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.

Neuroscience

Çoklu Esnek Polimer Elektrot Dizilerinin Kronik İmplantasyonu

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

Aşağıda açıklanan serbest çetretli sıçanlarda kronik elektrofizyolojik kayıt için anatomik olarak uzak beyin bölgeleri arasında birden fazla polimer elektrot dizilerinin implantasyonu için bir yöntemdir. Hazırlık ve cerrahi implantasyon, diğer türlerde kullanılmak üzere bu yöntemlerin adaptasyonunu yönlendirecek tasarım prensipleri üzerinde durularak ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

Abstract

Aylar boyunca dağıtılmış beyin bölgelerinde bireysel nöronların büyük popülasyonlarından eşzamanlı kayıtlar bilimsel ve klinik gelişim yeni yollar sağlayacaktır. Esnek polimer elektrot dizilerinin kullanımı uzun süreli kaydı destekleyebilir, ancak kaydın uzun ömürlü olmasına olanak tanıyan aynı mekanik özellikler, birden fazla ekleme ve kronik implanta entegrasyon uğrama olanak sağlar. Burada birden fazla polimer elektrot dizileri beyin alanları nispeten uzamsal sınırlandırılmamış bir dizi hedef olabilir bir metodolojidir.

Bu yöntem, biyouyumluluk ve uzun vadeli ve istikrarlı elektrofizyolojik kayıt arayüzleri elde etmek için yetenekleri için seçilen ince film polimer cihazları kullanır. Ortaya çıkan implant anatomik olarak uzak bölgelerin doğru ve esnek hedeflemesine, aylarca fiziksel stabiliteye ve elektrik gürültüsüne karşı sağlamlığa olanak tanır. Metodoloji, sekiz farklı anatomik hedefe seri olarak yerleştirilen on altı adede kadar cihazı destekler. Daha önce de gösterildiği gibi, metodoloji 1024 kanaldan kayıt yeteneğine sahiptir. Bunlardan, tek nöron kayıt için kullanılan bu gösteride 512 kanal, altı kayıt siteleri arasında dağıtılan 375 tek birim verdi. Daha da önemlisi, bu yöntem aynı zamanda en az 160 gün boyunca tek birimleri kaydedebilirsiniz.

Her cihazı geçici olarak geri çekilebilir silikon ekleme mekiğiyle destekleyerek dahil olmak üzere bu implantasyon stratejisi, cihazların hedef derinliklerinde, her kayıt seti için özel olarak tasarlanmış kafatasına bağlı plastik taban parçasına tethering yapmayı içerir. ve silikon dolu, özel olarak tasarlanmış plastik kasa içindeki cihazların stabilizasyonu/korunması. Ayrıca implantasyon için cihazların hazırlanması ve beyin alanları veya dizi tasarımları farklı kombinasyonları adaptasyon rehberlik etmelidir tasarım ilkeleri kapsamaktadır.

Introduction

İdeal bir nöral implant, haftalar ve aylar boyunca dağıtılmış beyin bölgelerindeki çok sayıda bireysel nörondan kayıt olur. Esnek polimer elektrot dizileri aylarca kaydetmek için uzun ömürlü elektrofizyolojik kayıtlar sağlamak ve bireysel nöronlar izlemek için istikrar¹^,²^,³. Ancak, kesme hasarı azaltmak aynı mekanik özellikleri⁴ ve biyouyumluluk ve kayıt yeteneği^{vermek 2}^,³^,⁵^,⁶^,⁷^, ⁸ onların katı muadillerine göre beyne onların ekleme için bir sorun teşkil. Önceki çalışma dört 32 kanallı diziler maksimum başarılı, ancak sıralanmış putatif tek nöronların toplam verim rapor edilmemiş²^,³^,⁹. Buna karşılık, silikon bazlı elektrot dizileri yüksek yoğunluklu, çok bölgeli implantlarda kullanılmıştır, ancak bu teknolojiler ya aylar boyunca nöronlardan ani artışlar kaydetme (uzun ömür) ya da aynı nöronların (stabiliteyi) o zaman ölçeğinde izleme yeteneğinden yoksundur, ya da birden fazla beyin bölgelerinde bireysel nöronların yüzlerce kayıt yoğunluğu. Burada sunulan yöntem, mevcut polimer elektrot dizi tabanlı yöntemlerdeki düşük sayıdaki eklemelerin üstesinden gelir, böyle bir şekilde birden fazla anatomik olarak uzak bölgelerde ki çok sayıda nöronların elektrofizyolojik olarak kaydedilmesi için araçlar sağlar. ay, birçok gün boyunca aynı bireysel nöronlar kaydetmek için istikrar ile.

Mikrotel veya silikon bazlı stratejiler yerine polimer substrat kullanmanın önemi konusunda bazı tartışmalar vardır. Dhawale ve ark.¹⁰tarafından gösterildiği gibi, mikroteller gerçekten kemirgenlerde ay-uzun istikrarlı kayıtları yeteneğine sahiptir, implantlar tek bir bölgede 16 tetrodes sınırlı olmasına rağmen. Mikrotel implantın boyutunun ölçekleştirilmesi nispeten yüksek bir üst sınıra ulaşır ve insan olmayan bir primat^11’deelde edilen 1792’ye kadar implante edilmiş kanal elde edilir. Ancak, microwire dizileri inşaat silikon nanofabrikasyon süreçleri ile uyumsuz ve bu nedenle, son derece zaman alıcı, inşaat sırasında her kanalın tek tek manuel işleme gerektiren¹²^,¹³ ^,¹⁴. Bu nedenle, bu teknolojinin kayıt kanallarındaki büyüklük artış ını destekleyebilir mi belli değildir.

Mevcut silikon cihazlar tek bir monolitik cihaz^{15, 16}^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹yüzlerce hatta binelektrot üzerinde yerleştirebilirsiniz. En son silikon üretim süreçleri daha az glial aktivasyon²⁰sonuçlanan, daha küçük kesit alanları ile cihazlar oluşturmak^{20 ,}²¹^,²²^,²³ ^,²⁴ ve daha uyumlu cihazlar. Silikon prob tek birim kayıt uzun ömürlü raporlarda bir değişkenlik vardır, bazı nispeten büyük silikon probları uzun vadeli kayıt sağlayabilir belirten^{ile 25}^,²⁶. Özellikle, ticari olarak mevcut olan en son silikon cihazlar¹⁷ birkaç ay için kayıt için uzun ömürlü ve burada açıklanan yöntemde kullanılan sapları çok benzer kesit alanları var (Haziran ve ark. 2017¹⁷: 70 μm x 20 μm, burada ve Chung ve ark. 2019^1:68 μm – 80 μm x 14 μm) tanımlanan cihazlar. İstikrar farkı nedeniyle, bu sonda hafta boyunca aynı nöronlardan kayıt mümkün olduğu gösterilmiştir. Bu büyük olasılıkla sert silikon kullanımının yanı sıra kafatasına doğrudan tethering bazı kombinasyonu nedeniyle, mikrohareket neden olduğu bilinen, istikrarsızlık, ve dizi beyin arayüzü de gliosis²⁷^,²⁸. Nöral doku ile hareket edebilirsiniz bir cihaz inşa etmek için, yumuşak^5,²⁹ ve esnek⁷ malzemeler gereklidir. Birçok mevcut polimerler (Geddes ve Roeder³⁰bakınız , Fattahi ve ark.³¹, ve Weltman ve^{ark. 32} değerlendirmeleri için) esneklik ve mikrotellerin stabilitesi var ve aynı zamanda nanofabrikasyon süreçleri ile uyumludur, hangi izin silikon cihazların yoğun ambalaj.

Esnek polimer elektrot dizilerinin kullanımına özgü çeşitli sinirsel implantasyon sorunları vardır. Bunlardan ilki dizinin yerleştirilmesidir, çünkü esnek diziler silikon veya mikrotel tabanlı stratejiler gibi beyne ilerlenecek sertlikten yoksundur. Esnek cihazlar için ekleme stratejilerinin çoğu, bu yöntemde olduğu gibi alt tabakanın geçici olarak sertleştirilmesine bağlıdır (gözden geçiriçin Weltman ve ark.^32’ye bakınız). Sert bir mekik kullanmayın beş önemli stratejileri vardır. İlk olarak, implantasyon üzerine sertten uyumluya geçiş malzemelerin kullanımı yapmak yöntemleri vardır³³^,³⁴. Bu stratejinin bir dezavantajı euler’s burkulma kuvvet hesaplama³⁵tarafından dikte önce beyin dokusunun penetrasyonu için gerekli kuvvet elde etmek için nispeten büyük bir kesit alanı gerektirir . Kesit seli ndeki bu artış çevre doku sağlığını olumsuz etkileyecektir²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴. İkinci beyin üzerinde çıkarılabilir bir destek yapısının^{kullanımıdır 36}, Bu en az desteklenmeyen uzunluğu korumak için iskele zaman alıcı kaldırma veya çözülmesi gerektirir rağmen (ve yüksek burkulma kuvvet). Alternatif olarak, dizi daha uzun bir desteklenmeyen uzunluk ile eklenebilir, bu nedenle daha sert bir dizi substrat veya daha büyük bir dizi kesit alanı gerektirir. Üçüncü ön penetrasyon esnek dizi sonra³⁵eklenecek bir delik açmaktır. Bu, desteklenmeyen eklemeye izin vermek için hassas yeniden hizalama veya nispeten büyük ön penetrasyon çapı ve elektrot dizi sertliği ve kesitsel alan gerektirir. Dördüncü esnek cihaz sertleştirmek için çözülebilir kaplamalar kullanımıdır. Bu önemli ölçüde kesit alanı ve ekleme kaynaklanan akut hasar artırır, özel önlemler bir cihazın keskin ucunu korumak için alınırsa bile³⁷. Beşincisi polimer dizinin enjeksiyonudur. Bu strateji en fazla dört 32-ch eklemeler²implantlar ulaşmada başarılı olmuştur, ama ekleme için çok daha büyük bir kesit alanı kullanarak gerektirir, 250 μm – 1.5 mm dış çapı cam kılcal tüp⁹, daha fazla akut hasara neden. Buna karşılık, çıkarılabilir bir mekik kullanarak, akut ekleme kesit alanı eklerken, mümkün olan en sert malzemelerin kullanımına olanak sağlar, ve bu nedenle, rasgele esnek bir cihaz eklerken teorik minimum boyut olabilir. Bu nedenle, sert bir mekik kullanarak ekleme şu anda esnek cihazlar eklemek için en cazip seçenektir.

Herhangi bir ekleme mekiği yaklaşımının iki gereksinimi vardır: uygun sert bir substrat ve esnek cihazı substrata çiftleştirmek için bir yol. Ekleme mekik malzemeleri genellikle silikon³⁸^,³⁹^,⁴⁰^,⁴¹, paslanmaz çelik⁸^,⁴², veya tungsten⁴³^,⁴⁴^, ^45,daha küçük kesit alanları için izin sert malzemeler ile. Bunlar genellikle polietilen glikol (PEG)^8,^38,^39,⁴²^,⁴³, elektrostatik kuvvetler⁴⁰, veya doğrudan gibi bir yapıştırıcı kullanılarak yapıştırılır fiziksel bağlantı⁴⁵^,⁴⁶. Her durumda, zorluklar hizalama ve ekleme den sonra ekleme ve ayrıştırma önce elektrot dizisi ve ekleme mekiği bağlantı vardır. Aşağıda anlatılan yöntem felix ve ark.³⁹ tarafından geçici bir silikon ekleme mekiği ile elektrot dizisini brace için tanıtılan bir arıtma, PEG kullanılarak bağlı, bu hedef derinliğine dizi yerleştirildikten sonra kaldırılır.

Kronik bir implant içinde esnek cihazlar tarafından sunulan ikinci bir sorun hala cihazın kafatasına bağlı bir implant entegre edilmesine izin verirken beyin içinde cihaz stabilize olmasıdır. Beyin doğal nabızlar, travma sonrası ödem değişiklikleri, etkisi ve diğer nedenlerle kafatasına göre hareket eder ve elektrot dizisi bu nedenle kafatasına yapıştırılmış ve donanımı kaydettiği yere göre hareket etmek için en azından biraz özgür olmalıdır. Bu, implantasyon sırasında tuzlu rezervuar, polimer dizileri tether konumu ve silikon jel için muhafaza: Bu, implant hedefleri her set için özel olarak tasarlanmış bir 3D baskılı plastik taban parçası kullanılarak elde edilir. Kafatası ve silikon jel üzerinde tethering konumu dizi için eğrilik daha büyük bir yarıçap oluşturmak ve böylece dizi üzerinde daha büyük sıkıştırma kuvvetleri için izin birlikte çalışır. Bu da dizinin (kafatası) çapa noktalarına göre beynin hareketini bükme yüküne çevrilmesini sağlar.

Diğer zorluklar birden fazla dizi ev ve hayvan için serbestçe titreşimveya darbe kuvvetleri elektrot dizileri, nöral dokuya göre hareket neden olabilir transfer olmadan hareket olmadan hareket etmek için yeterli gerinim kabartma sağlamak için ihtiyaç içerir. Beynin sert bir kayıt penceresine göre kararlı olması gereken benzer uygulamalarda kullanılan çözümlere adaptasyonlar bu zorluğu ele alabmıştır. Daha önce toksik olmayan ve BOS sızıntısını önlemek^47,bir yapay dural dolgu jeli(Tablo Malzemeler),dışa doğru şişmeönlemek ve dizi stabilize etmek için beyne karşı basınç sağlar beyin yüzeyi. Daha önce kronik nöral elektrot implantlarının sızdırmazlığında kullanılmak üzere gösterilen orta viskozite, cerrahi sınıf silikon elastomer ile cihaz şeritlerine ek bir koruma katmanı daha eklendi^48. Son olarak, silikon tamponlu implant ve başlık, hayvanın normal hareketliliğinin minimum düzeyde azaltılması için düşük bir kütle merkezini korumak için tasarlanmış 3D baskılı parçalarla kaplanır.

Bu protokol, silikon ekleme mekiğine monte edilmiş esnek polimer mikroelektrot dizisi ile başlar. Dizi-mekik cihazının 3D baskılı ekleme parçalarına monte edilmesiyle devam eder, bir hayvanı başarılı bir şekilde yerleştirmek için gereken cerrahi tekniği ve implant yapım adımlarını açıklar ve on altı polimer çoklu elektrot destekleyebilir diziler tek bir sıçanda sekiz anatomik olarak uzak bölgeye yerleştirilir^1.

Bu protokol, biodissolvif yapıştırıcı polietilen glikol (PEG) tarafından silikon ekleme mekiğe bağlı polimer elektrot dizilerinin başlangıç malzemelerini, Felix ve ark.^39’dagösterildiği gibi ve en az iki bağımsız olarak taşınabilir ekleme yi varsayar. parçalar: silikon mekiğin yapıştırılan ve elektrot dizisinin konektörüne yapıştırılacak olan. Bu protokol aynı zamanda iki ekleme parçasını mikron ölçekli bir mikromanipülatöre daha güvenli bir şekilde takmak için üçüncü bir ekleme parçası kullanır. 3D yazdırma için tüm dosyaları şu şekilde bulabilirsiniz: https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3DParts

Bu yöntemde kullanılan her polimer elektrot dizisi, iki ila dört kayıt sapı, elektrik izlerini taşıyan bir şerit ve şeridin sonunda, bir donanım konektörü veya baskılı devre kartından oluşur. Elektrot dizisi ve şerit PEG ile silikon mekiğin üzerine sabitlenir. Her şerit 2 cm uzunluğunda x 1 mm kalınlığında poliimid tüp UV kürlenebilir epoksi ile kurdele bağlı, şerit uzunluğuna dikuzanan. Her cihaz (elektrot dizisi ve ekleme mekiği) diziyi beyne yerleştirmek ve mekiği geri çekmek için kullanılacak 3D baskılı ekleme parçalarına yüklenmelidir(Şekil 1). Bu tasarımda, hidrolik ekleme mikromanipülatörü (yeşil, Malzeme Tablosu)tüm ekleme aparatını (parça 1, parça 2 ve geri çekme mikromanipülörü, turuncu) hedef derinliğine taşır. Dizi ekleme aygıtından ayrılıp sabitlendikten sonra, ikinci, geri çekme mikromanipülatörü (turuncu) parça 1’i ve bağlı mekiği ekleme cihazının geri kalanından bağımsız olarak geri çeker ve mekiği yerinden çıkarmadan kaldırır dizi.

Şekil 1: Kesici bileşenleri.
(A) 1 ve 2 adetleri geçici olarak çıkarılabilir bir vida ile birbirlerine sabitlenir ve daha sonra geri çekme mikromanipülatör pistonuna (turuncu) sabitlenir. (B) Dizi ve ekleme mekiği parça 1’e yapıştırılır ve dizi konektörü çift taraflı bantlı parça 2’ye bağlanır. Parça 3, geri çekme mikromanipülatörü ve 1 ve 2 adet parçalarını ekleme mikromanipülatörüne (yeşil) bağlar. Ekleme mikromanipülatör implant konumlandırma için stereotaktik adaptör sabitlenir. 1-3 adet göreceli boyutlarda resmedilmiştir. Parça 4 ekleme mekiğinin uygun hizalanması için bir sabitleme parçasıdır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Protocol

Bu el yazmasında açıklanan tüm hayvan la ilgili protokoller UCSF’deki Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Komitesi tarafından onaylanmıştır. 1. Ekleme için polimer elektrot dizilerinin hazırlanması (~30 dk) Parçaları birbirine kilitlemek için bir vidayı hizalanmış, dikey olarak yönlendirilmiş deliklerden geçirerek parça 1’i parça 2’ye takın(Şekil 2). Bu iki parçayı bir ahlaksızlıkta tut. 2. parçanın üstüne çift taraflı bant(Malzeme Tablosu)takın. Sabitleme parçasını 4 parçanın sonuna takın 1. Sürtünme ile yerinde tutulacaktır. Şekil 2: Dizi-mekik hizalaması için montaj.(A) 1, 2 ve ekleme mekiği eki hazırlanmasında sabitleyici parçanın montajı. (B) 1 ve 2 adet başparmak vidası ile birlikte tutulur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Elle, elektrot dizisini hizalayın ve ekleme mekiğini parça 1’in dar uç segmentiyle takın. Sonda parça 1’in uzunlamasına ekseni ile hizalandığında, dizi konektörünü parça 2’nin düz kısmındaki poliimid çift taraflı teybine yapıştırın. Plastik uçlu forseps ile, dizi şeridine bağlı sadece poliimid kanat temas, ekleme mekik-elektrot dizi cihaz ucu yukarı parça 1 asansör, sabitleme parçasının dış(Şekil 3A). Parça 1’in sonuna az miktarda siyanoakrilat(Malzeme Tablosu)veya diğer yapıştırıcı (~10 μL) uygulayın. Çok az ekleme mekiği nin parça 1’e yapışmasını sağlamak, ekleme veya geri çekme sırasında kopma riskine sokmaz. Mekiğin taşması ve dizinin kendisini parça 1’e bağlaması çok fazla risk. Plastik uçlu forseps kullanarak, dizi şeridine bağlı sadece poliimid kanat temas, ekleme mekiği (ve sadece mekik) yapıştırıcı üstüne(Şekil 3B)kare sekmesi ile, parça 1 dar segmenti ile cihaz yeniden hizalamak . Silikon mekiğinin veya PEG’in yan tarafını manipüle ederek küçük hizalama ayarlamaları yapın. Kurdele veya saplara aşırı güç uygulamaktan kaçının. Şekil 3: Dizi mekiğinin hizalanması, bağlanması ve sterilizasyonu.(A) Ekleme mekiği-elektrot dizi cihazının, 1. İki saplı dizi-mekiği gösterilmiştir. (B) Polimer elektrot dizisi ve ekleme mekiği ekleme parçasıüzerine monte edilmiş, hizalama için geçici dengeleme parçası. İki saplı dizi-mekiği gösterilmiştir. (C) Sterilizasyon sırasında korunmak için plastik kutuya yerleştirilen ekleme cihazı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Sabitleme parçasının her iki tarafına forsepsile hafif aşağı doğru basınç uygulayın ve diziyi hareket ettirmeden montajdan çıkarın. Monte edilmiş cihaz tertibatını (adet 1 ve 2, dizi, ekleme mekiği ve dizi konektörü) ortadan kaldırın ve etilen oksitle sterilizasyon için küçük bir plastik kutunun tabanına çift taraflı bantla yapıştırın(Şekil 3C). Buhar sterilizasyonu bu cihazlar için uygun değildir. 2. Temel parçanın tasarımı Seçilen stereotaktik hedeflerin yanı sıra kafatası vidalarının ve yer vidalarının konumları için kraniektomi boyutlarını belirleyin. Kraniektomi boyutu dizi ayak izi tarafından belirlenir, birkaç yüz (~ 300) mikron çevresi yüzey vaskülatür önlemek için yerleşim ayarlamaları için. Bir tasarım yazılımı kullanarak (örneğin, CAD), planlanan kraniektomileri çevreleyecek ve temporal sırt ve kafatası vidaları tarafından tanımlanan çevreye sığacak şekilde temel parçanın ayak izini tasarlayarak, temel parçanın dışında olacak kafatası yüzey alanını en üst düzeye çıkarır. yapışkan luting çimento kafatası implant yapıştırmak için bağlayabilirsiniz. Temel parçanın alt yüzeyini, kafatasına boşluk suz yapıştırılabilen, enfeksiyon olasılığını azaltarak ve tuzlu veya silikon elastomerin dışarı sızmasını önleyebilsin. Taban parçasının yüksekliğini tuzlu ve silikon elastomer iã§in yeterince yüksek, ancak dizi ekleme(ler) sÄ±rasÄ±nda gÃ1/4venliÄ i engellemeyemeyecek kadar dÃ1/4Å Ã1/4k olarak ayarlayın.NOT: Temel parça dikey direkler veya poliimid kanatları kafatası üzerinde bir noktada bağlı olabilir benzer özellikleri ile tasarlanabilir. Eki noktalarının görünümü engellemesine izin vermeyin. 3D temel parçayı yazdırın(Şekil 4) ve implantasyondan önce temel parçayı sterilize edin. Şekil 4: Kafatası implant için hazırlanmıştır.Durectoies kafatası vidaları ile komple, baz akrilik tabaka, ve temel parça kafatası sabit. 3. Kafatası nın hazırlanması (~2 saat) İmplantın ağırlığını desteklemek için 400 g veya daha büyük bir sıçan seçin. Erkek Uzun-Evans sıçanları, 6-12 aylıkken kullanıldı. Fareyi anestezi ye. Hayvanı anestezi odasına yerleştirin. %5 isoflurane açın. Intraperitoneal dozketamin (50 mg/kg), ksilazin (6 mg/kg) ve atropin (0.14 mg/kg) enjekte edin. Kontrol anestezi derinliği her 20 dakika boyunca kontrol pençe çimdik ve solunum hızı 50-75 nefes / dk kalır hiçbir çekilme olduğunu doğrulayarak işlem boyunca. Fareye göz merhemi uygulayın. Farenin kafasını tıraş edin. Stereotaksik sahibi içine hayvan yerleştirin. Povidone-iyot cerrahi scrub her üç alternatif scrubs ile ovma tarafından cerrahi site hazırlayın, steril salin takip. Kafa derisiiçine% 0.5 lidokain 0.2 cc enjekte. Kafatasının orta hattında bregma için en az 3 mm anterior ve lambda 3 mm posterior açığa bir sagittal kesi olun. Pamuklu bezler kullanarak periyostemi çıkarın. Mark ekleme ve kraniektomi siteleri bir stereotaktik alet ile bregma sıfırlanmış bir Kartezyen koordinat uçağı kullanarak bir neşter ile kafatası puanlama tarafından. Drill kraniektomi siteleri, forceps ile kaldırılabilir kemik ince bir tabaka bırakarak. Dura’yı ifşa etmeyin. Bu dura bozmadan kemik tozu kafatası temizleme sağlar. Kemik tozunun deliklere girmesini önlemek için kemik vidalarını teker teker delin ve takın. Kemik tozunu gidermek için cömert iyotonik sulama kullanın. Yaklaşık 50 gramlık bir implant için 10-12 vida kullanın. Titanyum vidalar osseointegrasyonsağlar 49. Vidaları beyni etkilemeden kafatasını tamamen delip geçecek bir derinliğe doğru ilerletin. Devre alanı işlevi görebilmek için en az bir kemik vidasını elektriksel iletken bir kabloya bağlayın. Tüm sondaj tamamlandıktan sonra, bir tuzlu yıkama ile kemik tozu kafatası temizleyin. Kafatasını pamuklu bezler veya diğer emicilerle kurulayın ve vidalara yapıştırıcı çimento(Malzeme Tablosu)ilk katmanını uygulayın (kemirgen kafatasında mine etchant kullanmayın). Bu ön yapıştırıcı çimento tabakası implant yapışmaartacaktır ve daha sonraki yapışma adımlarında emeği azaltacaktır. Her kraniektomi yerinde kalan kemik ince tabakası çıkarın. Herhangi bir vaskülatür kaçınarak bükülmüş bir ucu ile 30-gauge iğne kullanarak Incise dura. Kesiğin uzunluğu ekleme mekiğinin boyutlarıyla eşleşir. Kanama varsa, hafif bir tuzlu damla ile elle sulamak ve kanama durdu kadar devam etmeyin. Birden fazla durectomies yapılıyorsa, jel köpük veya vücut ısısı tuzlu ile her birkaç dakikada bir düzenli sulama gibi başka bir yöntem ile siteleri nemli tutun. Temel parçanın kafatasına çimento yapışması için hazırlık için kafatasını tekrar pamuklu bezler veya diğer emicilerle kurulayın. Steril taban parçasını konumlandırın. Temel parça bregma kapsayacaksa, bir proxy olarak bilinen bir mesafede başka bir konumu işaretleyin. Temel parçanın çevresine yapıştırıcı çimento uygulayın. Yapıştırılalı taban parçasını tuzlu ile doldurun; temel parça ile kafatası arabirimi arasındaki arabirimde yapışkan çimento ile herhangi bir sızıntıyı tespit ve yama(Şekil 5).NOT: Yapay dural dolgu jelinin sızmasını önlemek için temel parçanın kafatasına tamamen sabitolması çok önemlidir, çünkü bu implantın kafatasına yeterli yapışmasını önleyecektir. Hayvan dizileri takılmaya hazırdır. 4. Dizilerin seri eklemeleri ve mekiklerin geri çekilmesi (dizi başına ~1 h) NOT: Bu prosedür, özellikle bir cihazın sonraki cihazların implantasyonuna müdahale edebileceği çok dizili implantlar için, uygun olmayan bir cihazla kullanılmalıdır. 1 ve 2 adet leri geri çekme mikromanipülatör pistonuna yükleyin. Parça 1’in mikromanipülatörunu genişletilmiş bir konuma ve parça 3’ün mikromanipülatöründen geri çekilen bir konuma ayarlayın. Piston, parça 1’in içinde terminal derinliğine doğru kayar. Parça 2, delikler hizalanmış olan 3. Yük parçası 3 ekleme mikromanipülatör piston üzerine, ve parça 3 altında bir vida ile yerinde güvenli(Şekil 5A,B). 2 ve 3’ü birbirine yükleyin ve vidalayın, böylece ekleme mikromanipülatörünü hareket ettiren tüm ekleme aparatı(Şekil 5C)hareket ettirir. 1 ve 2’yi bir arada tutan vidayı çıkarın. Parça 1, ekleme mekiğinin cihazdan ayrı ayrı geri çekilmesine izin vermek için Parça 2’den bağımsız olarak hareket eder. Vida pistonuna basınç uygulayana kadar bu vidayı piston pistine dik olan parça 1’in yanal deliğine takın. Bu, parça 1’in Şekil 5D’degörüldüğü gibi geri çekilen pistona uygun olarak hareket ettiğini garanti eder. Cihaz stereotaktik alete monte edildiğinde görüşü engellemeyecek yanal deliği seçtiğinizden emin olun. Şekil 5: Enseleyicinin montajı.(A) 3. parçanın mikromanipülatörlere montajı. (B) 1 ve 2 adetin ekleme aparatlarına bağlanması. (C) Monte edilmiş elektrot dizi-ekleme mekik cihazı ile ekleme parçaları. (D) Başparmak vida tutan parça 1 ve 2 birlikte kaldırılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Kraniektomilerden herhangi bir jel-köpük çıkarın. Stereotaktik hedefleme için gerçek veya proxy bregma kullanın. Cihazı ekleme bölgesine hareket ettirirken kafatasının en az birkaç santimetre yukarısında bir yüksekliğe sahiptir. Yoğuşma ekleme önce veya ekleme sırasında ekleme mekiği dizi ayırmak şansını azaltmak için kafatası veya beyin yakın dizi-mekik cihazın uzun süre kaçının. Bu durumda, beyin ve kafatası üzerinde yüksek dizi mekik cihaz yükseltmek ve kuruve yeniden yapışmasını bekleyin girişimi. Yüzey vaskülatürönlemek için implant koordinatları ayarlayın. Kraniektomi ve durektomi sırasında olduğu gibi, doğrudan damarları nüfuz kaçının. Cihazı tempolu bir şekilde (~25 μm/s) takın ve cihaz beyne girene kadar stereotaktik aletle indirin. Cihaz beyne hemen girmeyecek. Direnç ve karartma derecesi hedef konuma ve cihaz tasarımına (örn. iki ye karşı dört sap, uç açısı) bağlıdır, ancak karartma genellikle 1 mm’yi geçmez(Şekil 6). Şekil 6 : Dizi mekiği ekleme.Dizi mekiği beyne doğru ilerlemiş ve derinliği hedef alıyor. Dört saplı dizi mekiği gösterilmiştir. Bir kez beyin, mikromanipülatör ile düşük, hedef derinliği yaklaşım hızı azalan: 25 μm/s’de takmaya başlamak için stereotaktik kolu kullanın. Mikromanipülörü, hedef derinliğin 2 mm ila 1 mm üzerinde yken 10 μm/s’ye yerleştirmek için kullanın. Mikromanipülatörle hedef derinliğin 1 mm ila 500 m üzerinde yken 5 μm/s’ye yavaş yerleştirme. Hedefe son 500 μm sırasında 1-2 μm/s’ye daha fazla yerleştirilmesi yavaş. Erken mekik dizili müfrezesini önlemek için cihaz kanatlarını (yatay poliimid tüp) ve indirme sırasında ekleme noktasını görselleştirin. Hedef derinliğe ulaşıldığında(Şekil 7A),poliimid kanatları hafif kürebilen akrilik veya siyanoakrilat(Malzeme Tablosu)gibi başka bir yapıştırıcı ile baz parça eki sitelerine ikili olarak sabitleyin. Kuru, gerekirse, kanatlar veya taban parçası üzerinde eki noktası, yoğuşma bu yüzeylerde toplayabilir ve yapışmayı önlemek gibi. Görünürlük veya diğer alan kısıtlamaları gerektiriyorsa, genellikle tek bir poliimid kanadına demirleme yeterlidir. Çözülmeden önce PEG, dizi ve ekleme mekiği arabiriminin üzerinde duran küresel bir kütle olarak görünür (Şekil 7A). Peg’i, mekiğe yapıştırıldığı noktadaki diziye vücut ısısını hafifçe damlatarak çözün. Bunun gerektirdiği süre PEG’in moleküler ağırlığına bağlıdır ve tam çözünme doğrudan görselleştirme ile doğrulanabilir. PEG tamamen çözüldüğünde dizilerin sınırları mekik ve parça 1’den tamamen ayırt edilebilir olacaktır(Şekil 7B). Şekil 7: Mekiğin geri çekilmesi.(A) Geri çekilmeden önce kanatların tethering. İki saplı dizi ve mekik gösterilmiştir. (B) PEG çözünme ve kanat yapışması sap özelliği ile (daire, mavi) retraction sırasında dizi ve mekik başarılı ayrıştırma görsel onay sağlar. (C) Ekleme mekiği geri çekildikten sonra başarılı bir dizi ekleme. (D) Silikon jel ile Baz parçası tek bir iki saplı dizi ekleme için doldurur. Kullanılan düşük viskoziteli silikon jel mavi bir renk tonu vardır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Geri çekme mikromanipülatörü kullanarak, ekleme mekiği yavaşça geri çekin. Geri çekilen dizi üzerine tuzlu sulama (~1 damla/s) devam edin. Hedef derinlikten ilgili mesafelerde ekleme hızıyla aynı olan geri çekme hızlarını kullanın: Mikromanipülatör kullanarak hedef derinlikten -500 μm’ye 1-2 m/s’de geri çekilin. -500 μm ila -1 mm arasında mikromanipülatör kullanarak geri çekme hızını 5 μm/s hızlandırın. -1 mm ile -2 mm arasında 10 μm/s hızla mikromanipülatör kullanarak geri çekme hızını. Stereotaktik kolu hedeften -2 mm’den 25 μm/s’de ve yukarı doğru geri çekin. Geri çekme sırasında dizi ve ekleme mekiği arasındaki arabirimi görselleştirin. Polimer dizilimi mekikten gözle görülür bir şekilde ayrılacak ve mekik, ekleme mekiğinin sapları arasındaki yarım daire kavşakta geri çekildiğinde yarı saydam görünür (Şekil 7B). Dizi bağlayıcısını parça 2’den çıkarın ve sonraki eklemeleri engellemeyen bir konuma taşıyın. Polimer elektrot dizisi artık beyinde dir ve artık stereotaktik alete bağlı değildir(Şekil 7C). Ekleme mekiği ve diğer ekleme donanımını çıkarın. Birden çok ekleme için, 4.1-4.9 adımlarını yineleyin; istenen tüm diziler eklenene kadar bir sonraki bölüme geçmeyin. Gerinim kabartma bölgesinde beyin ve kanatlar arasındaki cihaz şeridinin hafif eğilme en azından bu kadar uzatabilirsiniz gibi, birbirinden 250 μm içinde iki cihaz eklemek için kötü tavsiye edilir. 5. İmplant yapımı (~2 saat) Son dizi takıldıktan sonra, implante edilen dizileri veya şeritleri bozmamaya dikkat etmek için bir pipet veya pamuklu bez kullanarak temel parçadan boş salin. Kraniektomileri ve temel parçayı düşük viskoziteli silikon elastomer veya diğer yapay dural dolgu ile doldurun. Tedavi etmesine izin verin (Şekil 7D). Birden çok eklemeyle, donanım konektörlerini karışmadıkları bir yere yerleştirin (Şekil 8A). Dizi konektörlerini uygun şekilde yönlendirin ve implant ı inşa edin, böylece kurdeleler istenilen son konumdadır. Orta viskoziteli silikon elastomerdeki dizileri, dizi şeritlerini ve konektörleri kapatın. Bu yumuşak sert malzeme arabirimi hasara yatkın olduğundan, polimer konektör arabirimine özel önem verin. Orta viskoziteli silikon kürleri, onlar hareketsiz olacak şekilde dizi şeritler tamamen kapak. Elastomer kaplı cihazları tasarlanan kasaya türün. Dental akrilik ile implant tabanıgüçlendirin. Akrilik, kürler sırasında akrilik genişleme iletken izleri zarar verebilir, çünkü dizi şeritler ile doğrudan temas akrilik izin vermez. Kesi etrafında Bupivicaine ve bacitracin merhem uygulayın. Kesiyi 4-0 naylon dikişler ve deri tutkalkullanarak kapatın. 6. Kurtarma ve implant bakımı Hayvanı stereotaktik aletten çıkarın ve yan tarafına bir ısıtma yastığı na yerleştirin. Hayvanı nemlendirmek için sıcak Ringer çözeltisinin (5 – 10 mL) deri altı enjeksiyonu yapın. Hayvan locomoting sonra (10 – 60 dk), 2-3 gün boyunca 37 °C’de bir ısıtma yastığı altında kafes yarısı ile bir kafese aktarın. Bir ısıtma yastığı altında, yumuşatılmış gıda ve su erişim vermek. Ağrı kontrolü için gerekli olan 1 hafta boyunca her 24 saat (deri altı veya oral uygulama) 2 mg/kg Meloksikam ile hayvan enjekte edin. Farenin 1-2 hafta iyileşmesine ve implant ağırlığına uyum sağlamasına izin verin(Şekil 8B). İmplant çevresindeki dokunun düzenli klorheksidin yıkamasını ve tahriş, enfeksiyon veya dehiscence için günlük muayeneyapın. Şekil 8: İmplantasyondan sonra birden fazla yerleştirilmiş dizi ve sıçan. (A) Sonraki eklemelere müdahale etmemek için konumlardaki donanım bağlayıcıları. (B) 1.024 kanallı, kronik polimer dizili implant. Nöron [Ek Şekil 1H]1izni ile çoğaltılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Representative Results

Bu protokolü takiben, 1.024 kanallı nöral implant kaydı 375 tek ünite1 (MountainSort50ile sıralanmış , gürültü üst üste binme 0,96, tek birim kayıt için kullanılan 512 kanal, Şekil 9A)elde edilmiştir. Bu protokol, farklı kanal sayıları ve belirtimlere sahip farklı sayıda cihazı kayıt hedeflerinin farklı kombinasyonlarına yerleştirmek için kullanılabilir. Aynı protokol kullanılarak, tek ünite kayıt uzun ömürlü en az 160 gün boyunca gösterilmiştir19 cihazlar (prefrontal kortekste 18 32 kanallı cihazlar, orbitofrontal kortekste bir 64 kanallı cihaz) üç farklı sıçan da ( Şekil 9B). Üç hayvandan birinde dijital elektrik arızası vardı ve bu da dört cihazdan kayıt yapamamayla sonuçlandı. Geri kalan 15/19 cihazların, kanal başına ~ 1 tek birim kayıt verim ortalaması vardı. Tek tek cihazların kanal başına ~2 üniteye kadar sadece birkaç tek birim verimi vardı. Aynı bölgede aynı hayvana yerleştirilen cihazlarda çok farklı verim görmek tipiktir. Buna ek olarak, burada açıklanan protokolü takip eden farklı bir cerrahi ekip, orbitofrontal korteks ve kontör ekine yönelik 4-6 32 kanallı cihazların kombinasyonu ve bir tetrode hipersürücü (toplam implant) ile altı ek hayvan yerleştirdi. ağırlığı yaklaşık 50 g). Bir hayvan ameliyattan sonraki bir ay içinde implant kopmuştu. Ameliyat sonrası iyileşme döneminde ikinci bir hayvan öldü, muhtemelen burada açıklanan protokol adımlarıile ilgisi yok. Geri kalan dört hayvan, 4-11 ay süren deney boyunca stabil implantlarla sağlıklı kaldı. Tek birim sayıları, daha önce 32 kanallı aygıtlar için bildirilenlere benzerdi. Şekil 9: Tek birim verim ve kayıt uzun ömürlü.(A) 512 kanaldan (1.024 kanallı implantın) tek birimli tek birimli küme sayısı, kalite metrik eşiklerine göre tabakalaşmıştır. MountainSort (gürültü 0.03 çakışması, izolasyon 0.96, sağ üstteki kara kutu) kullanılarak yapılan otomatik kürasyon, 512 kanaldan 375 tek ünitenin tanımlanmasıyla sonuçlandı. Nöron [Şekil 2A]1izni ile çoğaltılır. (B) Sıçanlarda 160 gün boyunca kanal başına polimer diziler (sol y ekseni) veya 16 kanallı (sağ y ekseni) için tek birimverimleri . Katı çizgi 8 sap, noktalı çizgiler ± 1 SE. Sap başına ayrı zaman noktaları arasında ortalama hücre verimi bölge göre renk kodlu noktalar olarak gösterilir. Nöron [Şekil 3A]1izni ile çoğaltılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Bu aylar boyunca tek birimlerin kaydı için dağıtılan beyin alanlarına birden fazla polimer elektrot dizileri implantasyonu için bir yöntemdir. Bu yöntem, kayıt kanallarında 8 kat artış ve en yakın büyük ölçekli polimer dizi tabanlı sistem^2,³ekleme sayısında 4 kat artış temsil eder. Bu sistem fare bir polimer örgü enjeksiyon tabanlı sistem kullanılan ancak putatif tek birimlerin mutlak bir sayı rapor etmedi ve böylece tek nöron verimbir karşılaştırma mümkün değildir.

Esnek bir cihazın takılması için yöntem Felix ve ark.³⁹daha önceki bir protokole dayanmaktadır , önemli değişiklikler ile: geri çekme sırasında silikon mekiğibağımsız hareket için üç parçalı ekleme cihazı, ve dizi tethering birlikte orijinal protokolde açıklanan hızlı çekilme ihtiyacını ortadan kaldırmak mekiğin geri çekilmesi önce hedef derinliğinde. Bu değişiklikler doku hasarını en aza indirir ve mekiğin geri çekilmesi sırasında dizi stabilitesini korur. Biyolojik çözünebilir malzemelerle geçici olarak sertleştirme cihazları gibi diğer esnek cihaz implantasyon stratejileri, bu protokoldeki sonraki adımlarla uyumludur. İmplant içindeki cihazların güvenliğini sağlamak, beyni kaplamak ve hassas cihaz şeritlerini korumak için önceden onaylanmış stratejilerin entegre edilmesi gerekti.

Kırılganlıkları nedeniyle, polimer elektrot dizilerine ve silikon ekleme mekiklerine doğrudan temas eden veya başka bir şekilde kuvvet iletmekten kaçınmak için özen ve dikkat gereklidir. Özellikle birden fazla cihazla çalışırken, bir cihazın diğeriyle karışmasını önlemek için bir mikroskop altında ekleme gözlenmelidir. Genel olarak, izleri kaçınarak, plastik uçlu çerkesile hafifçe bir elektrot dizisi işlemek mümkündür. Böyle bir strateji uygundur, örneğin, polimer elektrot dizisi ekleme mekiği ile geri çekilmeye başlarsa. Peg tamamen çözülmemişse veya polimer ve silikon arasındaki tuzlu veya BOS yüzey gerilimi nedeniyle bu durum oluşabilir.

En yaygın kurtarılabilir hatalardan biri ekleme mekiğinden dizi ayrılmasıdır. Bu ekleme oluşabilir, beyin gamzeleri ve cihaz ucunda basınç artar gibi, dizi ve mekik kusurlu hizalanmış ise veya yoğuşma kısmen PEG çözülmüş varsa. Bir diziyi yeniden yapıştırmak için, onu beyin yüzeyinin üzerinde mümkün olduğunca yükseğe kaldırın ve kurumasını bekleyin (yaklaşık 5 dk).

Çok dizili implantasyon ameliyatı planlamanın kritik bir yönü, tüm implant hedeflerini tutturmak ve kafatası nın konturuna karşı boşluk bırakmadan oturacak temel parçanın tasarımıdır. Temel parça kafatası temizliği, vida yerleştirme ve kısmi kraniektomiler sonra kafatası sabittir küçük bir plastik parça, dizilerin eklemeden önce. Üç işlevi vardır: 1) PEG aşağıdaki dizi ekleme eritmek için tuzlu tutmak için ama silikon mekik geri çekilme önce, 2) dizileri poliimid kanatları ile takılabilir kafatası yüzeyinin üzerinde bir yer sağlamak için, böylece gerinim kabartma izin beyinde ekleme noktası üzerinde şerit boyunca, ve 3) yapay dural dolgu tutmak için, hangi stabilize ve dizileri ve beyin korur. Temel parça elle veya 3D baskılı olarak moda olabilir. Temel tuzlu parçanın kurutulup kurutularak cihaz takılmadan önce çok önemli olduğu gözlenmiştir. Bu adımlar, dizi ve ekleme mekiğinin yoğuşmasını ve ayrılmasını önler. Temel parçanın kurutulması da temel parçayı yapay dural dolgu ile doldurmak için çok önemlidir. Silikon jel bir film kafatası kaldırmak zordur ve kafatası implant güvenilir kronik eki için diş akrilik yapışmasını önleyecektir gibi temel parça sızıntı değil, aynı zamanda önemlidir. Herhangi bir düşük viskozite, biyouyumlu silikon elastomer kraniektomiler ve baz parçası doldurmak için kullanılabilir bekleniyor, daha yüksek viskoziteli silikon elastomer çevreleyen ve maruz polimer dizi şeritler ile.

Polimer nanofabrikasyon gelişmeler polimer bazlı elektrot dizileri tercüme edecek, özellik boyutlarını azaltarak ve silikon^cihazlar15,¹⁶^,17 daha yakın bir dizi elektrot olası sayısını artırarak ^,¹⁸^,¹⁹. Benzer şekilde, polimer cihazların kesit alanları özellik boyutları ile birlikte küçülecek, daha iyi biyouyumluluk sağlayan⁸. Yine, silikon cihazlar ile gerçekleştirilir gibi, yükseltici ile entegrasyon, sayısallaştırma, ve çoklama yongaları¹⁷ daha büyük ölçekli nöral kayıt sağlayacaktır.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma NINDS hibe U01NS090537 tarafından L.M.F ve V.M.T., NIMH hibe F30MH109292 J.E.C ve NIMH hibe F30MH11582 h.r.j. J.E.C. ve H.R.J. hibe de NIGMS MSTP hibe tarafından desteklenmiştir #T32GM007618. Flatiron Enstitüsü Simons Vakfı’nın bir bölümüdür.

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).

Automatically Generated