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 erkjenner støtte fra den australske Forskningsrådet gjennom Centre of Excellence for Electromaterials Science.

Protokollen er godkjent av La Trobe University (09-28P) og RMIT University Animal Etikkomiteer (1315). En. Elektrode Forberedelse og foreløpig in vitro testing <ol><li> Forbered elektrode belegg deponering løsninger, for eksempel 10 mm 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) og 0,1 M natrium para-toluensulfonat (Na 2 poeng) for å danne poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene-PTS (PEDOT-PTS). </li><li> Koble elektroden array til en potentiostat. </li><li> Nøye elektroden...

<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 protokollen gir en metode for sammenligning av nevrale opptakselektrodebelegg i løpet av ett dyr. Elektroden utforming benyttes er ideell for implantering i en rotte underlegen colliculus (IC), med dimensjoner på en tilsvarende skala. Variasjoner av denne elektrode som mer plass mellom skaft vil forhindre alle Shanks være i rotte IC på samme tid, mens lengre skaft og et større banen mellom elektrodene øker risikoen for at armene tips vil komme i kontakt med bunnen av hodeskallen under innsetting. Mindre elek...

Neural implantater blir brukt i økende grad for forskning, kontrollere protetikk og behandling av lidelser så som Parkinsons sykdom, epilepsi, og sensoriske tap 1,2. Måle-og / eller styring av både den kjemiske og elektro sammensetning av hjernen er grunnlaget for alle nevrale implantater. Det er imidlertid viktig å administrere en behandling bare når neural vev er i det avvikende tilstand for å redusere bivirkninger 3. For eksempel bør dype hjerne stimulatorer for behandling av epilepsi kun anvende en elektrisk puls til hjernen i løpet av et anfall. Noen bivirkninger kan være dystoni, tap av hukommelse, desorientering, svekket kognitiv funksjon, indusert hallusinasjoner, depresjon eller anti-depresjon 3,4. I mange enheter, er et lukket løkke-system derfor nødvendig å ta opp elektriske aktivitet, og for å utløse stimulering når en unormal tilstand er detektert. Opptaks elektroder brukes også til å styre prosthetic enheter. Det er viktig å registrere den target nevral aktivitet med høyest mulig signal-til-støy-forhold for å oppnå en mest mulig nøyaktig utløsning og styreanordning. Et stort signal-til-støy-forholdet er også meget ønskelig for forskningsapplikasjoner, som mer pålitelige data kan oppnås, noe som resulterer i færre nødvendige testpersoner. Dette vil også tillate en større forståelse av mekanismene og stier involvert i nervestimulering og opptak. Etter en neural implantatet har blitt plassert inn i hjernen, er en immunrespons utløses 5,6. Tidsforløpet av responsen er vanligvis delt inn i akutte og kroniske faser, som hver består av forskjellige biologiske prosesser 7. Immunresponsen kan ha en dramatisk virkning på ytelsen til implantatet, slik som isolasjon av elektrodene fra målet nevroner etter innkapsling i en glial arr eller kjemisk nedbrytning av implantatet materiale 8.Dette kan redusere signal-til-støy-forholdet fra et opptakselektrode og utgangseffekten av en stimulerende elektrode, og føre til elektrodebrudd 9.. Forsiktig valg av implantat utforming og materialer er nødvendig for å hindre at svikt over implantatet levetid. Mange forskjellige materialer og implantat utførelser har nylig utviklet for å forbedre signal-til-støy-forhold og implantat stabilitet for nevral opptak. Elektrodematerialer har inkludert platina, iridium, wolfram, iridium oksid, tantal oksid, graphene, karbon nanorør, dopet gjennomføre polymerer, og mer nylig hydrogeler. Substratmaterialer som ble testet omfatter også silisium, silisiumoksyd, silisiumnitrid, silke, Teflon, polyimid, og silikon. Ulike modifikasjoner elektrode har også blitt undersøkt ved hjelp av belegg som Laminin, neurotrophins, eller selv-montert monolayers og behandlinger ved hjelp av elektrokjemisk, plasma og optiske teknikker. Implant utformings kan være 1 -, 2 - eller 3-dimensjonalt med elektrodene generelt ved spissen av et isolerende probe eller langs kanten på et skaft for å trenge inn i elektrodene eller i et to-dimensjonalt array for cortex overflate implantater. Uavhengig av elektrodedesign eller materiale, har tidligere litteratur vanligvis vist utførelsen av den nye implantatet uten referanse til andre implantat konstruksjoner. Dette hindrer at en systematisk vurdering av deres egenskaper. Denne protokollen gir en metode for sammenligning av forskjellige elektrodematerialer via en rekke analytiske og elektrofysiologiske teknikker. Den er basert på en nylig publisert artikkel som sammenlignet fire forskjellige dopede gjennomføre polymerbelegg (polypyrrole (PpY), og poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) dopet med sulfat (SO 4) eller para-toluensulfonat (PTS)) og 4 annet belegg tykkelser 10. Denne artikkelen fant ett materiale, PEDOT-poeng med en 45 sek avsetning tid,hadde den høyeste signal-til-støy-forhold og pigg telle med den minste bakgrunnsstøy, og at disse parametrene var avhengige av elektrode-impedans. PEDOT-PTS også vist overlegen akutt biostability forhold til de andre dopet gjennomføre polymerer og nakne iridium elektroder. Protokollen kan de kritiske parametre som kontrollerer signal-til-støy-forhold og stabilitet til å være bestemt og benyttet for ytterligere å forbedre ytelsen av nevrale opptakselektroder.

<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 for neural implantater er vanligvis testet hver for seg, med en demonstrasjon av ytelse, men uten referanse til andre implantat egenskaper. Dette er til hinder for en rasjonell valg av en bestemt implantat som optimal for en spesiell anvendelse og utvikling av nye materialer basert på de mest kritiske ytelsesparametre. Denne artikkelen utvikler en protokoll for in vitro-og in vivo-testing av nevrale opptakselektroder. Anbefalte parametere for elektrokjemisk og elektrofysiologisk testing er dokumentert med de viktigste trinnene og potensielle problemstillinger diskutert. Denne metoden eliminerer eller reduserer virkningen av mange systematiske feil som finnes i enklere in vivo testing paradigmer, særlig variasjoner i elektrode / nevron avstand og mellom dyremodeller. Resultatet er en sterk korrelasjon mellom den kritiske in vitro og in vivo respons, slik som impedans og signal-til-støy-forhold. Denne protokollen kan lett tilpasses for å teste andre elektrode materialer og design. Den in vitro-teknikker kan utvides til en hvilken som helst annen ikke-destruktiv fremgangsmåte for å bestemme andre viktige ytelsesindikatorer. Prinsippene for den kirurgiske tilnærming i hørselsbanen kan også endres til andre nevrale regioner eller vev.

En typisk elektrode matrise brukes for denne forsøksprotokoll er vist i figur 1. Det er 32 iridium elektroder på 4 Shanks med 413 μ m 2 nominell geometriske området og en 200 μ m banen. Annenhver elektrode på matrisen er blitt overtrukket med en av fire forskjellige elektrodebelegg, merket 1-4. Belegget materialer har blitt nøye utvalgt for deres kjemiske, mekaniske og elektrokjemiske egenskaper. Som nevnt tidligere er 10, vil det økte avsetningstider øke...

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

En metode for systematisk Elektrokjemisk og Elektro Evaluering av Neural Recording Elektroder

Forskjellige elektrodebelegg påvirker nerveopptaks ytelse gjennom endringer i elektrokjemiske, kjemiske og mekaniske egenskaper. Sammenligning av elektroder in vitro er relativt enkel, men sammenligning av in vivo-respons er vanligvis komplisert ved variasjoner i elektrode / neuron avstand og mellom dyrene. Denne artikkelen gir en robust metode for å sammenligne nevrale opptak 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 Implantasjon av kroniske Neural Elektroder for innspilling med enkel enhet 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

Reproduserbar Mouse hoftenervene Crush og påfølgende vurdering av Regeneration av Whole Mount Muscle Analysis

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

Utarbeidelse av en våken Mouse for opptak Neural Responses og injisere Sporingsstoffer

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 av suprathreshold nevrale aktiviteten med encellede og single-spike oppløsning

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

Produksjon og bruk av Piggy-back Multibarrel Elektroder for<em&gt; In vivo</em&gt; Farmakologiske manipulasjoner av nevrale responser

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

Forebrain Elektrofysiologisk opptak i larve Sebrafisk

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

Elektro opptak i hjernen til Intakt Adult Sebrafisk

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

Elektro Opptak fra<em&gt; Drosophila</em&gt; Labellar Smak 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

Ekstracellulære opptak av neuronal aktivitet kombinert med Microiontophoretic Bruk av neuroaktive stoffer i Awake Mus

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