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

Författarna erkänner stöd av Australian Research Council genom Centre of Excellence för Electromaterials Science.

Protokollet har godkänts av Trobe University La (09-28P) och RMIT University djuretikkommittéer (1315). 1. Elektrod Förberedelse och preliminära in vitro-testning <ol><li> Förbered elektrod beläggning deponeringslösningar, till exempel 10 mM 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) och 0,1 M natrium para-toluensulfonat (Na 2 pts) för att bilda poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene-pTS (PEDOT-PTS). </li><li> Anslut elektroduppsättningen till en potentiostat. </li><...

<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>

Detta protokoll ger en metod för att jämföra neurala inspelning elektrodbeläggningar inom ett djur. Elektrod designen som används är idealisk för implantering i en rått sämre colliculi (IC), med måtten liknande omfattning. Variationer av denna elektrod såsom mer utrymme mellan skaften skulle förhindra alla skänklar vara i råtta IC på samma gång, medan längre halsar och en större delningen mellan elektroderna ökar risken att skaftet tips kommer att komma i kontakt med basen av skallen under införandet...

Neurala implantat används alltmer för forskning, styra proteser och behandling av sjukdomar som Parkinsons sjukdom, epilepsi, och känselbortfall 1,2. Mät-och / eller styrning av både kemisk och elektrisk sammansättning av hjärnan är grunden för alla neurala implantat. Det är emellertid viktigt att administrera en behandling endast när neural vävnad är i det avvikande tillståndet för att minska biverkningarna 3. Till exempel bör djupa hjärnan stimulatorer för behandling av epilepsi endast tillämpa en elektrisk puls till hjärnan under ett anfall. Vissa biverkningar kan vara dystoni, minnesförlust, förvirring, nedsatt kognitiv funktion, framkallade hallucinationer, depression eller anti-depression 3,4. I många anordningar, är ett system med sluten slinga därför nödvändigt att spela in elektriska aktivitet och för att utlösa stimulering när ett onormalt tillstånd detekteras. Inspelning elektroder används också för att styra prosthetic anordningar. Det är kritiskt för att spela in målet neural aktivitet med högsta möjliga signal-till-brusförhållandet för att uppnå den mest noggranna trigg och enhetskontroll. Ett stort signal-till-brusförhållandet är också högst önskvärt för forskningstillämpningar, som kan erhållas mer tillförlitliga data, vilket resulterar i färre erforderliga testämnen. Detta kommer också att möjliggöra en större förståelse för de mekanismer och involverade i neural stimulering och inspelning. Efter ett neuralt implantat har placerats in i hjärnan, är ett immunsvar utlöses 5,6. Tidsförloppet av svaret är generellt delas in i akuta och kroniska faser, var och en bestående av olika biologiska processer 7. Immunsvaret kan få dramatiska effekter på prestandan av implantatet, som till exempel isolering av elektroderna från målet nervceller genom inkapsling i en glia ärr eller kemisk nedbrytning av implantatmaterial 8.Detta kan minska signal-till-brus av en inspelning elektrod och uteffekten av en stimulerande elektrod, och leda till elektrod fel 9. Noggrant val av implantat design och material är nödvändig för att förhindra fel över implantatet livstid. Många olika material och implantat mönster har nyligen utvecklats för att förbättra signal-till-brusförhållande och implantatets stabilitet för neural inspelning. Elektrodmaterial har inkluderat platina, iridium, volfram, iridium oxid, tantal oxid, grafen, kolnanorör, dopade ledande polymerer, och mer nyligen hydrogel. Substratmaterial som testats innefattar även kisel, kiseloxid, kiselnitrid, silke, Teflon, polyimid, och silikon. Olika elektrod ändringar har också undersökts, med hjälp av beläggningar såsom laminin, neurotrofiner eller själv monterade monolager och behandlingar med hjälp av elektrokemisk, plasma och optiska tekniker. Implantat konstruktionn kan vara 1 -, 2 - eller 3-dimensionella med elektroderna i allmänhet vid spetsen av ett isolerande sond eller längs kanten av ett skaft för att penetrera elektroderna eller i en två-dimensionell array för cortexytan implantat. Oavsett elektrod design eller material, har tidigare litteratur vanligtvis visat utförandet av nya implantat utan hänvisning till andra implantat konstruktioner. Detta förhindrar en systematisk utvärdering av deras egenskaper. Detta protokoll ger en metod för att jämföra olika elektrodmaterial via en rad analytiska och elektrofysiologiska tekniker. Den är baserad på en nyligen publicerad artikel som jämfördes fyra olika dopade ledande polymerbeläggningar (polypyrrol (PPy) och poly-3 ,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) som är dopade med sulfat (SO 4) eller para-toluensulfonat (PTS)) och 4 olika skikttjocklekar 10. Den här artikeln hittade ett material, PEDOT-pTS med en 45 sek nedfall tid,hade den högsta signal-till-brusförhållande och spik räkna med den minsta bakgrundsbruset, och att dessa parametrar var beroende av elektrodimpedans. PEDOT-pTS visade också överlägsen akut biostabilitet jämfört med de andra dopade ledande polymerer och kala iridiumelektroder. Protokollet tillåter de kritiska parametrarna styra signal-till-brusförhållandet och stabilitet som skall bestämmas och användas för att ytterligare förbättra prestanda för neurala registreringselektroderna.

<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

Nya material och konstruktioner för neurala implantat är oftast testas separat, med en demonstration av prestation, men utan hänvisning till andra implantat egenskaper. Detta utesluter ett rationellt val av ett visst implantat som optimal för en viss tillämpning och utveckling av nya material baserade på de mest kritiska prestandaparametrar. Denna artikel utvecklar ett protokoll för in vitro-och in vivo-testning av neurala registreringselektroderna. Rekommenderade parametrar för elektrokemiska och elektrofysiologiska tester dokumenteras med de viktigaste stegen och potentiella frågor som diskuterades. Denna metod eliminerar eller minskar effekten av många systematiska fel förekommer i enklare in vivo-testning paradigm, speciellt variationer i elektrod / neuron avstånd och mellan djurmodeller. Resultatet är ett starkt samband mellan den kritiska in vitro-och in vivo-svar, såsom impedans och signal-till-brusförhållande. Detta protokoll kan lätt anpassas för att testa andra elektrodmaterial och mönster. De in vitro-metoder kan utökas till andra icke-förstörande metod för att bestämma andra viktiga resultatindikatorer. De principer som används för kirurgiska tillvägagångssätt i hörselvägen kan också modifieras till andra neurala regioner eller vävnad.

En typisk elektroduppsättning som användes för denna försöksprotokoll visas i fig. 1. Det finns 32 iridium elektroder på 4 skaft med 413 μ m 2 nominell geometrisk area och en 200 μ m stigning. Varannan elektrod på array har belagts med en av fyra olika elektrodbeläggningar, märkta 1-4. De beläggningsmaterial har noga valts ut för att de kemiska, mekaniska och elektrokemiska egenskaper. Som tidigare 10 nämnts, kommer ökade avsättningstider ökar ele...

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 metod för systematisk Electro och Elektro Utvärdering av neurala registreringselektrod

Olika elektrodbeläggningar påverkar neurala inspelningsprestanda genom förändringar av elektrokemisk, kemiska och mekaniska egenskaper. Jämförelse av elektroderna in vitro är relativt enkel, men jämförelse av in vivo respons typiskt kompliceras av variationer i elektrod / neuron avstånd och mellan djur. Denna artikel ger en robust metod för att jämföra neurala registreringselektroderna.

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 av kroniska neurala elektroder för inspelning Single Unit aktivitet och 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 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 ...

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

Beredning av ett Awake mus för inspelning Neural svar och injicera Spårämnen

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 inspelning av suprathreshold neural aktivitet med encelliga och single-spik upplösning

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

Tillverkning och använda Piggy-back Multibarrel elektroder för<em&gt; In vivo</em&gt; Farmakologiska manipulationer av neurala svar

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

Framhjärna Elektrofysiologiska inspelning i larver Zebrafish

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

Elektrofysiologiska inspelning i hjärnan i Intact vuxna 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

Elektrofysiologiska inspelning Från<em&gt; Drosophila</em&gt; Labellar Taste 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

Extracellulär inspelning av nervaktiviteten Kombinerat med Microiontophoretic Tillämpning av neuroaktiva ämnen i Vakna möss

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