Name: a method for systematic electrochemical and electrophysiological evaluation of neural recording electrodes
Uploaded: 2014-03-03T22:15:00
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Die Autoren erkennen die Unterstützung des Australian Research Council durch das Kompetenzzentrum für Elektro-Materialien Wissenschaft.

Das Protokoll wurde von der La Trobe University (09-28P) und RMIT University Tierethikkommissionen (1315) genehmigt worden. 1. Vorbereitung der Elektrode und Vorläufige in vitro Test <ol><li> Bereiten Elektrodenbeschichtung Ablagerung Lösungen, zum Beispiel 10 mM 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT) und 0,1 M Natrium-para-Toluensulfonat (Na 2 Punkte) zu Poly-3 ,4-ethylendioxythiophen-PTS (PEDOT-Punkte) zu bilden. </li><li> Schließen Sie das Elektrodenarray mit ei...

<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>

Dieses Protokoll liefert ein Verfahren für den Vergleich von neuralen Aufzeichnungselektrodenbeschichtungen in einem Tier. Die Elektrodenkonstruktion verwendet wird, ist ideal für die Implantation in einem Ratten Colliculus inferior (IC), mit Abmessungen von einer ähnlichen Größenordnung. Variationen dieses Elektrode, wie mehr Platz zwischen Schäfte würde verhindern, dass alle Schäfte in der Ratte IC in der gleichen Zeit, während längere Schenkel und einen größeren Abstand zwischen den Elektroden zu erhöhen...

Nervenimplantate werden zunehmend für die Forschung verwendet werden, die Steuerung der Prothetik und der Behandlung von Erkrankungen, wie Parkinson-Krankheit, Epilepsie und sensorischen Verlust 1,2. Messen und / oder Steuern sowohl der chemischen und elektrischen Zusammensetzung des Gehirns ist die Basis für alle Nervenimplantate. Jedoch ist es wichtig, eine Behandlung, nur wenn das neuronale Gewebe in aberranten Zustand Nebenwirkungen reduzieren 3 verabreichen. Zum Beispiel Gehirnstimulatoren für Epilepsie-Behandlung sollte nur einen elektrischen Impuls an das Gehirn während einer Beschlagnahme gelten. Einige Nebenwirkungen können Dystonie, Gedächtnisverlust, Verwirrtheit, Beeinträchtigung der kognitiven Funktion, induziert Halluzinationen, Depressionen oder Anti-Depression 3,4 sein. In vielen Geräten ist ein geschlossenes Kreislaufsystem daher erforderlich, die elektrische Aktivität zu erfassen und Stimulation ausgelöst wird, wenn ein anormaler Zustand festgestellt wird. Aufnahme Elektroden werden auch verwendet, um zu steuern proprothetischen Geräte. Es ist kritisch, um die Ziel neuronale Aktivität mit der höchstmöglichen Signal-zu-Rausch-Verhältnis, um die genaueste Auslösung und Gerätesteuerung zu erreichen aufzuzeichnen. Ein großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist auch für Forschungsanwendungen sehr wünschenswert, da mehr zuverlässige Daten erhalten werden können, was zu weniger Testpersonen erforderlich. Dies ermöglicht auch ein besseres Verständnis der Mechanismen und Signalwege in neuronalen Stimulation und Aufzeichnung beteiligt. Nach ein neuronales Implantat in das Gehirn platziert worden sind, wird eine Immunantwort ausgelöst 5,6. Der Zeitverlauf der Reaktion ist im allgemeinen in akuten und chronischen Phasen unterteilt, die jeweils aus verschiedenen biologischen Prozessen 7. Die Immunantwort kann dramatische Auswirkungen auf die Leistung des Implantats, wie z. B. Isolierung von den Elektroden von den Zielneuronen durch Einkapselung in einer glialen Narbe oder chemischen Abbau der Implantatmaterialien 8 haben.Dies kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis eines Aufzeichnungselektrode und die Ausgangsleistung einer Stimulationselektrode und zum Ausfall der Elektrode 9 zu reduzieren. Die sorgfältige Auswahl der Implantat-Design und Materialien sind notwendig, um über die Implantatversagen Lebenszeit zu verhindern. Viele verschiedene Materialien und Implantat-Designs sind kürzlich entwickelt worden, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und Stabilität des Implantats für neuronale Aufnahme zu verbessern. Elektrodenmaterialien sind Platin, Iridium, Wolfram, Iridiumoxid, Tantaloxid, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, dotierte leitende Polymere und kürzlich Hydrogele enthalten. Getestet Substratmaterialien gehören auch Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Seide, Teflon, Polyimid und Silikon. Verschiedene Modifikationen Elektrode wurden ebenfalls untersucht, unter Verwendung von Beschichtungen, wie Laminin, Neurotrophine oder selbstorganisierte Monolagen und Anwendungen mit elektrochemischen, Plasma und optische Techniken. Implantatdesign-, 2 - oder 3-dimensional mit den Elektroden in der Regel an der Spitze eines isolierenden Sonde oder an der Kante eines Schaftes zum Durchdringen von Elektroden oder in einem 2-dimensionalen Array für Kortexoberfläche Implantate s könnte 1 sein. Unabhängig von Elektroden-Design oder Material hat typischerweise bisherigen Literatur demonstriert die Leistungsfähigkeit des neuen Implantats ohne Bezugnahme auf andere Implantat-Konstrukte. Dies verhindert, dass eine systematische Bewertung ihrer Eigenschaften. Dieses Protokoll liefert ein Verfahren für den Vergleich verschiedener Elektrodenmaterialien über eine Reihe von analytischen und elektrophysiologischen Techniken. Es ist auf einem kürzlich erschienenen Artikel, die 4 verschiedene dotierte leitende Polymerbeschichtungen (Polypyrrol (ppy) und Poly-3 ,4-ethylendioxythiophen (PEDOT) mit Sulfat-dotierte (SO 4) oder p-Toluolsulfonat (PTS)) und 4 verglichen basierend unterschiedliche Beschichtungsdicken 10. Dieser Artikel gefunden, ein Material, PEDOT-pTS mit einem 45 sec Abscheidungszeitden höchsten Signal-zu-Rausch-Verhältnis und Spike Zahl mit der kleinsten Grundrauschen und dass diese Parameter waren abhängig von der Elektrodenimpedanz. PEDOT-pTS angezeigt auch überlegen akuten Biostabilität Vergleich zu den anderen dotierten leitenden Polymeren und nackten Iridium-Elektroden. Das Protokoll ermöglicht die kritischen Parameter, die die Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die Stabilität bestimmt und verwendet, um die Leistung der neuronalen Aufnahme Elektroden weiter zu verbessern.

<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

Neue Materialien und Designs für Neuroimplantate werden in der Regel getrennt geprüft werden, mit einer Demonstration von Leistung, aber ohne Bezug auf andere Implantateigenschaften. Dies verhindert eine rationale Auswahl eines bestimmten Implantats als optimal für eine bestimmte Anwendung und der Entwicklung von neuen Materialien auf der Basis der kritischen Leistungsparameter. Dieser Artikel entwickelt ein Protokoll für die in vitro-und in vivo-Tests von neuralen Aufzeichnungselektroden. Empfohlene Parameter für elektrochemische und elektrophysiologische Tests sind mit die wichtigsten Schritte und mögliche Probleme diskutiert dokumentiert. Diese Methode eliminiert oder reduziert die Auswirkungen von vielen in einfacher in-vivo-Tests Paradigmen, vor allem Schwankungen in Elektrode / Neuron Abstand zwischen Tier und Modellen vorhanden systematische Fehler. Das Ergebnis ist eine starke Korrelation zwischen der kritischen in vitro-und in vivo-Reaktionen, wie z. B. Impedanz und signal-Rausch-Verhältnis. Dieses Protokoll kann leicht an andere Elektrode Materialien und Designs zu testen. Die in-vitro-Techniken können zu jedem anderen zerstörungsfreien Methode erweitert, um weitere wichtige Leistungsindikatoren zu bestimmen. Die zur chirurgischen Ansatz in der Hörbahn verwendeten Prinzipien können auch auf andere Regionen oder neuralen Gewebes verändert werden.

Eine typische Elektrodenanordnung für diese verwendete Experimentalprotokoll ist in Fig. 1 gezeigt. Es gibt 32 Iridium-Elektroden auf 4 Schäfte mit 413 μ m 2 Nenn geometrische Fläche und einem 200 μ m Steigung. Jede zweite Elektrode auf dem Array ist mit einem von vier unterschiedlichen Elektrodenbeschichtungen mit 1-4 beschichtet wurde. Die Lacke wurden im Hinblick auf ihre chemische, mechanische und elektrochemische Eigenschaften gewählt. Wie bereits erwähnt, 1...

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

Eine Methode zur systematischen Elektrochemische und elektrophysiologische Bewertung der Neural Aufzeichnungselektroden

Verschiedene Elektrodenbeschichtungen beeinflussen neuronale Aufnahmeleistung durch Änderungen an elektrochemischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften. Vergleich der in vitro-Elektroden ist relativ einfach, jedoch Vergleich der in vivo-Reaktion wird typischerweise durch Variationen Elektrode / Neuron Abstand zwischen Tieren und kompliziert. Dieser Artikel bietet eine robuste Methode, um neuronale Aufzeichnungselektroden vergleichen.

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

Chirurgische Implantation von Elektroden für die Neural Chronische Aufnahme Single Unit Activity und Electrocorticographic Signale

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

Forschung

Neurowissenschaften

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

Reproduzierbare Maus Ischiasnerv Crush und anschließende Bewertung der Regeneration von Whole mount Muskelanalyse

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

Die Erstellung eines Awake Mausklick für Aufnahme neuronalen Antworten und Einspeisen von Tracer

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

Optische Aufnahme überschwellige neuronale Aktivität mit Single-Cell-und Single-Spike Auflösung

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

Herstellung und Verwendung von Piggy-Back mehrgehäusigen Elektroden für<em&gt; In vivo</em&gt; Pharmakologische Manipulationen Neural Antworten

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

Vorderhirn Elektrophysiologische Aufzeichnung im Larven Zebrafisch

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

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Elektrophysiologische Aufnahme im Gehirn von erwachsenen Zebrafisch Intact

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

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Die extrazelluläre Aufnahme neuronaler Aktivität in Kombination mit Microiontophoretic Anwendung von neuroaktiven Substanzen in Awake Mäuse

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