Name: voltage biasing, cyclic voltammetry, &amp; electrical impedance spectroscopy for neural interfaces
Uploaded: 2012-02-24T13:00:00
Duration: 7 min 51 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Voltage Biasing, Cyclic Voltammetry, & Electrical Impedance Spectroscopy for Neural Interfaces at JoVE.com

Denne forskning blev støttet af National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD), og af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), under ledelse af Dr. Jack W. Judy (jack.judy @ darpa.mil) som en del af de pålidelige Neural Technology Program, gennem rummet og Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) Systems Center (SSC) Pacific tilskud nr. N66001-11-1-4013.

1. Opsæt Elektrokemi instrumentet <ol><li> Elektrokemi instrumentering såsom et Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, NL) er nødvendig for EIS, CV og foryngelse. Den FRA2 add-on giver EIS, og kanalen multiplexer (MUX) add-on er nyttigt til test multi-kanal elektroder. </li><li> Byg et hovedtrin adapter til at tilslutte kanalen MUX til hovedtrin. </li><li> Foretag de tilslutninger. Tilslut arbejde og følerelektroder til kanalen MUX, og tilslut reference og modelektroder til den del af hovedtrin adapteren tilsluttet strømmens returvej, typisk en implanteret i rustfrit stål eller titanium knogleskrue. </li></ol> 2. Elektrisk impedans Spektroskopi <ol><li> Start Frekvensgang Analyzer (FRA) software, og verificere metoden filindstillinger. Proceduren bør sættes til at teste to multi-sinus kurver hver består af 15 Sines samtidig spænder fra 10 Hz til 30kHz. Den anvendte spænding skal være 25 mV eller mindre (se supplerende metoder). </li><li> Åbne og redigere Project-fil. Projektet anvender proceduren filen, sløjfer gennem hver kanal, og gemmer resultatet (se supplerende metoder). </li><li> Tilslut dyr emne med en passiv (ingen forstærkere) hovedtrin. Aktive headstages vil ikke videregive indgangssignaler. </li><li> Udføre projektet filen. Hver kanal tager ti sekunder, afhængigt af indstillinger. </li><li> Display og fortolke resultatet. Parse output tekstfiler med MATLAB (Natick, MA), og gøre en Nyquist plot. En halvcirkel ved højere frekvenser angiver en vævsreaktion. </li></ol> 3. Cyklisk voltammetri <ol><li> Start General Purpose Elektrokemi System (GPES) software, og verificere metoden filindstillinger. Proceduren bør sættes til at feje spændingen ved 50 mV / s inden for rammerne af hydrolyse, der er mellem 0,8 og -0,6 V for typiske neurale elektrode materialer (Pt,IR IROX). Mindst tre scanninger skal køres for at systemet kan nå ligevægt. Resultaterne fra den endelige scanning gemmes (se supplerende metoder). Scanningen kan øges til en V / s for at reducere måletiden, men vil formen af ​​IV kurven vil ændres, hvis skanningshastigheden er hurtigere end den charge transfer reaktioner forekommer ved elektrode-vævsgrænsefladen. </li><li> Åbne og redigere Project-fil. Projektet anvender proceduren filen, sløjfer gennem hver kanal, og gemmer resultatet (se supplerende metoder). </li><li> Tilslut dyr emne med en passiv hovedtrin. </li><li> Udføre projektet filen. Hver kanal tager omkring tre minutter, afhængigt af indstillingerne. Forøgelse af scanningshastighed til 1 V / s reducerer måling tid til cirka ti sekunder per kanal. </li><li> Display og fortolke resultatet. Parse output tekstfiler med MATLAB, og plotte IV forholdet. Ladningen bæreevne er kvantificeret ved at integrere arealetaf den katodiske aktuelle i CV. </li></ol> 4. Foryngelse <ol><li> Start General Purpose Elektrokemi System (GPES) software, og verificere metoden filindstillinger. Brug af Trin og fejer metode, bør proceduren sættes til trin spændingen til 1,5 V for en varighed på 4 sekunder (se supplerende metoder). </li><li> Åbne og redigere Project-fil. Projektet anvender proceduren filen, sløjfer gennem hver kanal, og gemmer resultatet (se supplerende metoder). </li><li> Tilslut dyr emne med en passiv hovedtrin. </li><li> Udføre projektet filen. Hver kanal tager omkring ti sekunder. 4,5) Saml EIS og CV data og fortolke resultater. </li></ol> 5. Repræsentative resultater En typisk arbejdsgang, herunder optagelser, EIS, CV og foryngelse, er vist i figur 1. Optagelser og EIS indsamles hyppigst (dagligt eller ugentligt) på tværs af alle kanaler, mens CV ogforyngelse kan anvendes, hvis spiking aktivitet ikke længere er detekterbar. EIS ændringer i løbet af dage eller uger efter en elektrode implanteret. Når EIS data vises som en Nyquist plot, en halvcirkel ved højere frekvenser (nær oprindelse) er indikativ for vævsrespons på elektroden site (figur 2). CV producerer en strøm-spænding (IV) kurve, der viser nogle hysterese. Den mest relevante CV statistik er ladningen bæreevne, det indvendige areal IV kurven normaliseret ved elektroden grundareal (figur 3 a). Elektroder med stor ladning kapacitet foretrækkes for mikro-stimulation. Under foryngelse en spænding påtrykkes, der normalt resulterer i øget opladningskapacitet og faldt impedans størrelser (figur 3a og b). Spiking kan også gendannes i kanaler, der tidligere har haft pigge (Figur 4a). Mens foryngelse har kun kortvarige virkninger på impedans og signal-til-nejise-forhold (SNR), kan denne teknik anvendes dagligt. Figur 4b &amp; c viser daglig præ-og post-foryngelse 1 kHz impedans størrelsesorden og SNR data for en 16-kanals række implanteret i marsvin cortex. Foryngelse har en robust effekt på en sænkning af 1 kHz impedansen størrelsesorden af ​​en størrelsesorden efter hver anvendelse. Som et resultat af gendannede signaler og lavere impedans, stiger SNR efter hver foryngelse session. I sidste ende blev alle signaler tabt efter 160 dage efter implantation og foryngelse var ikke længere effektiv. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig1.jpg" alt="Figur 1" /> Figur 1. EIS måles efter hver optagelse. Hvis ingen pigge er registreret på en kanal, der tidligere har haft pigge, og EIS viser en stor væv komponent, der er steget over tid, så CV og foryngelse er prøvet på denne kanal. EIS og optagelser anvendes derefter til at bestemme, om behandlingen var vellykket. Figur 2. EIS data, der vises i en Nyquist afbildning af en elektrode-sted umiddelbart efter implantation (blå) og 4 måneder senere (grøn). Hvert punkt på Nyquist plot repræsenterer reelle og imaginære impedans ved en enkelt frekvens. En delvis halvcirkel grund vævet omkring site er tydelig ved højere frekvenser. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig3.jpg" alt="Figur 3" /> Figur 3. CV og EIS ændringer af en implanteret iridiumoxid elektrode præ-og post-foryngelse. (A) foryngelse forøger arealet af IV kurve svarende til en forøget ladning bæreevne. (B) Et signifikant skift i impedans specra til lavere impedans niveauer er generelt observeres efter foryngelse. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig4.jpg" alt="Figur 4" /> Figur 4. Effects af spænding skævhed på optagelser og impedans. (A) Pre-og post-foryngelse optagelser viser pigge kan inddrives på kanaler, der tidligere havde været tavse. Daglig præ-og post-foryngelse resulterer i en robust (B) fald i 1 kHz impedans størrelse og (C) forøgelse SNR for omkring 150 dage efter kirurgi. Errorbars repræsenterer standard fejl fra data indsamlet fra en 16-kanals række implanteret i marsvin cortex.

<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>

Ingen interessekonflikter erklæret.

Neurale registrering prostetiske systemer udviser en begrænset funktionel levetid som optagelseskapacitet aftager med tiden efter implantation. Den sandsynlige årsag til aftagende ydeevne er den reaktive væv reaktion på den implanterede enhed som en kompakt glial kappe funktionelt isolerer fremmedlegeme fra raske væv 1. Sammen med neural optagelse er elektrokemiske målinger (EIS og CV) anvendes typisk til langsgående overvågning af elektrode-vævsgrænseflade 2,3. EIS er praktisk anvendelig i vurderingen af ​​optagelsen evne til grænsefladen. Impedansen hurtigt stiger med tiden efter implantation antyder reaktive vævsrespons ændrer de elektriske egenskaber af grænsefladen 3. Derudover kan EIS data anvendes til at modellere den cellulære sammensætning støder op til den implanterede elektroden 3-5. Cyklisk voltammetri kan anvendes til yderligere at undersøge ændringer i optagelser og EIS. Den elektrode materiale og ruhed samt de elektrokemiske reaktioner og det omgivende væv påvirke formen af ​​IV kurven. Stor ladning bæreevne, bestemmes ud fra arealet af IV kurve, foretrækkes sædvanligvis, især for elektrisk mikro-stimulering. Lav afgift kapacitet er ofte forbundet med øget EIS. Den spænding, der påtrykkes under CV selv kan ændre opladningskapaciteten og EIS, især hvis spændingen er stort nok til at drive redoxreaktioner. Anvendelse af spænding forspænding eller foryngelse, kan anvendes med det formål at forøge ladning bæreevne, faldende impedans, og øger antallet kanaler optaget spidser 5. Oxidation er sandsynligt forekommer ved elektroden grænsefladen under foryngelse, og med iridium materialer, danner et vandholdigt oxid monolag ved anodiske potentialer på 1,2 V 6. Det er blevet foreslået, at dannelsen af ​​denne monolag fjerne cellulære og acellular materiale vedhæftet til elektroden resulterer i lavere impedans ved grænsefladen 5. Mens foryngelse kan genvinde tabte neurale signaler, det er mest effektivt, hvis de anvendes på kanaler, der tidligere har haft pigge inden for et par dage før. Recordings, EIS, CV og foryngelse bedst kan bruges som supplerende værktøjer i overvågning af neurale interface og forbedre den langsigtede funktionalitet implanterede enheder.

<table border="1"><tbody><tr><td> Udstyr </td><td> Firma </td><td> Katalog nummer </td><td> Kommentarer </td></tr><tr><td> Elektrokemi Instrument </td><td> Metrohm Autolab </td><td> PGSTAT128N </td><td> add-ons: FRA2, kanal MUX </td></tr><tr><td> Passiv hovedtrin </td><td> Tucker-Davis Technologies </td><td></td><td> model afhænger konnektor og kanalen tæller </td></tr><tr><td> 26-polet hunstik </td><td> AMP </td><td> 5749069-2 </td><td> Hovedtrin adapter eller erstatning passende stik til din hovedtrin </td></tr><tr><td> Banana Jacks </td><td> Digikey </td><td> J151-ND </td><td> Hovedtrin Adapter Autolab kanal MUX har bananstik </td></tr></tbody></table>

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

Elektrisk impedans spektroskopi (EIS) og cyklisk volt-amperemetri (CV) måler egenskaber elektrode-vævsgrænseflade uden yderligere invasive procedurer og kan anvendes til at overvåge elektrode resultater på langt sigt. EIS måler elektrisk impedans ved flere frekvenser, og stigninger i impedans indikerer forøget glial ardannelse rundt om anordningen, medens cyklisk voltammetri måler ladning bæreevne af elektroden, og angiver hvorledes ladning overføres på forskellige spændingsniveauer. Som implanterede elektroder alder, EIS og CV data forandringer, og elektrode websteder, der tidligere har indspillet standardtilsætningsforsøg neuroner ofte udviser signifikant lavere effekt for neurale optagelse. Anvendelsen af ​​en kort spændingspuls implanterede elektrode arrays, der er kendt som foryngelse, kan bringe tilbage spiking aktivitet på ellers tavse elektrodestederne for en periode. Foryngelse ændrer EIS og CV, og kan overvåges af disse komplementære metoder. Typisk EIS målt dagligt som en indikation af vævsrespons på elektroden site. Hvis spidser er fraværende i en kanal, der tidligere havde pigge, derefter CV anvendes til at bestemme ladningen bæreevne elektroden site, og foryngelse kan anvendes til at forbedre kontakten virkning. CV og EIS gentages derefter for at kontrollere ændringer i elektrode-vævsgrænseflade, og neurale optagelser opsamles. Det overordnede mål for foryngelse er at forlænge den funktionelle levetid implanterede arrays.

Watch this Scientific Journal Video about Voltage Biasing, Cyclic Voltammetry, & Electrical Impedance Spectroscopy for Neural Interfaces at JoVE.com

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

Elektrode-vævsgrænseflade af neurale registrerende elektroder kan karakteriseres med elektrisk impedans spektroskopi (EIS) og cyklisk volt-amperemetri (CV). Påtrykning af spænding forspænding ændrer elektrokemiske egenskaber af elektroden-vævsgrænseflade og kan forbedre optagelsen evne. Spænding påvirke, EIS, CV, og neurale optagelser er komplementære.

Spænding fordomsfulde, cyklisk voltammetri, og Elektrisk Impedans Spektroskopi for Neural Interface

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

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Electrical Engineering

Neuroscience

Unit 1

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

Basics of Electric Circuits

SCIENTISTS IN ACTION

Presynaptic Dopamine Dynamics in Striatal Brain Slices with Fast-scan Cyclic Voltammetry

Præsynaptiske dopamin Dynamics i striatale Brain Skiver med Fast-scan Cycliske voltammetri

Extensive research has focused on the neurotransmitter dopamine because of its importance in the mechanism of action of drugs of abuse (e.g. cocaine and ...

Detection of Microregional Hypoxia in Mouse Cerebral Cortex by Two-photon Imaging of Endogenous NADH Fluorescence

Påvisning af Microregional Hypoxia i mus hjernebarken ved to-foton Imaging af endogent NADH Fluorescens

The brain's ability to function at high levels of metabolic demand depends on continuous oxygen supply through blood flow and tissue oxygen diffusion. ...

Reproducible Mouse Sciatic Nerve Crush and Subsequent Assessment of Regeneration by Whole Mount Muscle Analysis

Reproducerbar Mouse iskiasnerven Crush og efterfølgende vurdering af Regeneration af Whole Mount Muskel Analyse

Regeneration in the peripheral nervous system (PNS) is widely studied both for its relevance to human disease and to understand the robust regenerative ...

Isolation and Culture of Neural Crest Cells from Embryonic Murine Neural Tube

Isolering og dyrkning af neurale kamceller fra embryonale Murin Neural Tube

The embryonic neural crest (NC) is a multipotent progenitor population that originates at the dorsal aspect of the neural tube, undergoes an epithelial to ...

Laser Nanosurgery of Cerebellar Axons In Vivo

Laser Nanosurgery of Cerebellar Axons In Vivo

Laser nanosurgery af cerebellare Axoner<em&gt; In Vivo</em

Only a few neuronal populations in the central nervous system (CNS) of adult mammals show local regrowth upon dissection of their axon. In order to ...

Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation

Vurdering af neuromuskulære funktion Brug Perkutan elektrisk nervestimulation

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, ...

Imaging Membrane Potential with Two Types of Genetically Encoded Fluorescent Voltage Sensors

Imaging membranpotentialet med to typer af genetisk kodede Fluorescerende Spænding Sensorer

Genetically encoded voltage indicators (GEVIs) have improved to the point where they are beginning to be useful for in vivo recordings. While the ultimate ...

Modeling Fast-scan Cyclic Voltammetry Data from Electrically Stimulated Dopamine Neurotransmission Data Using QNsim1.0

Modellering Hurtig-scanning cyklisk voltammetri data fra elektrostimulerede data om dopaminneurotransmission ved hjælp af QNsim1.0

Central dopaminergic (DAergic) pathways have an important role in a wide range of functions, such as attention, motivation, and movement. Dopamine (DA) is ...

Electrophysiological Method for Whole-cell Voltage Clamp Recordings from Drosophila Photoreceptors

Electrophysiological Method for Whole-cell Voltage Clamp Recordings from Drosophila Photoreceptors

Elektrofysiologisk metode til hele celle spænding clamp optagelser fra<em&gt; Drosophila</em&gt; Photoreceptors

Whole-cell voltage clamp recordings from Drosophila melanogaster photoreceptors have revolutionized the field of invertebrate visual transduction, ...

Time-dependent Increase in the Network Response to the Stimulation of Neuronal Cell Cultures on Micro-electrode Arrays

Tidsafhængig stigning i netværksresponset til stimulering af neuronale cellekulturer på mikroelektrodearrayer

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network ...