת החדרת סיליקון. זה ממשיך עם הרכבה של המכשיר מערך מעבורת לחתיכות ההכנסה מודפס 3D, מתאר את הטכניקה כירורגית ושלבי הבנייה השתל הנדרש להשתיל בהצלחה בעל חיים, והוא מסוגל לתמוך שש עשרה פולימר רב אלקטרודה מערכים שהושתלת בשמונה אזורים מרוחקים מבחינה אנטומית בעכברוש אחד¹.

פרוטוקול זה מניח את החומרים המתחילים של מערכי האלקטרודה פולימר מחובר על ידי פוליאתילן דבקים דביק גליקול (פג) למעבורת החדרת סיליקון, כפי שמוצג ב פליקס et al.³⁹, ולפחות שתי הכנסה הנייד עצמאית חתיכות: אחד שאליו מעבורת הסיליקון יהיה מודבק ואחד שאליו המחבר של מערך האלקטרודה יהיה דבוק. פרוטוקול זה גם משתמש בפריט הכנסה שלישי כדי לחבר בצורה מאובטחת יותר את שני חלקי הכניסה למיקרומניפולציה באמצעות מיקרון. ניתן למצוא את כל הקבצים עבור הדפסה תלת-ממדית ב: https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3DParts

כל מערך של אלקטרודה פולימר, המשמש בשיטה זו מורכב משתיים עד ארבע הקלטות שאנקס, רצועת הכלים המעביר את עקבות החשמל, ובסוף רצועת הכלים, מחבר חומרה או לוח מעגלים מודפס. מערך האלקטרודות והסרט הם קבועים על גבי המעבורת סיליקון עם פג. כל רצועת כלים יש 2 ס”מ ארוך x 1 מ”מ צינור פוליאימיד עבה המצורפת רצועת הכלים באמצעות אפוקסי לריפוי UV, הרחבת בניצב לאורך של רצועת הכלים. כל התקן (מערך האלקטרודות וההסעות הכניסה) חייב להיות טעון על החלקים המודפסים 3D המודפס שישמשו כדי להכניס את המערך לתוך המוח ולמשוך את המעבורת (איור 1). בעיצוב זה, את הכניסה הידראולי מיקרומניפולציה (ירוק, טבלה של חומרים) מזיז את כל מכשיר הכניסה (חלק 1, פיסת 2 ואת מיקרומניפולציה הנסיגה, כתום) לעומק היעד שלה. לאחר שהמערך נותק ממנגנון הכניסה ותוקן, השני, הנסיגה השנייה (כתום) מופרע הזה בו piece 1 והמעבורת המצורפת באופן עצמאי משאר מנגנוני הכניסה, הסרת המעבורת ללא הרחקת המערך.

איור 1: רכיבי Inserter.
(א) חתיכות 1 ו-2 מתוקנות באופן זמני אחד לשני עם בורג נשלף ומאוחר יותר יהיה מעוגן על הנסיגה מיקרומניפולציה בוכנה (כתום). (ב) המערך ושירות הכניסה מחוברים לחלק 1 ומחבר המערך מוצמד לחלק 2 עם קלטת דו-צידית. Piece 3 מחבר את הנסיגה מיקרומניפולציה וחתיכות 1 ו-2 למיקרומניפולציה ההכנסה (ירוק). מיקרומטר ההכנסה מתוקן למתאם סטריאוטקטיקה לצורך מיקום השתל. חתיכות 1-3 מבתמונה בגדלים היחסיים שלהם. Piece 4 הוא קטע ייצוב עבור יישור נאות של המעבורת הכניסה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Protocol

כל הפרוטוקולים המעורבים המתוארים בכתב יד זה אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול בבעלי חיים באוניברסיטת קליפורניה. 1. הכנת מערכי אלקטרודה פולימריים להוספה (~ 30 דקות) צרף חלק 1 לחלק 2 על-ידי הוספת בורג דרך מיושר, חורים אנכית מונחה לנעול את החלקים יחד (איור 2). . החזיקי את שני החלקים האלה בתוך מוסר הצמד קלטת דו צדדית (טבלת חומרים) לחלק העליון של חלק 2. חברו את החלק הייצוב 4 עד לסוף פיסת 1. . הוא יתקיים במקום בחיכוך איור 2: הרכבה עבור יישור שירות ההסעות של המערך.(א) הרכבה של חלקים 1, 2 וייצוב כהכנה לחיבור ההסעות. (ב) חתיכות 1 ו-2 מוחזקים יחד עם בורג האגודל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. יד, ליישר את מערך האלקטרודה ולצרף את המעבורת הכניסה עם מקטע הקצה הצר של חלק 1. כאשר המכשיר מיושר עם ציר האורך של פיסת 1, לדבוק את מחבר המערך לקלטת הכפולה פוליאימיד על החלק השטוח של פיסת 2. עם מלקחיים משופעת פלסטיק, יצירת קשר רק באגף פוליאימיד המצורפת לרצועת הכלים מערך, להרים את הכניסה התקן-אלקטרודה מערך ההתקן עצה מתוך חלק 1, לחלק החיצוני של החלק ייצוב (איור 3a). החלת כמות קטנה של ציאנואקריאקרילי (טבלת חומרים) או דבק אחר (~ 10 μl) עד לסוף חלק 1. מעט מדי לא לדבוק בחוזקה את המעבורת הכניסה לחלק 1, סיכון לניתוק במהלך הכניסה או הנסיגה. יותר מדי סיכונים מלאים במעבורת ושמירה על המערך עצמו לחלק 1. שימוש מלקחיים משופעת פלסטיק, יצירת קשר רק באגף פוליאימיד מצורף לרצועת הכלים מערך, ליישר מחדש את המכשיר עם קטע צר של חלק 1, עם הלשונית המרובעת של שירות הכניסה (ורק את המעבורת) על גבי הדבק (איור 3b). בצע התאמות יישור קטנות על ידי מניפולציה בצד של המעבורת סיליקון או פג. הימנע מהחלת כוח מופרז על רצועת הכלים או שאנקס. איור 3: יישור, הצמדה ועיקור של מערך מעבורת.(א) התמצאות נאותה של העבורת הכניסה-התקן מערך אלקטרודה ליישום הדבק בתחנת העגינה של פיסת 1. . שירות הסעות מערך 2-shank (ב) מערך אלקטרודה פולימרי והעבורת הכניסה רכוב על פיסת הכניסה, עם פיסת ייצוב זמני עבור יישור. . שירות הסעות מערך 2-shank (ג) החדרת המכשיר עטוף תיבת פלסטיק להגנה במהלך עיקור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. הפעילו לחץ עדין כלפי מטה עם מלקחיים משני צדי היצירה הייצוב והוציאו אותו מההרכבה מבלי להזיז את המערך. הסר את מכלול ההתקן שנטען (חתיכות 1 ו-2, מערך, מעבורת הכניסה ומחבר מערך) מתוך המחלק והדבק אותו בקלטת דו צדדית לבסיס של קופסת פלסטיק קטנה לעיקור על ידי אתילן אוקסיד (איור 3 ג). מכשירים אלה אינם מתאימים לחיטוי אדים. 2. תכנון פיסת בסיס קביעת גדלים של כריתת גולגולת למטרות סטריאוטקטיקה שנבחרו, כמו גם מיקומים של בורגי המוח וברגי הקרקע. בגודל של כריתת גולגולת נקבע על ידי מערך טביעת רגל, עם כמה מאות (~ 300) מיקרון היקף עבור התאמות המיקום כדי למנוע ולפני השטח. באמצעות תוכנת עיצוב (למשל, CAD), לעצב את טביעת הרגל של פיסת הבסיס כדי להקיף את כריתת הגולגולת המתוכננת ולהתאים בתוך המתחם המוגדר על ידי הרכס הזמני ברגים הגולגולת, למקסם את פני שטח הגולגולת כי יהיה מחוץ לפיסת הבסיס שאליו מלט לוטינג הדבק יכול לאגד לדבוק השתל לגולגולת. מתאר את המשטח התחתון של פיסת בסיס, כך שניתן לטפל בגולגולת ללא פערים, הפחתת הסיכוי של זיהום ומניעת תמיסת מלח או סיליקון מתוך מחלחל. הגדר את הגובה של פיסת בסיס ל 3-7 מ”מ, גבוה מספיק כדי להחזיק תמיסת מלח וסיליקון, אך נמוך מספיק כדי לא לעכב את הניראות במהלך החדרת מערך (ים).הערה: החלק הבסיסי יכול להיות מעוצב עם הודעות אנכיות או תכונות דומות אשר הכנפיים פוליאימיד יכול להיות קשור בנקודה גבוהה יותר מעל הגולגולת. אל תאפשר הצמדת נקודות לצפייה בתצוגה. 3D להדפיס את פיסת בסיס (איור 4) ולעקר את פיסת הבסיס לפני השרשה. איור 4: הגולגולת מוכנה להשתלה.כריתת המוח להשלים עם ברגים הגולגולת, שכבת אקריליק בסיס, פיסת בסיס קבוע לגולגולת. 3. הכנת גולגולת (~ 2 שעות) בחר עכברוש 400 g או יותר כדי לתמוך במשקל של השתל. עכברים גברים לונג אוונס, ב 6-12 חודשים של גיל שימשו. . לדבר על העכברוש מניחים את החיה. לתוך תא הרדמה . הפעל 5% שיהיה הכנס מינון תוך-הצפק של קטמין (50 מ”ג/ק”ג), xylazine (6 מ”ג/ק”ג), ו אטרופין (0.14 מ”ג/ק”ג). הצג עומק הרדמה כל 20 דקות במהלך ההליך על ידי אימות אין נסיגה מתוך צביטה וקצב הנשימה נשאר 50-75 נשימות/דקה. . למרוח משחת עיניים לחולדה . תגלח את ראש החולדה הניחו את החיה לתוך המחזיק בסטריאוטקאית. הכינו את האתר כירורגי על ידי קרצוף עם שלושה מנתחים לסירוגין כל אחד Povidone-שפשוף כירורגי יוד, ואחריו תמיסת מלח סטרילי. הכנס 0.2 cc של 0.5% לידוקאין לתוך הקרקפת. לעשות חתך משונן על קו האמצע של הגולגולת חשיפת לפחות 3 מ”מ הקדמי לתוך ברז ו 3 מילימטר האחורי למדא. הסר את הקרום. בעזרת מטליות כותנה מארק הכניסה והניתוח של הגולגולת על ידי הבקיע את המוח עם אזמל באמצעות מטוס קואורדינטות קרטזי מאופס על ברז עם כלי סטריאוטקטיקה. מקדחה באתרים כריתת גולגולת, משאיר שכבה דקה של עצם כי ניתן להסיר עם מלקחיים. אל תחשוף את דורא. זה מאפשר ניקוי גולגולת של אבק העצם ללא שיבוש דורא. לקדוח ולהוסיף עצם ברגים, אחד בכל פעם, כדי למנוע אבק העצם מלהיכנס החורים. השתמש השקיה איזוטוניק נדיב להסיר אבק העצם. עבור השתל של כ 50 גרם, השתמש 10-12 ברגים. ברגים טיטניום לאפשר אואואינטגרציה49. הקדם את הברגים לעומק שחודר באופן מלא לגולגולת מבלי להשפיע על המוח. חבר לפחות בורג עצם אחד לחוט מוליך חשמלית לתפקד כקרקע מעגל. לאחר כל קידוח הושלמה, לנקות את הגולגולת של אבק העצמות עם שטיפת מלוחים. לייבש את הגולגולת עם שיבולת כותנה או ספיגת אחרים ולהחיל שכבה הראשונית של מלט לוטינג של דבק (טבלת חומרים) אל הברגים (לא להשתמש מזמור אמייל על הגולגולתמכרסם). זו שכבת המלט מקדמי דבק לוטינג יגדל הדבקה השתל ולהקטין את העבודה בשלבי הדבקה מאוחר יותר. הסירו את השכבה הדקה של העצם שנותרה בכל אתר כריתת גולגולת. במקרה זה דורא באמצעות מחט של 30 מטרים עם טיפ כפוף תוך הימנעות כל ואסיקובלטורה. אורך החתך מתאים לממדים של המעבורת הכניסה. אם יש דימום, ההשקפים באופן ידני עם טפטוף מלוחים עדין לא להמשיך עד הדימום הפסיק. אם מתבצעים כריתת-מחזור מרובים, שמרו על אתרים לחים עם קצף ג’ל או שיטה אחרת, כגון השקיה רגילה כל כמה דקות עם תמיסת מלח בטמפרטורת הגוף. נגב את הגולגולת שוב עם שיבולת כותנה או ספיגה אחרים כהכנה להסטת מלט הבטון של פיסת הבסיס לגולגולת. הצב את פריט הבסיס הסטרילי. אם פיסת הבסיס תכסה את הברגמה, סמן מיקום אחר במרחק ידוע ממנו כפרוקסי. החלת מלט לוטינג מסביב להיקף של פיסת הבסיס. ממלאים את פיסת הבסיס הדבקה עם תמיסת מלח; זיהוי ותיקון כל דליפה עם מלט luting צמנט בממשק בין פיסת הבסיס לבין ממשק הגולגולת (איור 5).הערה: חיוני כי פיסת הבסיס יהיה מאובטח לחלוטין הגולגולת כדי למנוע דליפה של ג’ל סיליקון ריר מלאכותי איטום, כמו זה ימנע הדבקה נאותה של השתל לגולגולת. בעל החיים מוכן להכניס מערכים. 4. הוספות טוריות של מערכים וretractions של הסעות (~ 1 h לכל מערך) הערה: יש לנווט הליך זה עם התקן לא-בר-קיימא, במיוחד עבור שתלים מרובי מערכים שבהם התקן אחד עלול להפריע להשתלה של התקנים הבאים. העמיסו חתיכות 1 ו-2 על הנסיגה מיקרומניפולציה בוכנה. הגדר את המיקרומניפולציה של חתיכה 1 למיקום מורחב ומיקרומטר של חלק 3 למיקום שולי. הבוכנה תגלוש לעומק מסוף בתוך חלק 1. Piece 2 מתאים בחלק העליון של חלק 3, כאשר החורים מיושרים. טען את החלק השלישי על המיקרומניפולציה בבוכנה, ובטוח במקום עם בורג בצד התחתון של פיסת 3 (איור 5א, ב). לטעון ולברגים 2 ו-3 יחד, כך הזזת מיקרומטר הכניסה מזיז את כל מכשיר הכניסה (איור 5C). הסר את הבורג המכיל את החלקים 1 ו-2 יחד. Piece 1 נע ללא תלות של Piece 2, כדי לאפשר נסיגה נפרדת של המעבורת הכניסה מן המנגנון. הכנס את הבורג לתוך החור הרוחבי של חלק 1, בניצב למסלול הבוכנה, עד שהבורג יחיל לחץ על הבוכנה. הדבר מבטיח כי קטע 1 נע בהתאם לבוכנה הנסוג, כפי שנראה באיור 5d. הקפידו לבחור את החור הרוחבי שלא יפגע בראייה כאשר המנגנון מותקן על כלי הסטריאוטקטיקה. איור 5: הרכבת הinserter.(א) הרכבה של חלק 3 עד מיקרומניפולציה. (ב) הצמדה של חלקים 1 ו-2 על מכשיר הכניסה. (ג) החדרת חתיכות עם התקן אלקטרודה מערך הכניסה מערכת החדרת. (ד) בורג האגודל מחזיק חלק 1 ו-2 ביחד הוסרו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. להסיר קצף ג’ל מתוך כריתת הגולגולת. השתמש בברגמה האמיתית או הפרוקסי למיקוד סטריאוטקטיקה. כאשר מעבירים את המכשיר לאתר הכניסה, לשמור על גובה של לפחות כמה סנטימטרים מעל הגולגולת. הימנע מתקופות ממושכות של מכשיר מעבורת המערך ליד הגולגולת או המוח כדי להקטין את הסיכויים כי עיבוי יהיה לנתק את המערך מן ההסעות הכניסה לפני או במהלך הכניסה. אם זה קורה, ניסיון להעלות את המכשיר המעבורת מערך גבוה מעל המוח ואת הגולגולת ולחכות לו יבש לדבוק מחדש. התאימו את קואורדינטות השתל. כדי להימנע מפני השטח כמו במהלך כריתת הגולגולת וכריתת החזה, יש להימנע מחדירה ישירה לכלי קיבול. הכנס את המכשיר בזריזות (~ 25 μm/s), הנמכת הכלי לסטרטקטיקה עד שהמכשיר נכנס למוח. . המכשיר לא יחדור את המוח מיד מידת ההתנגדות והדילינג תלויות במיקום היעד ובעיצוב ההתקן (לדוגמה, שניים מול ארבעה שאנקס, זווית עצה), אך הדילינג בדרך כלל אינו עולה על 1 מ”מ (איור 6). איור 6: החדרת מערך מעבורת.מערך המעבורת מתקדם לתוך המוח לעומק המטרה. . מערך ארבע-שעות הראו הסעה פעם במוח, נמוך יותר עם מיקרומניפולציה, הפחתת מהירות הגישה לעומק המטרה: השתמש בזרוע הסטריאוטקטיקה כדי להתחיל להוסיף ב -25 μm/s. השתמש במיקרומניפולציה כדי להוסיף 10 μm/s כאשר 2 מ”מ עד 1 מ”מ מעל עומק היעד. הכנסה איטית עם מיקרומטר עד 5 יקרומטר/s כאשר 1 מ”מ עד 500 יקרומטר מעל עומק היעד. הוספה איטית יותר ל1-2 יקרומטר/s במהלך הסופי 500 יקרומטר ליעד. המחש את כנפי המכשיר (אבובים פוליאימיד צינור אופקי) ואת נקודת הכניסה במהלך הירידה כדי למנוע העברה מוקדמת מערך הניתוק. כאשר הגיע עומק היעד (איור 7A), בקיעים עוגן את הכנפיים הפולאימיד לאתרים הבסיסיים של הקובץ המצורף באמצעות אקריליק הניתן לריפוי באור או דבק אחר כגון ציאנואקריאקרילי (שולחן החומרים). יבש, אם יש צורך, את הכנפיים או נקודת ההחזקה על פיסת הבסיס, כמו עיבוי יכול לאסוף על משטחים אלה ולמנוע הדבקה. אם הניראות או אילוצי השטח האחרים דורשים, עיגון באגף פוליאימיד אחד בלבד הוא בדרך כלל מספיק. לפני פירוק, ה-יתד יופיע כמסה כדורית יושב על גבי מערך המעבורת הכניסה ממשק (איור 7A). התמוססות פג על ידי טפטוף בעדינות של הגוף-תמיסת מלח על המערך בנקודה שבה הוא דבקה למעבורת. משך הזמן זה דורש יהיה תלוי במשקל המולקולרי של יתד שנבחרו והתפרקות מלאה ניתן לאמת עם הדמיה ישירה. כאשר ה-יתד הומס במלואו את גבולות המערכים, ניתן יהיה להבחין באופן מוחלט מהמעבורת ומחלק 1 (איור 7B). איור 7: הנסיגה של המעבורת.(א) קשירת כנפיים לפני הנסיגה. . מערך 2-שתיים ומעבורת מוצגת (ב) יתד הפירוק והדבקה הכנף עם התכונה shank (הקיפו, כחול) המאפשר אישור חזותי של מdecoupling מוצלחת של מערך והסעות במהלך הנסיגה. (ג) הכנסת מערך מוצלחת לאחר שירות הכניסה הגיע. (ד) פיסת בסיס עם ג’ל ממלא להכנסת מערך בודד של שני מערכים. ג’ל הסיליקון בעל צמיגות נמוכה משמש לו גוון כחול. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. באמצעות מיקרומטר הנסיגה, לסגת לאט את המעבורת הכניסה. המשך השקיה מלוחים (~ 1 drop/s) על המערך להיות מוכי. השתמש במהירויות נסיגה הדומות למהירות ההכנסה במרחקים רלוונטיים מעומק היעד: הפסק באמצעות המיקרומניפולציה ב 1-2 μm/s מעומק היעד ל-500 μm. האיץ את הנסיגה באמצעות המיקרומניפולציה ב-5 יקרומטר/s כאשר-500 יקרומטר ל-1 מ”מ. להאיץ את הנסיגה באמצעות המיקרומניפולציה ב 10 μm/s כאשר -1 מ”מ ל-2 מ”מ. למשוך באמצעות הזרוע סטריאוטקטיקה ב 25 μm/s מ-2 מ”מ מהמטרה וכלפי מעלה. המחש את הממשק בין המערך למעבורת הכניסה במהלך הנסיגה. מערך הפולימר יהיה להפריד בעליל מן המעבורת ולהופיע שקוף כמו המעבורת הוא ושוב בצומת חצי עיגול בין שאנקס של שירות הכניסה (איור 7B). הסר את מחבר המערך מפיסה 2 ועבור למיקום שלא יפריע לתוספות עוקבות. מערך האלקטרודה הפולימרי נמצא כעת במוח ואינו מחובר עוד לכלי הסטריאוטקטיקה (איור 7C). הסר את שירות הכניסה וחומרת הכנסה אחרת. עבור הוספות מרובות, חזור על שלבים 4.1-4.9; אל תעבור למקטע הבא עד להוספת כל המערכים הרצויים. הוא לא מומלץ להוסיף שני התקנים בתוך 250 יקרומטר אחד את השני, כמו הקידה קלה של רצועת הכלים בין המוח וכנפיים באזור הסיוע מאמץ יכול להאריך לפחות זה רחוק. 5. שתל בנייה (~ 2 שעות) לאחר החדרת המערך הסופי, תמיסת מלח ריקה מפיסת הבסיס באמצעות פיפטה או ספוגית כותנה, להיזהר לא לשבש את המערכים או סרטים מושתלים. ממלאים את כריתת הגולגולת ואת פיסת הבסיס עם אלסטומר סיליקון בעלי צמיגות נמוכה, או חומר איטום ריר מלאכותי אחר. אפשר לו לרפא (איור 7d). עם הוספות מרובות, הצב את מחברי החומרה במקום שבו הם אינם מפריעים (איור 8A). בהתאם לכיוון מחברי המערך, ולבניית השתל, כך שסרטים נמצאים במיקומה הסופי הרצוי. כסו את המערכים, את רצועות המערך והמחברים באלסטומר סיליקון בעל צמיגות בינונית. לתת תשומת לב מיוחדת ממשק פולימר מחבר, כמו זה ממשק החומר רך-קשה נוטה להזיק. כסו את סרטי המערך לחלוטין כך שכאשר מרפאת הסיליקון בעלת צמיגות בינונית, הם אינם מסוג קיבוע. הקף את המכשירים המכוסים באלסטומר במקרה המתוכנן. לחזק את בסיס השתל עם אקריליק שיניים. אל תאפשר אקריליק לבוא במגע ישיר עם סרטים מערך כי התרחבות של אקריליק בעוד הוא מרפא יכול לגרום נזק לעקבות מוליך. . החלה בבופייקיין ומשחה מסביב לחתך סגור את החתך באמצעות 4-0 התפרים ניילון ודבק העור. 6. טיפול התאוששות והשתל מסירים בעלי חיים ממכשיר סטריאוטקטיקה ומניחים בצד שלו על משטח חימום. תן הזרקה תת עורית של הפתרון החמים של המצלצל (5 – 10 mL) כדי מימה בעלי חיים. לאחר החיה הוא locomoting (10 – 60 דקות), העברה לכלוב עם מחצית הכלוב תחת משטח חימום ב 37 ° c עבור 2-3 ימים. מתחת לכרית חימום, תנו גישה למזון ולמים הרוככים. להזריק בעלי חיים עם 2 מ”ג/ק”ג מלוקסיאם כל 24 h (מינהל תת-עורי או בעל פה) במשך שבוע אחד לפי הצורך עבור שליטה בכאב. לאפשר עכברוש 1-2 שבועות כדי לרפא ולהתאים את משקל השתל (איור 8B). לבצע שטיפת כלורהקאיצין רגיל של הרקמה סביב השתל בדיקה יומית של גירוי, זיהום, או הדחיניות. איור 8: מערכים שנוספו מספר ועכבר לאחר התאוששות מן השרשה. (א) מחברי חומרה במיקומים שלא יפריעו לתוספות עוקבות. (ב) ערוץ 1,024, השתלת פולימר מערך כרוני. משוחזר באישור תא העצב [האיור המשלים 1H]1. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Representative Results

בעקבות פרוטוקול זה, הקלטה השתל העצבי 1,024 ערוץ הניב 375 יחידות יחיד1 (מיון עם פסגות מיין50, חפיפה רעש 0.96, 512 ערוצים המשמשים הקלטה יחידה יחידה, איור 9a). פרוטוקול זה יכול לשמש כדי להשתיל מספר שונה של מכשירים, עם ספירות ערוצים שונים ומפרטים, שילובים שונים של מטרות הקלטה. באמצעות אותו פרוטוקול, יחידה אחת הקלטת אריכות ימים הפגינו עבור לפחות 160 ימים1 בנתונים מ 19 התקנים (18 32-ערוץ התקנים מראש, 1 64-ערוץ המכשיר קליפת המוח הקדמית) על פני שלושה חולדות שונות ( איור 9B). לאחד משלושת החיות היה כשל חשמלי דיגיטלי כתוצאה מחוסר יכולת להקליט מארבעה מכשירים. מבין ההתקנים הנותרים 15/19, הייתה ממוצע תפוקת הקלטה של ~ 1 יחידה בודדת לכל ערוץ. התקנים בודדים היו התשואות של רק כמה יחידות יחיד עד ~ 2 יחידות לכל ערוץ. זה אופייני לראות תשואות שונות מאוד על התקנים מושתל באותה חיה באותו אזור. בנוסף, צוות ניתוחי שונה בעקבות הפרוטוקול המתואר כאן מושתל שישה בעלי חיים נוספים כל אחד עם שילוב של 4-6 32 ערוץ התקנים המיועדים לקליפת המוח הקדמית והגרעין של האקוממביה, ו tetrode מנוע השתלה (השתל הכולל משקל כ 50 גרם). חיה אחת הייתה מודעת. לשתל בתוך חודש של ניתוח חיה שנייה מתה בתקופת ההחלמה שלאחר הניתוח, כנראה שאינה קשורה לצעדי הפרוטוקול המתוארים כאן. ארבעת בעלי החיים הנותרים נשארו בריאים עם שתלים יציבים, כי לאורך הניסוי, שנמשך 4-11 חודשים. ספירות יחידות בודדות היו דומות לאלה שדווחו בעבר עבור התקני 32-channel. איור 9: תשואה יחידה ליחידה והקלטת אריכות-חיים.(A) מספר אשכולות של יחידות בודדות מ512 ערוצים (של השתל 1,024 הערוץ), שעברו באמצעות סף מדד איכותי. בידוד אוטומטי באמצעות מיון הפסגות (הרעש חופף 0.03, הבידוד 0.96, הקופסה השחורה בימנית העליונה) הביא לזיהוי של 375 יחידות יחיד מתוך הערוצים 512. משוחזר באישור מעצב הבית [איור 2A]1. (ב) התשואות של יחידה אחת עבור מערכים פולימריים לערוץ (שמאל ציר y) או לכל 16-ערוץ שאנק (ימין-ציר y) על 160 ימים לאחר השרשה (x-ציר) בחולדות. קו מוצק הוא התשואה התא ממוצע על פני 8 שאנקס, קווים מנוקדים ± 1 SE. נקודות זמן בודדות לכל שאנק מוצגות כנקודות מקודדות בצבע לפי אזור. משוחזר באישור מעצב הבית [איור 3A]1. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

זוהי שיטה עבור השרשה של מערכים מרובים של האלקטרודה פולימר כדי להפיץ אזורי המוח עבור הקלטה של יחידות יחיד במשך חודשים. שיטה זו מייצגת גידול של 8x בערוצי הקלטה ועליה של 4x במספר הוספות מהמערכת המבוססת על מערך פולימר בקנה מידה גדול²^,³. מערכת זו מנוצל מערכת הזרקה פולימר מבוסס הזרקת בעכבר, אבל לא דיווח על מספר מוחלט של יחידות בודדות, ולכן השוואה של התשואה תא אחד אינו אפשרי.

השיטה להוספה של התקן גמיש מבוססת על פרוטוקול מוקדם יותר מפליקס et al.³⁹, עם שינויים חשובים: מנגנון הכנסה תלת-מימדי לתנועה עצמאית של העבורת הסיליקון במהלך הנסיגה, והטקוד של המערך בעומק היעד שלה לפני נסיגה של המעבורת, אשר ביחד לבטל את הצורך נסיגה מהירה המתוארת בפרוטוקול המקורי. שינויים אלה למזער את הנזק לרקמות ולשמור על יציבות מערך במהלך הנסיגה של המעבורת. אסטרטגיות אחרות של השרשה של התקן גמיש, כגון הרטבה זמנית של התקנים בעלי חומר מדלל ביולוגי, תואמות לשלבים הבאים בפרוטוקול זה. אבטחת המכשירים בתוך השתל המחייב שילוב אסטרטגיות שאומתו בעבר לכסות את המוח והגנה על סרטים עדינים המכשיר.

בשל שבריהם, טיפול ותשומת לב נדרשים כדי להימנע ישירות ליצור קשר או שידור באופן אחר כוח מערכי האלקטרודה הפולימר ואת המעבורות החדרת סיליקון. במיוחד כאשר עובדים עם התקנים מרובים, יש להקפיד על ההכנסה תחת מיקרוסקופ כדי למנוע הפרעות של התקן אחד באחר. באופן כללי, אפשר להתמודד עם מערך אלקטרודה בעדינות עם מלקחיים משופעת פלסטיק, הימנעות עקבות. אסטרטגיה זו מתאימה, לדוגמה, אם מערך האלקטרודה של הפולימר מתחיל לסגת עם מעבורת הכניסה. זה יכול להתרחש אם היתד אינו מומס לחלוטין, או בשל מתח פני השטח של תמיסת מלח או שדרתי בין הפולימר והסיליקון.

אחת משגיאות ההשבה הנפוצות ביותר היא ניתוק מערך ממעבורת הכניסה. זה יכול להתרחש בכניסה, כמו המוח גומות והלחץ על טיפ המכשיר עולה, אם המערך והמעבורת הם מיושרים לחלוטין או אם עיבוי התפרקה חלקית של פג. מחדש לדבוק מערך, להעלות אותו גבוה ככל האפשר מעל פני השטח המוח ולחכות שהוא יבש (כ 5 דקות).

היבט קריטי של תכנון ניתוח השרשה רב מערך הוא העיצוב של פיסת הבסיס כדי להכיל את כל המטרות השתל ולשבת ללא מרווחים נגד המתאר של הגולגולת. פיסת הבסיס היא פיסת פלסטיק קטנה שתוקנה לגולגולת לאחר ניקוי הגולגולת, מיקום הברגים, וניתוח הגולגולת החלקי, לפני החדרת המערכים. יש שלוש פונקציות: 1) כדי להחזיק תמיסת מלח עבור המסת ההכנסה הבאה של המערך לאחר מכן, אך לפני נסיגה מעבורת הסיליקון, 2) כדי לספק מיקום מעל משטח הגולגולת שבו המערכים יכולים להיות מחוברים על ידי פוליאימיד ובכך לאפשר מאמץ הקלה לאורך רצועת הכלים מעל נקודת הכניסה במוח, ו 3) להחזיק איטום ריר מלאכותי, אשר מייצב ומגן על המערכים והמוח. את פיסת בסיס יכול להיות מעוצב ביד או 3D מודפס. זה נצפה כי ניקוז וייבוש פיסת בסיס של תמיסת מלח הם חשובים מאוד החדרת ההתקן הקודם. שלבים אלה מונעים עיבוי והפרדה בין המערך למעבורת הכניסה. ייבוש החלק הבסיסי הוא גם קריטי כדי למלא את פיסת הבסיס עם איטום ריר מלאכותי. חשוב גם כי פיסת הבסיס לא לדלוף, כמו סרט של ג’ל סיליקון קשה להסיר מן הגולגולת וימנע הדבקה של אקריליק שיניים עבור החזקה כרונית אמין של השתל לגולגולת. הוא צפוי כי כל בעל צמיגות נמוכה, ביוסטומר סיליקון תואם יכול לשמש כדי למלא את הגולגולת ופיסת הבסיס, עם בצמיגות גבוהה סיליקון אלסטואר המקיף אותו ואת הסרטים מערך פולימרי חשוף.

מקדמות nanofabrrtttttrtttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttrtt ^,¹⁸^,¹⁹. באופן דומה, האזורים הצולבים של התקנים פולימריים להתכווץ לצד גודל תכונה, מתן תאימות ביולוגית אפילו טוב יותר⁸. שוב, כפי שהוא השיג עם התקני סיליקון, אינטגרציה עם הגברה, דיגיטציה, ו ריבוב שבבים¹⁷ יהיה עוד לאפשר הקלטה עצבית בקנה מידה גדול יותר.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו היתה נתמכת על ידי NINDS מענקים U01NS090537 ללוס אנג’לס ו V.M.T., NIMH מעניק F30MH109292 ל-J. E. C, ו NIMH גרנט F30MH115582 ל H.R.J. J.E.C. ו H.R.J. נתמכים גם על ידי הענקת המענק MSTP #T32GM007618. מכון פלאטירון הוא מחלקה של קרן סימונס.

Materials

3D Printed Stereotax Adapter Parts (3) and Base Piece (1)	N/A	N/A	3d print parts, suggest <30 μm resolution for minimal hand finishing of parts. Files available at:
	N/A	N/A	https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3dParts
Dental Acrylic (Hygenic Repair Resin, Coltene type II quick set)	Colten/Whaledent	8886784, 8881627	Dental acrylic for use during implant construction
Hydraulic Micromanipulator (x2)	Narishige Group	MO-10	1-axis micromanipulator
Kapton Polyimide Tape	Bertech	PPTDE-1/2	Double-sided tape
Kopf Stereotax Arm	Kopf Instruments	103088R, 103088L	Standard rodent stereotax
Light Curable Dental Acrylic, Vivid Flow	Coltene/Whaledent	D33-01-00	Light curable dental acrylic for use during implant construction
Loctite Gel Control	Henkel Corp.	234790 1364076 1735574 1752699	Cyanoacrylate for adhering silicon shuttle to corresponding 3d printed part
Metabond Quick Cement	Parkell	S380	For direct application to skull to create strong connection between skull and implant
Polymer Electrode Arrays and Silicon Insertion Shuttles	Lawrence-Livermore National Laboratory	N/A	Fabricated at Lawrence-Livermore National Laboratory, polyimide electrode arrays, silicon insertion shuttle
Silicone Gel Kit, Low Viscosity	Dow Corning	03/80	Low-viscosity silicone gel for filling of 3d printed base piece
Silicone, Medium-Viscosity Kit	World Precision Instruments	Kwik-Sil	Medium-viscosity silicone gel for protection of polymer electrode arrays

References

Chung, J. E., et al. High-Density, Long-Lasting, and Multi-region Electrophysiological Recordings Using Polymer Electrode Arrays. Neuron. 101 (1), 21-31 (2019).
Fu, T. M., Hong, G., Viveros, R. D., Zhou, T., Lieber, C. M. Highly scalable multichannel mesh electronics for stable chronic brain electrophysiology. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (47), E10046-E10055 (2017).
Fu, T. M., et al. Stable long-term chronic brain mapping at the single-neuron level. Nature Methods. 13 (10), 875-882 (2016).
Gilletti, A., Muthuswamy, J. Brain micromotion around implants in the rodent somatosensory cortex. Journal of Neural Engineering. 3 (3), 189-195 (2006).
Jeong, J. W., et al. Soft Materials in Neuroengineering for Hard Problems in Neuroscience. Neuron. 86 (1), 175-186 (2015).
Kim, T. I., et al. Injectable, cellular-scale optoelectronics with applications for wireless optogenetics. Science. 340 (6129), 211-216 (2013).
Lee, H. C., et al. Histological evaluation of flexible neural implants; flexibility limit for reducing the tissue response?. Journal of Neural Engineering. 14 (3), (2017).
Luan, L., et al. Ultraflexible nanoelectronic probes form reliable, glial scar-free neural integration. Science Advances. 3 (2), (2017).
Schuhmann, T. G., et al. Syringe-injectable Mesh Electronics for Stable Chronic Rodent Electrophysiology. Journal of Visualized Experiments. (137), (2018).
Dhawale, A. K., et al. Automated long-term recording and analysis of neural activity in behaving animals. Elife. 6, (2017).
Schwarz, D. A., et al. Chronic,wireless recordings of large-scale brain activity in freely moving rhesus monkeys. Nature Methods. 11 (6), 670-676 (2014).
Kloosterman, F., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: drive fabrication. Journal of Visualized Experiments. (26), (2009).
Lu, L., Popeney, B., Dickman, J. D., Angelaki, D. E. Construction of an Improved Multi-Tetrode Hyperdrive for Large-Scale Neural Recording in Behaving Rats. Journal of Visualized Experiments. (135), (2018).
Nguyen, D. P., et al. Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly. Journal of Visualized Experiments. (26), (2009).
Herbawi, A. S., Kiessner, L., Paul, O., Ruther, P. High-Density Cmos Neural Probe Implementing a Hierarchical Addressing Scheme for 1600 Recording Sites and 32 Output Channels. , 20-23 (2017).
Raducanu, B. C., et al. Time Multiplexed Active Neural Probe with 1356 Parallel Recording Sites. Sensors (Basel). 17 (10), (2017).
Jun, J. J., et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).
Lopez, C. M., et al. A Neural Probe With Up to 966 Electrodes and Up to 384 Configurable Channels in 0.13 mu m SOI CMOS. Ieee Transactions on Biomedical Circuits and Systems. 11 (3), 510-522 (2017).
Scholvin, J., et al. Close-Packed Silicon Microelectrodes for Scalable Spatially Oversampled Neural Recording. Ieee Transactions on Biomedical Engineering. 63 (1), 120-130 (2016).
Bernatchez, S. F., Parks, P. J., Gibbons, D. F. Interaction of macrophages with fibrous materials in vitro. Biomaterials. 17 (21), 2077-2086 (1996).
Sanders, J. E., Stiles, C. E., Hayes, C. L. Tissue response to single-polymer fibers of varying diameters: Evaluation of fibrous encapsulation and macrophage density. Journal of Biomedical Materials Research. 52 (1), 231-237 (2000).
Seymour, J. P., Kipke, D. R. Neural probe design for reduced tissue encapsulation in CNS. Biomaterials. 28 (25), 3594-3607 (2007).
Szarowski, D. H., et al. Brain responses to micro-machined silicon devices. Brain Research. 983 (1-2), 23-35 (2003).
Thelin, J., et al. Implant Size and Fixation Mode Strongly Influence Tissue Reactions in the CNS. PLoS One. 6 (1), (2011).
Mols, K., Musa, S., Nuttin, B., Lagae, L., Bonin, V. In vivo characterization of the electrophysiological and astrocytic responses to a silicon neuroprobe implanted in the mouse neocortex. Science Reports. 7 (1), 15642 (2017).
Okun, M., Lak, A., Carandini, M., Harris, K. D. Long Term Recordings with Immobile Silicon Probes in the Mouse Cortex. PLoS One. 11 (3), e0151180 (2016).
Kim, Y. T., Hitchcock, R. W., Bridge, M. J., Tresco, P. A. Chronic response of adult rat brain tissue to implants anchored to the skull. Biomaterials. 25 (12), 2229-2237 (2004).
Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. The brain tissue response to implanted silicon microelectrode arrays is increased when the device is tethered to the skull. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 82 (1), 169-178 (2007).
Lacour, S. P., Courtine, G., Guck, J. Materials and technologies for soft implantable neuroprostheses. Nature Reviews Materials. 1 (10), (2016).
Geddes, L. A., Roeder, R. Criteria for the selection of materials for implanted electrodes. Annals of Biomedical Engineering. 31 (7), 879-890 (2003).
Fattahi, P., Yang, G., Kim, G., Abidian, M. R. A Review of Organic and Inorganic Biomaterials for Neural Interfaces. Advanced Materials. 26 (12), 1846-1885 (2014).
Weltman, A., Yoo, J., Meng, E. Flexible, Penetrating Brain Probes Enabled by Advances in Polymer Microfabrication. Micromachines. 7 (10), (2016).
Ware, T., et al. Fabrication of Responsive, Softening Neural Interfaces. Advanced Functional Materials. 22 (16), 3470-3479 (2012).
Harris, J. P., et al. Mechanically adaptive intracortical implants improve the proximity of neuronal cell bodies. Journal of Neural Engineering. 8 (6), (2011).
Rousche, P. J., et al. Flexible polyimide-based intracortical electrode arrays with bioactive capability. Ieee Transactions on Biomedical Engineering. 48 (3), 361-371 (2001).
Patel, P. R., et al. Insertion of linear 8.4 mu m diameter 16 channel carbon fiber electrode arrays for single unit recordings. Journal of Neural Engineering. 12 (4), (2015).
Xiang, Z. L., et al. Ultra-thin flexible polyimide neural probe embedded in a dissolvable maltose-coated microneedle. Journal of Micromechanics and Microengineering. 24 (6), (2014).
Felix, S., et al. Removable silicon insertion stiffeners for neural probes using polyethylene glycol as a biodissolvable adhesive. Conference Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2012, 871-874 (2012).
Felix, S. H., et al. Insertion of flexible neural probes using rigid stiffeners attached with biodissolvable adhesive. Journal of Visualized Experiments. (79), (2013).
Kozai, T. D. Y., Kipke, D. R. Insertion shuttle with carboxyl terminated self-assembled monolayer coatings for implanting flexible polymer neural probes in the brain. Journal of Neuroscience Methods. 184 (2), 199-205 (2009).
Joo, H. R., Fan, J. L., Chen, S., et al. A microfabricated, 3D-sharpened silicon shuttle for insertion of flexible electrode arrays through dura mater into brain. J Neural Eng. , (2009).
Sohal, H. S., et al. The sinusoidal probe: a new approach to improve electrode longevity. Frontiers in Neuroengineering. 7, 10 (2014).
Kim, B. J., et al. 3D Parylene sheath neural probe for chronic recordings. Journal of Neural Engineering. 10 (4), (2013).
Zhao, Z., et al. Parallel, minimally-invasive implantation of ultra-flexible neural electrode arrays. Journal of Neural Engineering. , (2019).
Richter, A., et al. A simple implantation method for flexible, multisite microelectrodes into rat brains. Frontiers in Neuroengineering. 6, 6 (2013).
Hanson, T. L., Diaz-Botia, C. A., Kharazia, V., Maharbiz, M. M., Sabes, P. N. The “sewing machine” for minimally invasive neural recording. bioRxiv. , (2019).
Jackson, N., Muthuswamy, J. Artificial dural sealant that allows multiple penetrations of implantable brain probes. Journal of Neuroscience Methods. 171 (1), 147-152 (2008).
Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. Journal of Visualized Experiments. (60), (2012).
Bothe, R. T., Beaton, K. E., Davenport, H. A. Reaction of Bone to Multiple Metallic Implants. Surgery, Gynecology and Obstetrics. 71, 598-602 (1940).
Chung, J. E., et al. A Fully Automated Approach to Spike Sorting. Neuron. 95 (6), 1381-1394 (2017).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Chung, J. E., Joo, H. R., Smyth, C. N., Fan, J. L., Geaghan-Breiner, C., Liang, H., Liu, D. F., Roumis, D., Chen, S., Lee, K. Y., Pebbles, J. A., Tooker, A. C., Tolosa, V. M., Frank, L. M. Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays. J. Vis. Exp. (152), e59957, doi:10.3791/59957 (2019).