Name: a method for systematic electrochemical and electrophysiological evaluation of neural recording electrodes
Uploaded: 2014-03-03T22:15:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Method for Systematic Electrochemical and Electrophysiological Evaluation of Neural Recording Electrodes at JoVE.com

Forfatterne anerkender støtten fra Australian Research Council gennem Centre of Excellence for Electromaterials Science.

Protokollen er blevet godkendt af La Trobe University (09-28P) og RMIT University dyreetik udvalg (1315). 1.. Elektrode Forberedelse og Indledende in vitro Test <ol><li> Forbered elektrodeovertrækning deposition løsninger, for eksempel 10 mM 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) og 0,1 M natrium-para-toluensulfonat (Na 2 patienter) til dannelse af poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene-PTS (PEDOT-PTS). </li><li> Forbind elektrode array til en potentiostat. </li><li> Pl...

<ol>
	<li>Oluigbo, C. O., Rezai, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Addressing+Neurological+Disorders+With+Neuromodulation.">Addressing Neurological Disorders With Neuromodulation.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 58, 1907-1917 (2011).</li><li>Shivdasani, M. N., Mauger, S. J., Rathbone, G. D., Paolini, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inferior+Colliculus+Responses+to+Multichannel+Microstimulation+of+the+Ventral+Cochlear+Nucleus:+Implications+for+Auditory+Brain+Stem+Implants.">Inferior Colliculus Responses to Multichannel Microstimulation of the Ventral Cochlear Nucleus: Implications for Auditory Brain Stem Implants.</a> J. Neurophysiol. 99, 1-13 (2008).</li><li>Perlmutter, J. S., Mink, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+Brain+Stimulation.">Deep Brain Stimulation.</a> Ann. Rev. Neurosci. 29, 229 (2006).</li><li>Weaver, F. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bilateral+Deep+Brain+Stimulation+vs+Best+Medical+Therapy+for+Patients+With+Advanced+Parkinson+Disease.">Bilateral Deep Brain Stimulation vs Best Medical Therapy for Patients With Advanced Parkinson Disease.</a> J. Am. Med. Assoc. 301, 63-73 (2009).</li><li>Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuronal+cell+loss+accompanies+the+brain+tissue+response+to+chronically+implanted+silicon+microelectrode+arrays.">Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays.</a> Exp. Neurol. 195, 115-126 (2005).</li><li>McConnell, G. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implanted+neural+electrodes+cause+chronic,+local+inflammation+that+is+correlated+with+local+neurodegeneration.">Implanted neural electrodes cause chronic, local inflammation that is correlated with local neurodegeneration.</a> J. Neural Eng. 6, (2009).</li><li>Liu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stability+of+the+interface+between+neural+tissue+and+chronically+implanted+intracortical+microelectrodes.">Stability of the interface between neural tissue and chronically implanted intracortical microelectrodes.</a> IEEE Trans. Rehab. Eng. 7, 315-326 (1999).</li><li>Rousche, P. J., Normann, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+recording+capability+of+the+Utah+Intracortical+Electrode+Array+in+cat+sensory+cortex.">Chronic recording capability of the Utah Intracortical Electrode Array in cat sensory cortex.</a> J. Neurosci. Methods. 82, 1-15 (1998).</li><li>Williams, J. C., Rennaker, R. L., 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=Long-term+neural+recording+characteristics+of+wire+microelectrode+arrays+implanted+in+cerebral+cortex.">Long-term neural recording characteristics of wire microelectrode arrays implanted in cerebral cortex.</a> Brain Res. Protoc. 4, 303-313 (1999).</li><li>Harris, A. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conducting+polymer+coated+neural+recording+electrodes.">Conducting polymer coated neural recording electrodes.</a> J. Neural Eng. 10, (2013).</li><li>Bard, A. J., Faulkner, L. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electrochemical Methods. , (2001).</li><li>Ludwig, K. A., Uram, J. D., Yang, J., Martin, D. C., 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+recordings+using+silicon+microelectrode+arrays+electrochemically+deposited+with+a+poly(3,4-ethylenedioxythiophene)+(PEDOT)+film.">Chronic neural recordings using silicon microelectrode arrays electrochemically deposited with a poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) film.</a> J. Neural Eng. 3, 59 (2006).</li></ol>

Denne protokol giver en metode til at sammenligne neurale optagelse elektrode belægninger inden for et dyr. Elektroden design anvendes, er ideel til implantering i en rotte ringere colliculus (IC), med dimensioner på et lignende omfang. Variationer af denne elektrode, såsom mere plads mellem skafterne ville forhindre alle skafter være i rotte-IC på samme tid, mens længere skafter og en større afstanden mellem elektroder øger risikoen for, at skaft tips vil komme i kontakt med bunden af ​​kraniet under indfø...

Neurale implantater bliver brugt mere og mere til forskning, kontrol proteser og behandling af lidelser, såsom Parkinsons sygdom, epilepsi, og sensorisk tab 1,2. Måling og / eller styring af både kemiske og elektriske sammensætning af hjernen er grundlaget for alle neurale implantater. Det er imidlertid vigtigt at administrere en behandling, når neuralt væv er i afvigende tilstand for at reducere bivirkninger 3. For eksempel bør Deep brain stimulatorer til behandling af epilepsi kun anvende en elektrisk impuls til hjernen under et anfald. Nogle bivirkninger kan være dystoni, hukommelsestab, desorientering, nedsat kognitiv funktion, inducerede hallucinationer, depression eller anti-depression 3,4. I mange enheder, er derfor nødvendigt et lukket kredsløb til at registrere elektrisk aktivitet og til at udløse stimulation, når der registreres en unormal tilstand. Optagelse elektroder også bruges til at styre prosthetic enheder. Det er vigtigt at registrere målet neurale aktivitet med den højest mulige signal-støj-forhold for at opnå den mest nøjagtige udløsning og udstyr kontrol. Et stort signal-til-støj-forholdet er også meget ønskeligt, at forskning applikationer, som mere pålidelige data kan opnås, hvilket resulterer i færre krævede forsøgspersoner. Det vil også give en større forståelse af de mekanismer og veje er involveret i neural stimulation og optagelse. Efter et neuralt implantatet er blevet placeret i hjernen, er et immunrespons udløst 5,6. Tidsforløbet af reaktionen er generelt opdelt i akutte og kroniske faser, hver bestående af forskellige biologiske processer 7. Det immunrespons kan have dramatiske konsekvenser for udførelsen af implantatet, såsom isolering af elektroderne fra målet neuroner ved indkapsling i en glial ar eller kemisk nedbrydning af implantat materialer 8.Dette kan reducere signal-til-støj-forholdet for en elektrode og udgangseffekten fra en stimulerende elektrode og bly til elektrode svigt 9. Omhyggeligt valg af implantat design og materialer er nødvendige for at forhindre svigt over implantatet levetid. Mange forskellige materialer og implantat designs er blevet udviklet for nylig for at forbedre signal-til-støj-forhold og implantat stabilitet for neurale optagelse. Elektrode materialer har inkluderet platin, iridium, wolfram, iridiumoxid, tantal oxid, graphene, kulstof-nanorør, doteret ledende polymerer, og mere for nylig hydrogeler. Substrat afprøvede materialer omfatter også silicium, siliciumoxid, siliciumnitrid, silke, Teflon, polyimid og silikone. Forskellige elektrode ændringer er også blevet undersøgt ved hjælp af belægninger såsom laminin, neurotrophins, eller selvstændige samlet monolag og behandlinger ved hjælp af elektrokemiske, plasma og optiske teknikker. Implant designs kan være 1 -, 2 - eller 3-dimensionelle med elektroderne generelt ved spidsen af ​​et isolerende probe eller langs kanten af ​​et skaft til penetrering elektroder eller i en 2-dimensional array til cortex overflade implantater. Uanset elektrode design eller materiale, der er tidligere litteratur typisk demonstreret udførelsen af ​​nyt implantat uden henvisning til andre implantat konstruktioner. Dette forhindrer en systematisk evaluering af deres egenskaber. Denne protokol giver en metode til at sammenligne forskellige elektrode materialer via en række analytiske og elektrofysiologiske teknikker. Den er baseret på en nyligt offentliggjort artikel, der sammenlignet 4 forskellige doteret ledende polymer belægninger (polypyrrol (PpY) og poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT), doteret med sulfat (SO 4) eller para-toluen-sulfonat (PTS)) og 4 forskellige coatingtykkelser 10. Denne artikel fundet et materiale, PEDOT-PTS med en 45 sek deposition tid,havde den højeste signal-støjforhold og spike tælle med den mindste baggrundsstøj og at disse parametre var afhængige elektrode impedans. PEDOT-PTS vises også overlegen akut biostabilitet sammenlignet med de andre dopede ledende polymerer og nøgne iridium elektroder. Protokollen tillader de kritiske parametre styrer signal-til-støj-forhold og stabilitet skal bestemmes og anvendes til yderligere at forbedre ydeevnen af ​​neurale optagelse elektroder.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1217">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Programmable Attenuator</td>
			<td style="width:195px;">TDT</td>
			<td style="width:179px;">PA5</td>
			<td style="width:600px;">Controls the amplitude of the acoustic signal across frequencies</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Electrostatic speaker driver</td>
			<td style="width:195px;">TDT</td>
			<td style="width:179px;">ED1</td>
			<td>Drives the electrostatic speakers (EC1)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Coupled electrostatic speaker</td>
			<td style="width:195px;">TDT</td>
			<td style="width:179px;">EC1</td>
			<td>Delivers sound to the animal</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Processing base station</td>
			<td style="width:195px;">TDT</td>
			<td style="width:179px;">RZ2</td>
			<td>Records neural activity from electrode array (using PZ2 preamplifier)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Preamplifier</td>
			<td style="width:195px;">TDT</td>
			<td style="width:179px;">PZ2-256</td>
			<td>256-channel high impedance preamplifier</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Multifunction Processor</td>
			<td style="width:195px;">TDT</td>
			<td style="width:179px;">RX6</td>
			<td>Used to generate acoustic stimuli</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:244px;">Multichannel electrode</td>
			<td style="width:195px;">NeuroNexus Technologies</td>
			<td style="width:179px;">A4 &#215; 8&#8211;5mm-200-200-413</td>
			<td>4-shank 32-channel electrode array</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Potentiostat</td>
			<td style="width:195px;">CH Instruments</td>
			<td style="width:179px;">CHI660B</td>
			<td>Deposits electrode coatings and performs cyclic voltammetry and EIS (used with CHI684)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Multiplexer</td>
			<td style="width:195px;">CH Instruments</td>
			<td style="width:179px;">CHI684</td>
			<td>Switches between electrodes on the potentiostat</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">di-sodium phosphate</td>
			<td style="width:195px;">Fluka</td>
			<td style="width:179px;">71644</td>
			<td>Used in the test solution</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:244px;">3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT)</td>
			<td style="width:195px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:179px;">483028</td>
			<td>An electrode coating material</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:244px;">para-toluene sulfonate (Na2pTS)</td>
			<td style="width:195px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:179px;">152536</td>
			<td>An electrode coating material</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Urethane</td>
			<td style="width:195px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:179px;">U2500</td>
			<td>Used to anaesthetise the animal</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Silver/Silver chloride electrode</td>
			<td style="width:195px;">CH Instruments</td>
			<td style="width:179px;">CHI111</td>
			<td>Used for testing the electrode in vitro</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Platinum electrode</td>
			<td style="width:195px;">CH Instruments</td>
			<td style="width:179px;">MW4130</td>
			<td>Used for testing the electrode in vitro</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Motorized microdrive</td>
			<td style="width:195px;">Sutter Instruments</td>
			<td style="width:179px;">DR1000</td>
			<td>To control the electrode array position during surgery</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Enzymatic cleaner</td>
			<td style="width:195px;">Advanced Medical Optics</td>
			<td style="width:179px;">Ultrazyme</td>
			<td>Cleans the protein off the electrode array after implantation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Acoustic enclosure</td>
			<td style="width:195px;">TMC Ametek</td>
			<td style="width:179px;">83-501</td>
			<td>Isolates the animal from acoustic and electrical noise</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Stereotaxic frame</td>
			<td style="width:195px;">David Kopf Instruments</td>
			<td style="width:179px;">1430</td>
			<td>Secures and positions the animal</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Temperature controller</td>
			<td style="width:195px;">World Precision Instruments</td>
			<td style="width:179px;">ATC1000</td>
			<td>Controls the animal temperature</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Bone drill</td>
			<td style="width:195px;">KaVo Dental</td>
			<td style="width:179px;">K5Plus</td>
			<td>Used to perform the craniectomy</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:244px;">Aspirator</td>
			<td style="width:195px;">Flaem</td>
			<td style="width:179px;">Suction pro</td>
			<td>Used to perform the craniectomy</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a method for systematic electrochemical and electrophysiological evaluation of neural recording electrodes

Nye materialer og design til neurale implantater testes typisk separat, med en demonstration af ydeevne, men uden henvisning til andre implantat egenskaber. Dette udelukker en rationel udvælgelse af en bestemt implantat være optimal for en bestemt anvendelse og udvikling af nye materialer baseret på de mest kritiske måleparametre. Denne artikel udvikler en protokol for in vitro og in vivo-testning af neurale optagelse elektroder. Anbefalede parametre for elektrokemisk og elektrofysiologiske tests dokumenteres med de vigtigste skridt og potentielle emner, der drøftes. Denne metode eliminerer eller reducerer effekten af mange systematiske fejl til stede i enklere in vivo-test paradigmer, især variationer i elektrode / neuron distance og mellem dyremodeller. Resultatet er en stærk korrelation mellem den kritiske in vitro og in vivo reaktioner, såsom impedans og signal-til-støj-forhold. Denne protokol kan nemt tilpasses til at teste anden elektrode materialer og design. In vitro-teknikker kan udvides til enhver anden ikke-destruktiv fremgangsmåde til at bestemme yderligere vigtige indikatorer. Principperne, der anvendes til kirurgiske metode i den auditive vej kan også ændres til andre neurale områder eller væv.

En typisk elektrode-array, der anvendes til denne eksperimentelle protokol er vist i figur 1.. Der er 32 iridium elektroder på 4 skafter med 413 μ m 2 nominel geometriske område og en 200 μ m banen. Hver anden elektrode på arrayet er blevet belagt med en af ​​fire forskellige elektrode belægninger, mærket 1-4. De belægningsmaterialer er blevet nøje udvalgt for deres kemiske, mekaniske og elektrokemiske egenskaber. Som tidligere 10 nævnt vil øget dep...

Watch this Scientific Journal Video about A Method for Systematic Electrochemical and Electrophysiological Evaluation of Neural Recording Electrodes at JoVE.com

A Method for Systematic Electrochemical and Electrophysiological Evaluation of Neural Recording Electrodes

Metode til Systematic Elektrokemisk og Elektrofysiologiske Evaluering af Neural Recording elektroder

Forskellige elektrode belægninger påvirker neurale optagelse præstation gennem ændringer i elektrokemiske, kemiske og mekaniske egenskaber. Sammenligning af elektroder in vitro er relativt enkel, men en sammenligning af in vivo-reaktion er typisk kompliceres af variationer i elektrode / neuron afstand og mellem dyr. Denne artikel giver en robust metode til at sammenligne neurale optagelse elektroder.

New materials and designs for neural implants are typically tested separately, with a demonstration of performance but without reference to other implant ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Surgical Implantation of Chronic Neural Electrodes for Recording Single Unit Activity and Electrocorticographic Signals

Kirurgisk implantation af Kroniske Neurale elektroder til Optagelse Single Unit Aktivitet og Electrocorticographic signaler

The success of long-term electrophysiological recordings often depends on the quality of the implantation surgery.  Here we provide useful information for ...

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 ...

Preparation of an Awake Mouse for Recording Neural Responses and Injecting Tracers

Udarbejdelse af en vågen Mouse til optagelse Neurale svarene og Injektion Lysspor

It is well known that anesthesia alters neural response properties in various regions of the brain.13.  In the auditory system, fundamental response ...

Optical Recording of Suprathreshold Neural Activity with Single-cell and Single-spike Resolution

Optisk registrering af suprathreshold neurale aktivitet med enkelt-celle-og single-spike opløsning

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also ...

Manufacturing and Using Piggy-back Multibarrel Electrodes for In vivo Pharmacological Manipulations of Neural Responses

Manufacturing and Using Piggy-back Multibarrel Electrodes for In vivo Pharmacological Manipulations of Neural Responses

Produktion og brug af Piggy-back Multibarrel Elektroder for<em&gt; In vivo</em&gt; Farmakologiske Manipulationer af neurale Responses

In vivo recordings from single neurons allow an investigator to examine the firing properties of neurons, for example in response to sensory stimuli. ...

Forebrain Electrophysiological Recording in Larval Zebrafish

Forhjerne Elektrofysiologiske Optagelse i Larvernes zebrafisk

Epilepsy affects nearly 3 million people in the United States and up to 50 million people worldwide. Defined as the occurrence of spontaneous unprovoked ...

Simultaneous Electrophysiological Recording and Calcium Imaging of Suprachiasmatic Nucleus Neurons

Simultaneous electrophysiological and fluorescent imaging recording methods were used to study the role of changes of membrane potential or current in ...

Electrophysiological Recording in the Brain of Intact Adult Zebrafish

Elektrofysiologiske optagelse i hjernen af ​​intakte Voksen Zebrafisk

Previously, electrophysiological studies in adult zebrafish have been limited to slice preparations or to eye cup preparations and electrorentinogram ...

Electrophysiological Recording From Drosophila Labellar Taste Sensilla

Electrophysiological Recording From Drosophila Labellar Taste Sensilla

Elektrofysiologiske Optagelse fra<em&gt; Drosophila</em&gt; Labellar Smag sensilla

The peripheral taste response of insects can be powerfully investigated with electrophysiological techniques. The method described here allows the ...

Extracellular Recording of Neuronal Activity Combined with Microiontophoretic Application of Neuroactive Substances in Awake Mice

Ekstracellulær Registrering af neuronal aktivitet Kombineret med Microiontophoretic Anvendelse af Neuroaktive stoffer i Awake mus

Differences in the activity of neurotransmitters and neuromodulators, and consequently different neural responses, can be found between anesthetized and ...