Стабилизатор напряжения, циклической вольтамперометрии, и электрического сопротивления спектроскопии для нейронных интерфейсов
Summary
Электрод-ткань интерфейс нейронных электродами записи можно охарактеризовать с электрическим сопротивлением спектроскопия (EIS) и циклической вольтамперометрии (CV). Применение напряжения смещения изменения электрохимических свойств электродов ткани интерфейс и может улучшить возможность записи. Напряжение смещения, EIS, CV, и нервные записи друг друга.
Abstract
Электрическое сопротивление спектроскопия (EIS) и циклической вольтамперометрии (CV) мера свойств электродов ткани интерфейс без дополнительных инвазивных процедур, и может быть использован для мониторинга производительности по сравнению с электродами в долгосрочной перспективе. EIS меры электрического сопротивления на разных частотах, и увеличение сопротивления свидетельствуют о повышении глиальных формирование рубца вокруг устройства, в то время циклической вольтамперометрии измеряет заряд грузоподъемностью электрода, и показывает, как заряд передается на разных уровнях напряжения. Как имплантированных электродов возраста, EIS и резюме данных изменений, а электрод сайтов, которые ранее записанные пики нейроны часто обладают значительно ниже эффективности для нейронных записи. Использование короткого импульса напряжения на электрод имплантированных массивов, известных как омоложение, может вернуть пики активности в противном случае молчать сайтов электрод для определенного периода времени. Омоложение изменяет EIS и резюме, и могут быть проверены на эти дополнительные методы. Как правило, EIS измеряется ежедневно, как указание на ткань ответ на электроде сайта. Если шипы отсутствуют в канале, которые ранее были шипы, то CV используется для определения заряда грузоподъемностью электрода сайте и омоложения может быть применена для улучшения интерфейса эффективность. Резюме и EIS затем повторяется для проверки изменений на электроде ткани интерфейс, и нервные записи собираются. Основной целью омоложения является расширение функциональных жизни имплантировали массивов.
Protocol
Discussion
Нейронные записи протезно системы отображения ограниченные функциональные жизни, как возможность записи уменьшается со временем, после имплантации. Вероятно вклад в уменьшение производительности реактивный ответ ткани имплантировали устройство как компактный глиальные оболочки функционально изолирует посторонний предмет из здоровых тканей 1. Наряду с нервными записи электрохимических измерений (EIS и CV) обычно используются для продольной мониторинг электрода ткани интерфейс 2,3. EIS практически полезными в оценке возможности записи на интерфейсе. Сопротивление быстро возрастает с увеличением времени после имплантации свидетельствует реактивный ответ ткань изменяет электрические свойства интерфейса 3. Кроме того, EIS данные могут быть использованы для моделирования клеточного состава, прилегающих к имплантированных электродов 3-5. Циклической вольтамперометрии могут быть использованы для дальнейшего изучения изменений в записи и EIS. Электрода материала и шероховатости, а также электрохимических реакций и окружающие ткани влияет на форму кривой IV. Большой заряд грузоподъемности, определяется из области кривой IV, как правило, предпочтительнее, особенно для электрических микро-стимуляцию. Низкая емкость заряда часто ассоциируется с повышенным EIS. Потенциала, подаваемого в резюме может сам изменять мощность заряда и EIS, особенно, если напряжение достаточно велико, чтобы вести окислительно-восстановительных реакций.
Подачи напряжения смещения, или омоложения, могут быть использованы с целью повышения пропускной способности заряд, снижая сопротивление и увеличивая число каналов с записанной шипы 5. Окисление, вероятно, происходит на электроде интерфейсом во время омоложения, и иридия материалы, водный монослой оксида образуется в анодных потенциалов 1,2 В 6. Было высказано предположение, что формирование этого монослоя может удалить клеточном и ACELlular материал прилагается к электрода приводит к снижению сопротивления на границе 5. В то время как омоложение может восстановить потерянные нервные сигналы, это наиболее эффективно, если использовать на каналы, которые ранее были спайки в течение нескольких дней до этого. Записи, EIS, CV, и омоложения может быть наилучшим образом использованы в качестве дополнительного инструмента для мониторинга нейронных интерфейсов и улучшения долгосрочных функциональность имплантированных устройств.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения (R03DC009339-02, NIDCD) и Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Технологии Управления (МТО), под эгидой доктора Джека В. Джуди (jack.judy @ darpa.mil) в рамках Программы Надежный нейронных технологий, через пространство и Naval Warfare системы Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Тихоокеанского грант № 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).
