Name: voltage biasing, cyclic voltammetry, &amp; electrical impedance spectroscopy for neural interfaces
Uploaded: 2012-02-24T13:00:00
Duration: 7 min 51 s
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这项研究是由美国国立卫生研究院（R03DC009339-02，NIDCD的）和由国防高级研究计划局（DARPA）微系统技术办公室（MTO），杰克·W·朱迪博士的主持下，（支持jack.judy @ darpa.mil）作为可靠的神经科技计划的一部分，通过空间和海战系统司令部（SPAWAR）系统中心（SSC）太平洋批准号：N66001-11-1-4013。

1。设立电化学仪器<ol><li>电化学仪器，例如Methrohm的Autolab PGSTAT（乌得勒支，NL）对EIS，CV和复兴的需要。 FRA2添加使EIS的，附加的通道多路复用器（MUX）是用于测试多通道电极。 </li><li>建立一个探头适配器连接的探头通道MUX。 </li><li>进行连接。工作通道MUX和传感电极，参考和反电极连接到连接的电流返回路径，通常是植入骨钉的不锈钢或钛探头适配器连接。 </li></ol> 2。电阻抗图谱<ol><li>开始的频率响应分析仪（FRA）的软件，验证程序文件设置。应设置的程序来测试两个多正弦波波形每组15正弦同时从10赫兹到30不等千赫。施加电压应为25 mV或更低（见补充方法）。 </li><li>打开和编辑项目文件。该项目使用的程序文件，通过每个通道的循环，并保存结果（见补充方法）。 </li><li>连接一个无源探头（无放大器）动物主题。积极的探头将无法通过输入信号。 </li><li>执行该项目文件。每个通道需要几十秒钟的设定而异。 </li><li>显示和解释结果。解析输出的文本文件，用MATLAB（Natic​​k市，马萨诸塞州），使Nyquist图。一个半圆在更高的频率，表示组织的响应。 </li></ol> 3。循环伏安<ol><li>启动通用电化学系统（GPES）软件，并验证程序文件设置。程序应设置在50 mV / s的范围内水解的限制，这是典型的神经电极材料+0.8和-0.6之间至五扫电压（PT，IR，IROX）。应至少有三个扫描系统的运行，达到平衡。从最终的扫描结果保存（见补充方法）。扫描速度可提高到1 V / S，以减少测量时间，但是，IV曲线的形状可能会改变如果扫描速度比电极组织界面发生的电荷转移反应更快。 </li><li>打开和编辑项目文件。该项目使用的程序文件，通过每个通道的循环，并保存结果（见补充方法）。 </li><li>连接一个无源探头的动物主题。 </li><li>执行该项目文件。每个通道大约需要三分钟，根据设置。增加至1 V / s的扫描速率，减少了测量时间约10秒，每通道。 </li><li>显示和解释结果。解析输出的文本文件，用MATLAB绘制IV关系。通过整合区域承载能力的收费进行了量化在简历的阴极电流。 </li></ol> 4。复兴<ol><li>启动通用电化学系统（GPES）软件，并验证程序文件设置。使用步骤及彩票的方法，程序应加强持续4秒的电压为1.5 V（见补充方法）。 </li><li>打开和编辑项目文件。该项目使用的程序文件，通过每个通道的循环，并保存结果（见补充方法）。 </li><li>连接一个无源探头的动物主题。 </li><li>执行该项目文件。每个通道需要大约10秒。 4.5）EIS和CV的数据收集和解释结果。 </li></ol> 5。代表结果包括录音，EIS的，简历和复兴，是一个典型的工作流程，如图1所示。录音和EIS收集最频繁（每天或每周）通过各种渠道，而CV如果扣球活动没有再检测，可用于振兴。 EIS的变化，在天至数周后，电极植入。当EIS数据作为Nyquist图显示，一个半圆在更高的频率（原点附近），表明在电极站点（图2）组织反应。 CV产生的电流 - 电压（IV）曲线显示有些滞后。最相关的简历统计负责承载能力，正常化面积电极地盘面积内的IV曲线（图3）。充电容量大的微刺激电极的首选。 在复兴电压脉冲的应用，通常会导致充电容量增加和减少阻抗的大小（图3a及b）。扣球也可以恢复以前尖峰（图4a）的渠道。虽然复兴阻抗和信号没有只有短期效应ISE比（SNR），这种技术可以应用于日常生活。图4b＆C显示每天前和后的复兴1千赫阻抗幅度和豚鼠皮层植入了16个通道阵列的信噪比数据。复兴具有强大的效果上降低一个量级1千赫阻抗后，每个应用程序的大小。作为恢复信号和低阻抗，信噪比提高后，每一个复兴的会议。最终，所有的信号丢失后，植入后160天，复兴不再有效。 <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig1.jpg" alt="图1" /> 图1。EIS的测量后，每个录制会话。如果没有尖峰记录一个通道上，以前有尖峰，EIS显示了一个大的组织成分，增加随着时间的推移，简历和振兴试图在此通道上。 EIS和录音，然后使用，以确定是否治疗是成功的。 图2。EIS数据显示在一个电极植入后立即现场（蓝色），4个月后（绿色）的Nyquist图。 Nyquist图上的每个点代表在一个单一的频率阻抗的实部和虚。在更高的频率部分的半圆，由于在工地附近的组织是显而易见的。 <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig3.jpg" alt="图3" /> 图3。植入的铱氧化物电极前，后的复兴CV和EIS的变化。 （一）复兴增加面积相应增加的费用，承载能力的IV曲线。 （二）观察后复兴的重大转变一个阻抗specra的阻抗较低的水平一般。 <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig4.jpg" alt="图4" /> 图4。EFFECTS电压偏置在录音和阻抗。 （一）前，后复兴录音显示，此前一直保持沉默的渠道尖峰可以恢复。每天前和1千赫阻抗幅度和（C）在手术后约150天的信噪比增加一个强大的（乙）下降后复兴的结果。 errorbars代表豚鼠皮层植入了16个通道阵列收集的数据的标准误差。

<ol>
	<li>Szarowski, D. H., Andersen, M. D., Retterer, S., Spence, A. J., Isaacson, M., Craighead, H. G., Turner, J. N., Shain, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+responses+to+micro&#45;machined+silicon+devices.">Brain responses to micro&#45;machined silicon devices.</a> Brain Res. 983, 23-35 (2003).</li><li>Vetter, R. J., Williams, J. C., Hetke, J. F., Nunamaker, E. A., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+neural+recording+using+silicon&#45;substrate+microelectrode+arrays+implanted+in+cerebral+cortex.">Chronic neural recording using silicon&#45;substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 51, 896-904 (2004).</li><li>Williams, J. C., Hippensteel, J. A., Dilgen, J., Shain, W., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Complex+impedance+spectroscopy+for+monitoring+tissue+responses+to+inserted+neural+implants.">Complex impedance spectroscopy for monitoring tissue responses to inserted neural implants.</a> J. Neural Eng. 4, 410-423 (2007).</li><li>Johnson, M. D., Otto, K. J., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Repeated+voltage+biasing+improves+unit+recordings+by+reducing+resistive+tissue+impedances.">Repeated voltage biasing improves unit recordings by reducing resistive tissue impedances.</a> IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 13, 160-165 (2005).</li><li>Otto, K. J., Johnson, M. D., Kipke, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Voltage+pulses+change+neural+interface+properties+and+improve+unit+recordings+with+chronically+implanted+microelectrodes.">Voltage pulses change neural interface properties and improve unit recordings with chronically implanted microelectrodes.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 53, 333-340 (2006).</li><li>Pickup, P. G., Birss, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+model+for+anodic+hydrous+oxide&#45;growth+at+iridium.">A model for anodic hydrous oxide&#45;growth at iridium.</a> J. Electroanal. Chem. 220, 83-100 (1987).</li></ol>

没有利益冲突的声明。

神经假肢录音系统显示功能寿命有限，录音功能，随着时间的推移植入后减小。减少性能的可能因素是无组织反应的植入装置作为一个紧凑的胶质鞘功能隔离异物从健康组织1。随着神经录音，电化学测试（EIS和CV）通常用于纵向监测电极组织界面2,3。 EIS实际上是在评估接口的录音功能非常有用。植入后提示无组织反应，随着时间的推移改变接口3，电气性能，阻抗迅速增加。此外，EIS数据，可以用来模拟植入电极3-5相邻的细胞组成。循环伏安法可用于录音和EIS的变化，以进一步探讨。在ELECTR的颂歌材料和粗糙度以及电化学反应，与周围组织影响的IV曲线的形状。大电荷的承载能力，决定从IV曲线的面积，通常是首选，特别是微电机刺激。往往伴有低充电容量增加EIS。在CV应用的潜力，本身可能改变充电容量和EIS，尤其是如果电压范围足够大的驱动氧化还原反应。 偏置电压，或复兴的应用，可以用增加负责承载能力的目的，减少阻抗，并增加5记录尖峰渠道。氧化在电极界面可能发生在复兴过程中，与铱的材料，含水氧化物单层形成阳极电位为1.2 V的6。它已建议，这个单层的形成可能会删除蜂窝和ACELlular材料附着到电极，低阻抗接口5。而复兴，可以恢复丢失的神经信号，它是最有效的，如果在几天之内，以前尖峰前通道使用。录音，EIS的，简历，振兴最能作为辅助工具，在监测的神经接口和改善长期植入设备的功能。

<table border="1"><tbody><tr><td> 设备 </td><td> 公司 </td><td> 目录编号 </td><td> 评论 </td></tr><tr><td>电化学仪器</td><td>万通的Autolab </td><td> PGSTAT128N </td><td>添加组件：FRA2，通道MUX </td></tr><tr><td>无源探头</td><td>塔克 - 戴维斯技术</td><td></td><td>模型依赖于连接器和通道数</td></tr><tr><td> 26-pin母接头</td><td>安普</td><td> 5749069-2 </td><td>探头适配器或替代适当的连接器的探头</td></tr><tr><td>香蕉插孔</td><td> digikey </td><td> J151-ND </td><td>探头适配器的Autolab通道MUX香蕉插头</td></tr></tbody></table>

voltage biasing, cyclic voltammetry, &amp; electrical impedance spectroscopy for neural interfaces

电阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）的电极组织界面，无需额外的侵入性程序的措施，属性，可以用于长期监视电极性能。 EIS的措施，在多频率电阻抗，阻抗的增加表明增加设备周围的胶质瘢痕形成，而循环伏安测量充电电极的承载能力，并指出如何在不同的电压等级转移费。作为电极植入年龄，EIS和CV数据的变化，和以前录制的扣球神经元的电极网站往往表现出神经录音疗效显着降低。植入电极阵列，作为振兴，一个简短的电压脉冲的应用可以带回扣球否则一段时间的沉默电极网站上的活动。复兴改变了EIS和简历，并可以通过这些辅助方法监测。通常情况下，EIS是每天测量作为电极部位的组织反应的迹象。如果尖峰通道，以前有尖峰缺席，则CV被用来确定充电电极站点的承载能力，复兴可应用于改善界面疗效。 CV和EIS，然后反复检查电极组织界面的变化，并收集神经录音。复兴的总体目标是延长植入阵列功能寿命。

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Voltage Biasing, Cyclic Voltammetry, & Electrical Impedance Spectroscopy for Neural Interfaces

组织神经记录电极的电极接口，可与电阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）的特点。电压偏置变化的电极组织界面的电化学性能，并能提高录音功能的应用。电压偏置，EIS的CV，和神经录音是相辅相成的。

偏置电压，循环伏安，神经接口电阻抗光谱

Electrical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) measure properties of the electrode-tissue interface without additional invasive ...

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