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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この研究は国立衛生研究所（R03DC009339-02、NIDCD）でと米国防総省の国防高等研究計画庁（DARPA）と博士はジャック·W·ジュディの後援の下にマイクロシステム技術局（MTO）、（によってサポートされていましたjack.judy @宇宙海軍戦システムコマンド（SPAWAR）システムセンター（SSC）パシフィック助成番号N66001-11-1から4013を介して信頼性の高いニューラル技術プログラムの一環としてdarpa.mil）。

1。電気化学測定器を設定します。 <ol><li>そのようなMethrohm AUTOLAB PGSTAT（ユトレヒト、NL）のような電気化学計測は、EIS、CVと若返りのために必要です。アドオンFRA2は、EISを可能にし、チャネル·マルチプレクサ（MUX）アドオンは、マルチチャネル電極をテストするのに便利です。 </li><li>ステージへのMUXチャネルを接続するためのヘッドアダプタを構築します。 </li><li>接続を行います。イオン注入ステンレス鋼またはチタンの骨ネジをMUXチャネルに働き、検知電極を接続し、通常、電流リターン·パスに接続されているヘッドアダプターの一部への参照と対向電極を接続します。 </li></ol> 2。電気インピーダンス分光法<ol><li>周波数応答アナライザ（FRA）ソフトウェアを起動し、プロシージャファイルの設定を確認します。手順は、同時に10 Hzから30までの各15正弦波から成る2マルチ正弦波形をテストするために設定する必要がありますkHzです。印加電圧は25 mV以上（補助メソッドを参照してください）​​以下でなければなりません。 </li><li>プロジェクトファイルを開いて編集します。プロジェクトでは、プロシージャファイルを使用して各チャンネルをループし、結果を保存します（補助メソッドを参照してください）​​。 </li><li>パッシブ（アンプなし）ステージで動物の件名を接続します。アクティブなヘッドステージは入力信号を渡しません。 </li><li>プロジェクトファイルを実行します。各チャネルは、設定に応じて数十秒かかります。 </li><li>結果を表示し、解釈します。 MATLAB（ボストン、マサチューセッツ州）で、出力テキスト·ファイルを解析し、ナイキストプロットを作る。高い周波数で半円は、組織の応答を示しています。 </li></ol> 3。サイクリックボルタンメトリー<ol><li>汎用電気化学システム（GPES）ソフトウェアを起動し、プロシージャファイルの設定を確認します。手順は、典型的な神経電極材料（Ptのための0.8の間で-0.6 Vである加水分解の範囲内で50mV / sで電圧を掃引するように設定する必要がありますIR、IROX）。少なくとも3つのスキャンは、平衡に到達するシステムのために実行する必要があります。最後のスキャンからの結果は（補助メソッドを参照してください）​​に保存されます。スキャン速度は、測定時間を短縮するために、1 V / sに増加することができ、スキャン速度は、電極 - 組織界面で発生する電荷移動反応よりも高速である場合は、IV曲線の形状が変わる可能性があります。 </li><li>プロジェクトファイルを開いて編集します。プロジェクトでは、プロシージャファイルを使用して各チャンネルをループし、結果を保存します（補助メソッドを参照してください）​​。 </li><li>受動的なステージで動物の件名を接続します。 </li><li>プロジェクトファイルを実行します。各チャネルは、設定に応じて約3分かかります。 1 V / sのスキャン速度を増加させると、チャネルあたり約10秒の測定時間を短縮します。 </li><li>結果を表示し、解釈します。 MATLABで出力テキストフ​​ァイルを解析して、IVの関係をプロットします。容量を運ぶ電荷が領域を統合することによって定量化されCV内のカソード電流の。 </li></ol> 4。若返り<ol><li>汎用電気化学システム（GPES）ソフトウェアを起動し、プロシージャファイルの設定を確認します。ステップとスイープメソッドを使用して、手順は4秒（補助メソッドを参照してください）​​の期間中に1.5 Vの電圧をステップに設定する必要があります。 </li><li>プロジェクトファイルを開いて編集します。プロジェクトでは、プロシージャファイルを使用して各チャンネルをループし、結果を保存します（補助メソッドを参照してください）​​。 </li><li>受動的なステージで動物の件名を接続します。 </li><li>プロジェクトファイルを実行します。各チャネルは、約10秒かかります。 4.5）EISとCVデータを収集し、結果を解釈します。 </li></ol> 5。代表的な結果録音、EIS、CVと若返りを含む典型的なワークフローは、図1に示されています。レコーディングやEISはしばらくCV、すべてのチャネルにまたがって（毎日または毎週）最も頻繁に収集され、スパイク活動が検出されなくなった場合若返りを使用することができます。 電極が移植された後、数日から数週間の経過とともにEISに変更されます。 EISデータはナイキストプロットとして表示されている場合、より高い周波数（原点付近）の半円は、電極部位（図2）における組織反応の指標である。 CVは、いくつかのヒステリシスを示す電流 - 電圧（IV）曲線を生成します。最も関連性の高いCV統計量が容量を運ぶ電荷である（図3）電極の敷地面積で規格化されたIV曲線の内側の領域。大充電容量の電極はマイクロ刺激のために好ましい。 若返りの間に電圧パルスは、通常、増加した充電容量の結果とは、インピーダンスの大きさ（図3A＆b）に減少したことが適用されます。スパイクは、以前はスパイク（図4a）を有していたチャンネルに復元することができます。若返りは、インピーダンスおよび信号対なしの唯一の短期的な影響がありますが伊勢比（SNR）が、このテクニックは毎日適用することができます。図4b＆Cはモルモット大脳皮質に移植された16チャネルアレイの毎日のプリ·ポスト若返り、1 kHzのインピーダンスの大きさとSNRのデータを示しています。若返りは、各アプリケーションの後に大きさの順で1 kHzのインピーダンスの大きさを下げる上で堅牢な効果があります。回復した信号と、インピーダンスの低い結果として、SNRは各若返りのセッションの後に増加します。最終的に、すべての信号は、160日間注入後、活性化は、もはや有効でなかった後に失われました。 <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig1.jpg" alt="図1" /> 図1。EISは、それぞれのレコーディング·セッションの後に測定されています。ないスパイクが以前にスパイクを持っていたチャンネルに記録されず、EISは時間の経過とともに増加している大規模な組織のコンポーネントを示している場合は、CVと若返りは、このチャネル上で試行されます。 EISとの音声ファイルはその後、治療が成功したかどうかを判断するために使用されています。 図2：EISのデータはすぐに移植後の電極部位のナイキストプロット（青）で表示され、4ヵ月後に（緑）。ナイキストプロット上の各点は、単一周波数での実部と虚部のインピーダンスを表しています。サイト周辺組織に起因する部分的な半円は、より高い周波数では明らかである。 <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig3.jpg" alt="図3" /> 移植イリジウム酸化物電極の事前と事後若返りの図3 CVおよびEIS変更されます。 （A）リジュビネーションは、容量を持って増加した電荷に対応するIV曲線の面積を増加させます。 （B）低インピーダンスレベルにインピーダンスspecraに大きな変化は、一般的に若返りした後に観察される。 <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig4.jpg" alt="図4" /> 図4。EFFEレコーディングやインピーダンスにバイアス電圧のCTS。 （A）プレおよびポスト若返りの記録は、スパイクが以前に黙っていたチャンネルで回復することができますを示しています。 1 kHzのインピーダンスの大きさと手術後約150日のSNRにおける（C）の増加で堅牢な（B）のドロップ毎日のプリ·ポスト若返りの結果。エラーバーは、モルモット大脳皮質に移植された16チャネルアレイから収集したデータからの標準エラーを表します。

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	<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>

利害の衝突が宣言されません。

ニューラル記録人工システムでは、録音機能などの限られた機能的な寿命は時間の移植後で減少が表示されます。コンパクトグリアシースは、機能、健康な組織1から異物を分離し、パフォーマンスを損なうことへの可能性が高い要因は、移植デバイスへの反応組織の応答です。神経記録と共に、電気化学的測定（EISとCV）は、通常、電極組織のインタフェース2,3の長手方向の監視に使用されています。 EISは、インターフェイスの記録機能を評価する上で実質的に有用である。インピーダンスはすぐに反応性組織反応インタフェース3の電気的特性を変化させることを示唆時間後注入で増加します。さらに、EISのデータは、埋め込 ​​み電極3から5に隣接する細胞の構成をモデル化するために使用することができます。サイクリックボルタンメトリーは、さらにレコーディングやEISの変化を調査するために使用することができます。あるelectrodeの材料と粗さと同様に電気化学反応と周囲の組織は、IVカーブの形状に影響を与えます。 IV曲線の面積から決定能力を運ぶ大きな電荷は、特に電気マイクロ刺激のために、通常は好ましい。低充電容量は、しばしば増加EISに関連付けられています。 CVの間に印加される電位は、電圧範囲が酸化還元反応を駆動するのに十分な大きさである場合は特に、充電容量と、EIS自体を変更することがあります。 バイアス電圧のアプリケーション、または若返りは、インピーダンスを減少させ、記録されたスパイク5の番号のチャンネルを増やし、能力を持って増加する電荷の目的で使用することができます。酸化可能性が高い若返りの間に電極界面で発生しており、イリジウム材で、水和酸化物の単分子層は、1.2 V 6の陽極電位で形成されます。これは、この単分子膜の形成が削除されることが示唆されている携帯電話やacellular材料は、インタフェース5のインピーダンスが低く、その結果電極に接続されている。若返りが失われた神経信号を回復することができますが、以前に前の数日以内にスパイクを持っていたチャンネル上で使用する場合、それは最も効果的です。録音は、EIS、CV、そして若返りが最も神経インターフェースを監視し、移植デバイスの長期的な機能性を向上させる補完的なツールとして使用することができます。

<table border="1"><tbody><tr><td> 機器 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td><td> コメント </td></tr><tr><td>電気楽器</td><td> Metrohm AUTOLAB </td><td> PGSTAT128N </td><td>アドオン：FRA2、MUXチャネル</td></tr><tr><td>受動的なヘッドステージ</td><td>タッカーデービステクノロジーズ</td><td></td><td>モデルは、コネクタとチャンネル数に依存</td></tr><tr><td> 26ピンメスコネクタ</td><td> AMP </td><td> 5749069から2 </td><td>ヘッドステージアダプタまたはステージの代わりに適切なコネクタ</td></tr><tr><td>バナナジャック</td><td>閲覧</td><td> J151-ND </td><td> MUXヘッドアダプタAUTOLABチャネルは、バナナプラグを持っている</td></tr></tbody></table>

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

電気インピーダンス分光（EIS）と電極 - 組織インタフェースのサイクリックボルタンメトリー（CV）測定のプロパティの追加の侵襲的処置なしで、長期的に電極性能を監視するために使用することができます。 EISは、複数の周波数で電気インピーダンスを測定し、サイクリックボルタンメトリーは電極の容量を運ぶ電荷を測定し、電荷が異なる電圧レベルで転送される方法を示しながら、インピーダンスの増加は、デバイスの周囲に増加グリア瘢痕形成を示しています。移植された電極の年齢、EISとCVデータの変更、以前スパイキングニューロンを記録した電極部位としてしばしば神経記録著しく低いの有効性を示す。若返りとして知られている埋め込み電極アレイを簡単に電圧パルスのアプリケーションは、一定の期間以外のサイレント電極サイト上の活動をスパイク戻すことができます。若返りは、EISとCVを変更し、これらの補完的な方法で監視することができます。通常、EISは、電極部位の組織反応の指標として毎日測定されています。スパイクは、以前のスパイクを持っていたチャンネルには存在しない場合は、CVは電極部位の容量を運ぶ電荷を決定するために使用されており、若返りは、インタフェースの有効性を向上させるために適用することができます。 CVおよびEISは、その後電極 - 組織界面での変更を確認するために繰り返され、ニューラル記録が収集されます。若返りの全体的な目標は、移植配列の機能的な寿命を拡張することです。

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

神経記録電極の電極 - 組織のインターフェイスは、電気インピーダンス分光（EIS）とサイクリックボルタンメトリー（CV）で特徴づけることができる。電圧の印加は、変更の電極 - 組織界面の電気化学的特性をバイアスと録音機能を向上させることができます。バイアス電圧は、EIS、CV、および神経録音は相補的である。

ニューラルインタフェースの電圧バイアス、サイクリックボルタンメトリー、＆電気インピーダンス分光法

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

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