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

Denna forskning stöds av National Institutes of Health (R03DC009339-02, NIDCD) och av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Microsystems Technology Office (MTO), under ledning av Dr Jack W. Judy (jack.judy @ darpa.mil) som en del av de pålitliga Neural Technology Program, genom Space and Naval Warfare Systems Command (SPAWAR) System Center (SSC) Pacific bidrag nr N66001-11-1-4013.

1. Ställ in Elektrokemi instrumentet <ol><li> Elektrokemi instrumentering såsom en Methrohm Autolab PGSTAT (Utrecht, Nederländerna) är nödvändig för EIS, CV och föryngring. Den FRA2 add-on möjliggör EIS, och kanalen multiplexer (MUX) add-on är användbar för att testa flera kanaler elektroder. </li><li> Bygg en huvudsteg adapter för att ansluta kanalen MUX till huvudsteg. </li><li> Gör anslutningarna. Anslut arbets-och avkänningselektroder till kanalen MUX, och anslut referens-och motelektroderna till den del av huvudsteg adaptern är ansluten till returkretsen, typiskt en implanterad rostfritt stål eller titan benskruv. </li></ol> 2. Elektrisk Impedans Spektroskopi <ol><li> Starta Frekvensomfång Analyzer (FRA) mjukvara och kontrollera inställningarna Procedur fil. Förfarandet bör sättas för att testa två multi-sine vågformer vardera bestående av 15 Sines samtidigt från 10 Hz till 30kHz. Den pålagda spänningen ska vara 25 mV eller lägre (se kompletterande metoder). </li><li> Öppna och redigera Project-fil. Projektet använder förfarandet filen loopar igenom varje kanal, och sparar resultatet (se kompletterande metoder). </li><li> Anslut djurpatient med ett passivt (inga förstärkare) huvudsteg. Aktiva headstages kommer inte att vidarebefordra insignaler. </li><li> Kör Project-fil. Varje kanal tar tiotals sekunder beroende på inställningar. </li><li> Visa och tolka resultat. Analysera de filer utgående text med MATLAB (Natick, MA), och gör en Nyquist tomt. En halvcirkel vid högre frekvenser indikerar en vävnadssvar. </li></ol> 3. Cyklisk voltametri <ol><li> Starta General Purpose Elektrokemi System (GPES) mjukvara och kontrollera inställningarna Procedur fil. Förfarandet ska vara inställd på sopa spänningen vid 50 mV / s inom ramen för hydrolys som är mellan 0,8 och -0,6 V för typiska neurala elektrodmaterial (Pt,Ir, IrOx). Åtminstone tre avsökningar bör köras för att systemet skall nå jämvikt. Resultaten från den slutliga skanningen sparas (se kompletterande metoder). Skanningen kan ökas till 1 V / s för att minska mättid, men kommer formen på IV kurvan sannolikt förändras om avsökningshastighet är snabbare än de reaktioner laddningsöverföringar inträffar vid elektrod-vävnad. </li><li> Öppna och redigera Project-fil. Projektet använder förfarandet filen loopar igenom varje kanal, och sparar resultatet (se kompletterande metoder). </li><li> Anslut djurpatient med en passiv huvudsteg. </li><li> Kör Project-fil. Varje kanal tar ungefär tre minuter beroende på inställningar. Öka avsökningshastighet till 1 V / s minskar mättiden till ca tio sekunder per kanal. </li><li> Visa och tolka resultat. Analysera de filer utgående text med MATLAB och plotta IV relationen. Den laddningsbärande förmåga kvantifieras genom integrering av areanav katodströmmen i CV. </li></ol> 4. Föryngring <ol><li> Starta General Purpose Elektrokemi System (GPES) mjukvara och kontrollera inställningarna Procedur fil. Med hjälp av stegen och sveper metod, bör förfarandet ställas till steg spänningen till 1,5 V under en tid av 4 sekunder (se kompletterande metoder). </li><li> Öppna och redigera Project-fil. Projektet använder förfarandet filen loopar igenom varje kanal, och sparar resultatet (se kompletterande metoder). </li><li> Anslut djurpatient med en passiv huvudsteg. </li><li> Kör Project-fil. Varje kanal tar ungefär tio sekunder. 4,5) Samla miljökonsekvensbeskrivningen och CV data och tolka resultat. </li></ol> 5. Representativa resultat Ett typiskt arbetsflöde, inklusive inspelningar, EIS, CV och föryngring, visas i figur 1. Inspelningar och EIS samlas oftast (dagligen eller varje vecka) i alla kanaler, medan CV ochföryngring kan användas om tillsatta verksamheten inte längre är detekterbar. EIS förändringar under loppet av dagar till veckor efter en elektrod är implanterad. När MKB data visas som en Nyquist tomt, en halvcirkel vid högre frekvenser (nära origo) är ett tecken på vävnaden svar vid elektroden platsen (figur 2). CV alstrar en ström-spännings-(IV) kurva som visar några hysteres. Den mest relevanta CV statistik är avgiften bärkraft, området innanför IV kurvan normaliseras genom elektroden områdets yta (Fig. 3 a). Elektroder med stor laddningskapacitet är att föredra för mikro-stimulering. Under föryngring en spänningspuls tillämpas som vanligtvis resulterar i ökad laddningskapacitet och minskad impedans storheter (figur 3a &amp; b). Tillsatta kan också återställas i kanaler som tidigare haft spikar (figur 4a). Även föryngring har bara kortsiktiga effekter på impedans och signal-till-noise-förhållande (SNR), kan denna teknik appliceras dagligen. Figur 4b &amp; c visar dagligen före och efter föryngring 1 kHz impedans storlek och SNR data för ett 16 kanals uppsättning implanteras i marsvin cortex. Föryngring har en robust effekt på att sänka den 1 storleken kHz impedans med en storleksordning efter varje applikation. Som ett resultat av återvunna signaler och lägre impedans ökar SNR efter varje föryngring session. I slutändan var alla signaler förlorade efter 160 dagar efter implantation och föryngring inte längre var effektiv. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig1.jpg" alt="Figur 1" /> Figur 1. MKB mäts efter varje inspelning. Om inga spikar registreras på en kanal som tidigare haft spikar och EIS visar en stor vävnad komponent som har ökat över tid, då CV och föryngring prövas på denna kanal. EIS och inspelningar används sedan för att avgöra om behandlingen var framgångsrik. Figur 2. EIS data som visas i en Nyquist-diagram av en elektrod-ställe omedelbart efter implantation (blå) och 4 månader senare (grönt). Varje punkt på Nyquist-diagram representerar den reala och imaginära impedans vid en enda frekvens. En partiell halvcirkel på grund av vävnaden runt området är uppenbar vid högre frekvenser. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig3.jpg" alt="Figur 3" /> Figur 3. CV och EIS förändringar en implanterad iridiumoxid elektrod före och efter-föryngring. (A) föryngring ökar området av IV kurvan motsvarar en ökad kostnad bärförmåga. (B) En betydande förändring i impedansen specra till lägre impedans nivåer i allmänhet observeras efter föryngring. <img src="/files/ftp_upload/3566/3566fig4.jpg" alt="Figur 4" /> Figur 4. Effects av spänning förspänning på inspelningar och impedans. (A) före och efter föryngring inspelningar visar spikar kan återvinnas på kanaler som tidigare hade varit tyst. Daglig före och efter föryngring resulterar i en robust (B) minskade 1 kHz impedans storlek och (C) ökning i SNR för cirka 150 dagar efter operationen. Errorbars representerar standardfel från data som samlats in från ett 16-kanals uppsättning implanteras 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>

Inga intressekonflikter deklareras.

Neurala inspelning protetiska system uppvisar en begränsad funktionell livstid som inspelningen anlagen minskar med tiden efter implantation. Den sannolika bidraget till att minska prestanda är den reaktiva vävnaden på den implanterade enheten som en kompakt glia mantel funktionellt isolerar det främmande föremålet från frisk vävnad 1. Tillsammans med neural inspelning är elektrokemiska mätningar (EIS och CV) som normalt används för longitudinell övervakning av elektrod-vävnaden gränssnittet 2,3. EIS är praktiskt användbar vid bedömningen av inspelningen anlagen av gränssnittet. Impedansen ökar snabbt med tiden efter implantation antyder den reaktiva vävnadssvaret förändrar de elektriska egenskaperna hos gränsytan 3. Dessutom kan EIS data användas för att modellera den cellulära sammansättningen i anslutning till den implanterade elektroden 3-5. Cyklisk voltammetri kan användas för att ytterligare undersöka förändringar i inspelningar och EIS. Den elekode material och grovhet och de elektrokemiska reaktionerna och den omgivande vävnaden påverka formen av IV-kurvan. Stor laddning bärförmåga, bestämdes från det område av IV kurvan, är vanligtvis föredraget, speciellt för elektrisk mikro-stimulering. Låg laddningskapacitet är ofta förknippat med ökad EIS. Potentialen tillämpas under CV kan själv förändra laddningskapacitet och EIS, särskilt om spänningen är stort nog att köra redoxreaktioner. Tillämpningen av spänning förspännande eller föryngring, kan användas i syfte att öka laddningen bärkraft, minskar impedans, och öka antalet kanaler med inspelade spikar 5. Oxidation är sannolikt inträffar vid elektroden gränssnittet under föryngring och med iridium material bildar en vattenhaltig oxid monolager vid anodiska potentialer 1,2 V 6. Det har föreslagits att bildandet av denna cellslager kan ta cell-och acellular material ansluten till elektroden resulterar i lägre impedans vid gränsytan 5. Även föryngring kan återställa förlorade neurala signaler, är det mest effektiva om de används på kanaler som tidigare hade spikar inom några dagar tidigare. Inspelningar, EIS, CV och föryngring kan bäst användas som kompletterande verktyg i övervakningen neurala gränssnitt och förbättra den långsiktiga funktionen hos implanterade enheter.

<table border="1"><tbody><tr><td> Utrustning </td><td> Företaget </td><td> Katalognummer </td><td> Kommentarer </td></tr><tr><td> Elektrokemi instrumentet </td><td> Metrohm Autolab </td><td> PGSTAT128N </td><td> tillägg: FRA2, kanal MUX </td></tr><tr><td> Passiv huvudsteg </td><td> Tucker-Davis Technologies </td><td></td><td> Modellen är beroende av kontakt och kanal, </td></tr><tr><td> 26-pin honkontakt </td><td> AMP </td><td> 5.749.069-2 </td><td> Huvudsteg adapter eller ersättning lämplig kontakt för din huvudsteg </td></tr><tr><td> Banana Jacks </td><td> Digikey </td><td> J151-ND </td><td> Huvudsteg Adapter Autolab kanalen MUX har banankontakter </td></tr></tbody></table>

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

Elektriska impedansen spektroskopi (EIS) och cyklisk voltametri (CV) mäter egenskaperna hos elektrod-vävnadsgränssnittet utan ytterligare invasiva procedurer, och kan användas för att övervaka elektrodens prestanda på lång sikt. EIS mäter elektriska impedansen på flera frekvenser, och ökar i impedans indikerar ökat glial ärrbildning runt enheten, medan cyklisk voltammetri mäter laddningen bärförmåga elektroden och anger hur laddning överförs på olika spänningsnivåer. Som implanterade elektroder ålder, miljökonsekvensbeskrivning och CV uppgifter förändring och webbplatser elektrod som tidigare spelats in standardtillsatser nervceller uppvisar ofta betydligt lägre effekt för neural inspelning. Tillämpningen av en kort spänningspuls till implanterade elektroder arrayer, så kallade föryngring, kan få tillbaka tillsatta aktiviteten i övrigt tysta elektrodställena för en tid. Föryngring förändrar EIS och CV, och kan följas med dessa kompletterande metoder. Normalt är EIS mäts dagligen som en indikation på vävnaden svar vid elektroden platsen. Om spikar är frånvarande i en kanal som tidigare haft spikar, så CV används för att bestämma avgiften bärförmåga elektroden webbplatsen och föryngring kan tillämpas för att förbättra gränssnittet effekt. CV och EIS sedan upprepas för att kontrollera förändringar på elektrod-vävnaden gränssnitt och neurala inspelningar samlas. Det övergripande målet för föryngring är att utvidga den funktionella livslängden av implanterade matriser.

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

Den elektrod-vävnadsgränssnittet av neurala registrerande elektroder kan karakteriseras med elektrisk impedans spektroskopi (EIS) och cyklisk voltametri (CV). Anbringandet av en spänning förspänna förändringar de elektrokemiska egenskaperna hos elektrod-vävnadsgränssnittet och kan förbättra inspelningskapacitet. Spänning förspänning, EIS, CV, och neurala inspelningar kompletterar varandra.

Spänning polarisering cyklisk voltammetri, &amp; Electrical Impedance spektroskopi för neurala gränssnitt

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

Presynaptisk dopamin Dynamics i striatum hjärnan skivor med Fast-scan Cykliska Voltammetry

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

Detektion av Microregional hypoxi i mus Cerebral Cortex med två-foton Imaging av endogen 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 ischiasnerv krossa och påföljande bedömningen av Regeneration av Whole Mount Muscle Analys

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 och odling av neurallistceller från embryonala Murine 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

Lasernanosurgery av Cerebellar 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

Bedömning av neuromuskulära funktionen Använda perkutan elektrisk nervstimulering

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 membranpotential med två typer av genetiskt kodade fluorescerande Spänningssensorer

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 Snabbsök cyklisk voltammetrydata från elektriskt stimulerade data om dopaminöverföring via 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 metod för helcells spänningskläminspelningar från<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

Tidsberoende ökning av nätverkssvaret till stimulering av neuronala cellkulturer på mikroelektroder

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