Tensione di polarizzazione, voltammetria ciclica, e spettroscopia di impedenza elettrica per interfacce neurali

1. Impostare lo strumento Elettrochimica Strumentazione Elettrochimica come un Autolab Methrohm PGSTAT (Utrecht, NL) è necessario per EIS, CV e ringiovanimento. Il FRA2 add-on consente di EIS, e il canale di multiplexer (MUX) add-on è utile per testare multi-canale elettrodi. Costruire un adattatore per collegare il headstage canale MUX al headstage. Effettuare i collegamenti. Collegate la lavorazione e degli elettrodi di misura al canale MUX, e collegare la elettrodi di riferimento e contatore alla parte dell'adattatore headstage collegato al percorso di ritorno corrente, tipicamente un impiantato in acciaio inossidabile o titanio vite ossea. 2. Spettroscopia di impedenza elettrica Avviare la risposta in frequenza Analyzer (FRA) software e verificare le impostazioni procedura di file. La procedura deve essere impostato per testare due multi-sine forme d'onda, ciascuna composta di 15 seni contemporaneamente che vanno da 10 Hz a 30kHz. La tensione applicata deve essere di 25 mV o meno (vedi metodi supplementari). Aprire e modificare il file di progetto. Il progetto utilizza il file di procedura, scorre ogni canale, e salva il risultato (vedi metodi supplementari). Collegare soggetto animale con un passivo (senza amplificatori) headstage. Headstages attivi non passerà segnali di ingresso. Eseguire il file di progetto. Ogni canale ha una decina di secondi in base alle impostazioni. Visualizzare e interpretare i risultati. Analizza i file di output di testo con MATLAB (Natick, MA), e fare un plot Nyquist. Un semicerchio a frequenze più alte indica una risposta tissutale. 3. Voltammetria ciclica Avviare il generale Elettrochimica Purpose System (GPES) software e verificare le impostazioni della procedura di file. La procedura dovrebbe essere impostata a spazzare la tensione a 50 mV / s entro i limiti di idrolisi che si trova tra 0,8 e -0,6 V per materiali tipici elettrodi neurali (Pt,Ir, IROX). Almeno tre scansioni deve essere eseguito per il sistema per raggiungere l'equilibrio. I risultati della scansione finale vengono salvati (vedi metodi supplementari). La velocità di scansione può essere aumentata a 1 V / s per ridurre il tempo di misura, tuttavia, la forma della curva IV probabilmente cambia se la frequenza di scansione è più veloce reazioni di trasferimento di carica che si verificano al elettrodo-tessuto interfaccia. Aprire e modificare il file di progetto. Il progetto utilizza il file di procedura, scorre ogni canale, e salva il risultato (vedi metodi supplementari). Collegare soggetto animale con un headstage passiva. Eseguire il file di progetto. Ogni canale è di circa tre minuti, a seconda delle impostazioni. Aumentando la velocità di scansione a 1 V / s riduce i tempi di misura per circa dieci secondi per canale. Visualizzare e interpretare i risultati. Analizza i file di output di testo con MATLAB, e tracciare la relazione IV. La carica capacità di carico è quantificato integrando l'areadella corrente catodica all'interno del CV. 4. Rejuvenation Avviare il generale Elettrochimica Purpose System (GPES) software e verificare le impostazioni della procedura di file. Utilizzando la procedura e le modalità di sweep, la procedura dovrebbe essere impostata al passaggio la tensione a 1,5 V per una durata di 4 secondi (vedi metodi supplementari). Aprire e modificare il file di progetto. Il progetto utilizza il file di procedura, scorre ogni canale, e salva il risultato (vedi metodi supplementari). Collegare soggetto animale con un headstage passiva. Eseguire il file di progetto. Ogni canale è di circa dieci secondi. 4.5) Raccolta dei dati e EIS CV e interpretare i risultati. 5. Risultati rappresentativi Un flusso di lavoro tipico, tra cui registrazioni, EIS, CV e ringiovanimento, è mostrato in figura 1. Registrazioni e EIS sono raccolti più di frequente (giornaliero o settimanale) in tutti i canali, mentre il curriculum vitae eringiovanimento può essere utilizzato se spiking attività non è più rilevabile. EIS modifiche nel corso dei giorni a diverse settimane dopo un elettrodo viene impiantato. Quando EIS dati vengono visualizzati come una trama Nyquist, un semicerchio alle frequenze più alte (vicino all'origine) è indicativa della risposta tessuto nel sito elettrodo (Fig. 2). CV produce una corrente-tensione (IV) curva che mostra alcuni isteresi. Il dato più rilevante è la carica CV capacità di carico, l'area all'interno della curva IV normalizzata per l'area del sito elettrodo (Fig. 3 a). Elettrodi con capacità di carica di grandi dimensioni sono preferibili per la micro-stimolazione. Durante ringiovanimento un impulso di tensione che di solito viene applicato si traduce in una maggiore capacità di carica e diminuito grandezze impedenza (Fig. 3a & b). Spike possono essere ripristinate anche in canali che in precedenza avevano picchi (Figura 4a). Mentre ringiovanimento ha solo effetti a breve termine su impedenza e segnale-noISE (SNR), questa tecnica può essere applicata quotidianamente. Figura 4b & c mostra tutti i giorni pre-e post-ringiovanimento 1 grandezza dell'impedenza kHz e dati SNR per un array di 16 canali impiantato nella cavia corteccia. Rejuvenation ha un forte effetto sulla riduzione della grandezza dell'impedenza 1 kHz da un ordine di grandezza dopo ogni applicazione. Come risultato di segnali recuperati e bassa impedenza, SNR aumenta dopo ogni sessione di ringiovanimento. In definitiva, tutti i segnali sono stati persi a seguito di 160 giorni dopo l'impianto e il ringiovanimento non era più efficace. Figura 1. EIS è misurata dopo ogni sessione di registrazione. Se non sono registrati picchi su un canale che in precedenza ha avuto picchi e EIS mostra una grande componente del tessuto che è aumentata nel tempo, allora CV e rinvigorimento provato su questo canale. EIS e registrazioni vengono poi utilizzate per determinare se il trattamento ha avuto successo. <p class="Jove_content"> Figura 2. EIS i dati visualizzati in una trama Nyquist di un sito elettrodo subito dopo l'impianto (blu), e 4 mesi più tardi (verde). Ciascun punto sul grafico Nyquist rappresenta l'impedenza reale e immaginaria ad una singola frequenza. Un semicerchio parziale a causa del tessuto intorno alla sede è evidente alle alte frequenze. Figura 3. CV e cambiamenti EIS di un elettrodo impiantato ossido di iridio pre-e post-ringiovanimento. (A) Rejuvenation aumenta l'area della curva IV corrispondente ad un costo maggiore capacità di carico. (B) Un cambiamento significativo nella specra impedenza a livelli più bassi di impedenza è generalmente osservata dopo ringiovanimento. Figura 4. Effetti di tensione di polarizzazione sulle registrazioni e impedenza. (A) pre-e post-ringiovanimento registrazioni mostrano picchi possono essere recuperati su canali che prima erano in silenzio. Giornaliero pre-e post-ringiovanimento si traduce in un robusto (B) caduta in 1 kHz grandezza impedenza e (C) aumento SNR per circa 150 giorni dopo l'intervento. Errorbars rappresentano lo standard error dai dati raccolti da uno a 16 canali matrice impiantato nella cavia corteccia.