يتحامل التيار الكهربائي، Voltammetry دوري، والتحليل الطيفي المعاوقة الكهربائية للواجهات العصبية
Summary
ويمكن وصف واجهة قطب من الأقطاب الكهربائية الأنسجة العصبية مع تسجيل الطيفي المعاوقة الكهربائية (EIS) ودوري voltammetry (السيرة الذاتية). تطبيق الجهد قدرة تسجيل يتحامل التغييرات خصائص الكهروكيميائية واجهة قطب النسيج وتحسين يمكن. يتحامل التيار الكهربائي، EIS، السيرة الذاتية، والتسجيلات العصبية متكاملان.
Abstract
ويمكن استخدام التحليل الطيفي مقاومة كهربائية (EIS) ودوري voltammetry (CV) خصائص مقياس من واجهة قطب النسيج دون إجراءات إضافية الغازية، ورصد أداء الكهربائي على المدى الطويل. EIS يقيس المعاوقة الكهربائية عند ترددات متعددة، والزيادات في مقاومة تشير إلى زيادة تكوين ندب الدبقية حول الجهاز، في حين voltammetry دوري يقيس تهمة تحمل قدرة القطب الكهربائي، ويشير إلى كيفية نقل المسؤول في مستويات الجهد مختلفة. كما أقطاب كهربائية مزروعة العمر، والسيرة الذاتية EIS تغيير البيانات، ومواقع القطب الذي سبق تسجيله الخلايا العصبية التشويك تظهر في كثير من الأحيان أقل من ذلك بكثير فعالية لتسجيل العصبية. ويمكن تطبيق نبضة الجهد قصيرة لصفائف القطب المزروع، والمعروفة باسم تجديد، اعادة ارتفاعه النشاط على مواقع غير ذلك القطب صامتا لفترة من الزمن. تجديد يغير EIS والسيرة الذاتية، ويمكن رصدها من قبل هذه الأساليب التكميلية. عادة، يتم قياس EIS اليومي، وذلك دلالة على استجابة الأنسجة في موقع القطب. إذا لا وجود طفرات في القناة التي سبق المسامير، ثم يتم استخدام السيرة الذاتية لتحديد المسؤول القدرة على التحمل من موقع القطب، ويمكن تطبيقها تجديد لتحسين فعالية واجهة. وتتكرر بعد ذلك السيرة الذاتية وEIS للتحقق من التغييرات في واجهة الكهربائي في الأنسجة، ويتم جمع التسجيلات العصبية. الهدف العام من تجديد هو توسيع مدى الحياة الوظيفية للصفائف مزروع.
Protocol
Discussion
العصبية تسجيل النظم الاصطناعية عرض محدود مدى الحياة الوظيفية والقدرة على تسجيل تدريجيا مع مرور الوقت في مرحلة ما بعد الزرع. المساهم المحتمل أن أداء تناقص هو استجابة الأنسجة على رد الفعل إلى الجهاز المزروع كما غمد المدمجة الدبقية يعزل وظيفيا لجسم غريب من الأنسجة السليمة 1. جنبا إلى جنب مع تسجيل العصبية، وعادة ما تستخدم القياسات الكهروكيميائية (EIS والسيرة الذاتية) لرصد طولي من واجهة قطب النسيج 2،3. EIS مفيد عمليا في تقييم قدرة تسجيل واجهة. مقاومة يزيد بسرعة مع مرور الوقت بعد غرس يشير الى ان رد الفعل استجابة الأنسجة يغير الخصائص الكهربائية واجهة 3. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام بيانات نظام المعلومات البيئية في تصميم نموذج لتكوين الخلايا المجاورة للقطب كهربائي مزروع 3-5. ويمكن استخدام voltammetry دوري للتحقيق مزيد من التغييرات في التسجيلات وEIS. وإلكترونياتقصيدة المادية وخشونة، وكذلك ردود الفعل الكهروكيميائية والأنسجة المحيطة بها تؤثر في شكل المنحنى الرابع. ويفضل عادة تهمة كبير القدرة على التحمل، تحديد من منطقة المنحنى الرابع، وخاصة لتحفيز الصغيرة الكهربائية. وكثيرا ما يرتبط انخفاض سعة الشحن مع زيادة EIS. قد إمكانات تطبيقها خلال السيرة الذاتية في حد ذاته تغير قدرة تهمة وEIS، وخاصة إذا كان الجهد طائفة كبيرة بما يكفي لدفع تفاعلات الأكسدة والاختزال.
تطبيق يتحامل التيار الكهربائي أو تجديد، ويمكن استخدامها مع الغرض من تهمة زيادة القدرة على التحمل، وخفض مقاومة، وزيادة عدد قنوات مع ارتفاع المسجلة 5. الأكسدة يحدث على الأرجح في واجهة الكهربائي خلال تجديد، وبمواد الايريديوم وهو أحادي الطبقة أكسيد مائي يشكل في إمكانات انوديك من 1.2 V 6. وقد اقترح أن تشكيل هذه قد تؤدي الى ازالة أحادي الطبقة الخلوية وacelمادة lular تعلق على قطب كهربائي مما أدى إلى انخفاض مقاومة في ال 5 واجهة. في حين يمكن استرداد فقدت تجديد الإشارات العصبية، هو الأكثر فعالية إذا ما استخدمت على القنوات التي سبق المسامير في غضون بضعة أيام قبل. يمكن أفضل التسجيلات، EIS، السيرة الذاتية، وتجديد شباب استخدامها كأدوات تكميلية في مراقبة واجهة العصبية وتحسين وظائف على المدى الطويل من الأجهزة مزروع.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا البحث من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R03DC009339-02، NIDCD) ومتقدمة الدفاع وكالة مشاريع البحوث (داربا) مايكروسيستمز التكنولوجيا مكتب (MTO)، تحت رعاية الدكتور جورج جودي جاك (jack.judy @ darpa.mil) كجزء من برنامج تكنولوجيا العصبية يمكن الاعتماد عليها، من خلال الفضاء والحرب البحرية نظم القيادة (SPAWAR) نظم مركز (SSC) المحيط الهادي منحة رقم N66001-11-1-4013.
Materials
| Equipment | Company | Catalogue number | Comments |
| Electrochemistry Instrument | Metrohm Autolab | PGSTAT128N | add-ons: FRA2, channel MUX |
| Passive Headstage | Tucker-Davis Technologies | model depends on connector and channel count | |
| 26-pin female connector | AMP | 5749069-2 | Headstage Adapter Or substitute appropriate connector for your headstage |
| Banana Jacks | Digikey | J151-ND | Headstage Adapter The Autolab channel MUX has banana plugs |
References
- Szarowski, D. H., Andersen, M. D., Retterer, S., Spence, A. J., Isaacson, M., Craighead, H. G., Turner, J. N., Shain, W. Brain responses to micro-machined silicon devices. Brain Res. 983, 23-35 (2003).
- Vetter, R. J., Williams, J. C., Hetke, J. F., Nunamaker, E. A., Kipke, D. R. Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. IEEE Trans. Biomed. Eng. 51, 896-904 (2004).
- Williams, J. C., Hippensteel, J. A., Dilgen, J., Shain, W., Kipke, D. R. Complex impedance spectroscopy for monitoring tissue responses to inserted neural implants. J. Neural Eng. 4, 410-423 (2007).
- Johnson, M. D., Otto, K. J., Kipke, D. R. Repeated voltage biasing improves unit recordings by reducing resistive tissue impedances. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 13, 160-165 (2005).
- Otto, K. J., Johnson, M. D., Kipke, D. R. Voltage pulses change neural interface properties and improve unit recordings with chronically implanted microelectrodes. IEEE Trans. Biomed. Eng. 53, 333-340 (2006).
- Pickup, P. G., Birss, V. I. A model for anodic hydrous oxide-growth at iridium. J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).
