Voltage Biasing, cyclische voltammetrie, en elektrische Impedantie Spectroscopie voor neurale interfaces

1. Stel de elektrochemie Instrument Elektrochemie instrumentatie zoals een Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, NL) is nodig voor EIS, CV en verjonging. De FRA2 add-on laat EIS en het kanaal multiplexer (MUX) add-on nuttig voor het testen meerkanaals elektroden. Bouw een headstage adapter aan op het kanaal MUX naar de headstage aan te sluiten. Maak de verbindingen. Sluit de arbeids-en voelelektroden het kanaal MUX en sluit de referentie-en tegenelektroden het deel van de headstage, aangesloten op de retourstroomcircuit, meestal een geïmplanteerde roestvrij staal of titanium botschroef. 2. Elektrische Impedantie Spectroscopie Start de Frequency Response Analyzer (FRA) software, en controleer of de procedure bestand instellingen. De procedure moet worden ingesteld op twee multi-sinus golfvormen die elk bestaan ​​uit 15 sinussen tegelijk, variërend van 10 Hz tot 30 testenkHz. De toegepaste spanning moet 25 mV of minder (zie aanvullende methoden) zijn. Open en bewerk het Project-bestand. Het project maakt gebruik van de Procedure-bestand, doorloopt elk kanaal, en slaat het resultaat (zie aanvullende methoden). Sluit dier onderwerp met een passieve (geen versterkers) headstage. Actieve headstages zal niet door ingangssignalen. Voer het Project-bestand. Elk kanaal duurt tientallen seconden afhankelijk van de instellingen. Weergeven en interpreteren resultaat. Interpreteer de output tekstbestanden met MATLAB (Natick, MA), en maak een Nyquist plot. Een halve cirkel bij hogere frequenties geeft een antwoord van weefsel. 3. Cyclische voltammetrie Start de General Purpose Elektrochemie System (GPES) software, en controleer of de procedure bestand instellingen. De procedure moet worden ingesteld op de spanning te vegen bij 50 mV / s binnen de grenzen van de hydrolyse, die ligt tussen +0.8 en -0.6 V voor de typische neurale elektrode materialen (Pt,Ir, IrOx). Ten minste drie scans moeten worden uitgevoerd om het systeem om evenwicht te bereiken. De resultaten van de laatste scan worden opgeslagen (zie aanvullende methoden). De scansnelheid kan worden verhoogd tot een V / s de meting te verminderen, maar de vorm van de curve IV waarschijnlijk veranderen als de scansnelheid sneller is dan het ladingstransportkanaal bijwerkingen aan de elektrode weefsel interface. Open en bewerk het Project-bestand. Het project maakt gebruik van de Procedure-bestand, doorloopt elk kanaal, en slaat het resultaat (zie aanvullende methoden). Sluit dier te onderwerpen met een passieve headstage. Voer het Project-bestand. Elk kanaal duurt ongeveer drie minuten, afhankelijk van instellingen. Het verhogen van de scansnelheid tot 1 V / s vermindert de meettijd tot ongeveer tien seconden per kanaal. Weergeven en interpreteren resultaat. Interpreteer de output tekstbestanden met MATLAB, en plot de IV relatie. De lading draagkracht wordt gekwantificeerd door de integratie van het gebiedvan de kathodische stroom in de CV. 4. Verjonging Start de General Purpose Elektrochemie System (GPES) software, en controleer of de procedure bestand instellingen. Met behulp van de stappen en sweeps methode, moet de procedure worden ingesteld op de spanning stap tot 1,5 V voor een duur van 4 seconden (zie aanvullende methoden). Open en bewerk het Project-bestand. Het project maakt gebruik van de Procedure-bestand, doorloopt elk kanaal, en slaat het resultaat (zie aanvullende methoden). Sluit dier te onderwerpen met een passieve headstage. Voer het Project-bestand. Elk kanaal duurt ongeveer tien seconden. 4.5) Verzamel EIS en CV gegevens en resultaten te interpreteren. 5. Representatieve resultaten Een typische workflow, waaronder opnames, EIS, CV en verjonging, wordt getoond in figuur 1. Recordings en EIS worden meestal verzameld (dagelijks of wekelijks) in alle kanalen, terwijl de CV enverjonging kan worden gebruikt als additie activiteit is verdwenen. EIS veranderingen in de loop van dagen tot weken na een elektrode wordt geïmplanteerd. Wanneer EIS worden weergegeven als een Nyquist plot een halve cirkel bij hogere frequenties (vlakbij de oorsprong) indicatief is voor de weefselreactie bij de elektrode (fig. 2). CV produceert een stroom-spanningskarakteristiek (IV) waarin een aantal curve hysteresis. De meest relevante CV statistiek is de beschuldiging draagkracht, het gebied binnen de IV curve genormaliseerd door de elektrode website gebied (afb. 3 a). Elektroden met grote laadcapaciteit hebben de voorkeur voor micro-stimulatie. Tijdens de verjonging een spanningspuls wordt toegepast, die meestal resulteert in een verhoging van de vergoeding capaciteit en impedantie grootheden (figuur 3a & b) daalde. Spiking kan worden hersteld kanalen eerder pieken (figuur 4a). Terwijl de verjonging heeft alleen de korte termijn effecten op de impedantie en de signaal-geenise ratio (SNR), kan deze techniek dagelijks worden toegepast. Figuur 4b & c toont dagelijks pre-en post-verjonging 1 kHz impedantie omvang en de SNR gegevens voor een 16-kanaals-array geïmplanteerd in cavia cortex. Verjonging heeft een krachtig effect op het verlagen van de 1 kHz impedantie grootte van een orde van grootte na elke toepassing. Door teruggewonnen signalen en lagere impedantie SNR toeneemt na elke verjonging sessie. Uiteindelijk werden alle signalen verloren na 160 dagen na de implantatie en verjonging was niet langer effectief. Figuur 1. MER wordt gemeten na elke opname sessie. Als er geen spikes zijn opgenomen op een kanaal dat voorheen spikes, en EIS toont een groot weefsel onderdeel dat is toegenomen in de tijd, dan CV en verjonging worden berecht op dit kanaal. EIS en opnames worden vervolgens gebruikt om te bepalen of de behandeling succesvol was. <p class="Jove_content"> Figuur 2. EIS gegevens in een Nyquist plot van een elektrode direct na implantatie (blauw) en 4 maanden later (groen). Elk punt op de Nyquist plot vertegenwoordigt de reële en imaginaire impedantie op een enkele frequentie. Een gedeeltelijke halve cirkel als gevolg van het weefsel rond de site is duidelijk bij hogere frequenties. Figuur 3. CV en EIS veranderingen van een geïmplanteerde iridium-oxide electrode pre-en post-verjonging. (A) verjonging vergroot het oppervlak van de curve IV overeenkomt met een verhoogde draagkracht lading. (B) een belangrijke verschuiving in de impedantie specra tot lagere impedantie niveaus wordt over het algemeen waargenomen na verjonging. Figuur 4. Effects van de spanning vertekenende op opnames en impedantie. (A) Pre-en post-verjonging opnames tonen spikes kunnen worden hersteld op de kanalen die eerder waren stil. Dagelijks pre-en post-verjonging resulteert in een robuuste (B) daling van 1 kHz impedantie grootte en (C) verhoging van de SNR voor de ongeveer 150 dagen na de operatie. Errorbars vertegenwoordigen standaard fout van gegevens van een 16-kanaals-array geïmplanteerd in cavia cortex.