Name: chronic implantation of multiple flexible polymer electrode arrays
Uploaded: 2019-10-04T12:30:00
Duration: 8 min 54 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays at JoVE.com

Dit werk werd ondersteund door NINDS Grant U01NS090537 aan L. M. F en V.M.T., NIMH Grant F30MH109292 to J. E. C, en NIMH Grant F30MH115582 H.R.J. J.E.C. en H.R.J. worden ook ondersteund door NIGMS MSTP Grant #T32GM007618. Het Flatiron Institute is een divisie van de Simons Foundation.

J. E. C en L.M.F. zijn uitvinders op een octrooi in behandeling met betrekking tot het hier beschreven werk.

Dit is een methode voor de implantatie van meerdere polymeer elektrode arrays naar gedistribueerde hersengebieden voor het opnemen van enkelvoudige eenheden gedurende maanden. Deze methode vertegenwoordigt een 8x toename in opnamekanalen en 4x toename in aantal inserties van het dichtstbijzijnde grootschalige polymeer-array gebaseerd systeem2,3. Dat systeem gebruikte een polymeer mesh injectie-gebaseerd systeem in de muis, maar heeft geen melding van een absoluut aantal putatieve enkelvoudige eenheden en dus een vergelijking van één neuron opbrengst is niet mogelijk.
De methode voor het inbrengen van een flexibel apparaat is gebaseerd op een eerder Protocol van Felix et al.39, met belangrijke wijzigingen: een drie-delige insteek apparaat voor onafhankelijke beweging van de siliconen shuttle tijdens terugtrekking, en tethering van de array op de doeldiepte voorafgaand aan de terugtrekking van de shuttle, die samen de noodzaak voor de snelle terugtrekking beschreven in het oorspronkelijke protocol te elimineren. Deze veranderingen minimaliseren weefselbeschadiging en behouden de stabiliteit van de array tijdens het intrekken van de shuttle. Andere flexibele implantatie strategieën, zoals het tijdelijk verstijving van apparaten met bio-oplosbare materialen, zijn compatibel met de volgende stappen in dit protocol. Het beveiligen van de apparaten binnen het implantaat vereist het integreren van eerder gevalideerde strategieën voor het bedekken van de hersenen en het beschermen van de delicate apparaat linten.
Vanwege hun kwetsbaarheid zijn zorg en aandacht vereist om direct contact te vermijden of anderszins kracht te geven aan de polymeer elektrode arrays en de silicium-insertie shuttles. Met name bij het werken met meerdere apparaten, moet het inbrengen onder een microscoop worden geobserveerd om interferentie van het ene apparaat met de andere te voorkomen. In het algemeen is het mogelijk om een elektrode-array zachtjes met plastic getipt Tang te hanteren, waardoor de sporen worden vermeden. Een dergelijke strategie is geschikt, bijvoorbeeld als de polymeer elektrode-array begint af te trekken met de invoeg shuttle. Dit kan gebeuren als de PEG niet volledig is opgelost, of als gevolg van de oppervlaktespanning van zoutoplossing of CSF tussen het polymeer en silicium.
Een van de meest voorkomende herstelbare fouten is array loslating van de insertie shuttle. Dit kan gebeuren bij het inbrengen, als de hersenen kuiltjes en druk op het apparaat Tip toeneemt, als de array en shuttle zijn onvolkomen uitgelijnd of als condensatie gedeeltelijk de PEG is opgelost. Om een array opnieuw te hechten, Verhoog het zo hoog mogelijk boven het hersen oppervlak en wacht tot het droog is (ongeveer 5 min).
Een kritisch aspect van het plannen van een multi-array implantatie operatie is het ontwerp van het basisstuk om alle implantaat doelen tegemoet te komen en zonder gaten te zitten tegen de contour van de schedel. Het basisstuk is een klein plastic stuk dat is bevestigd aan de schedel na het schoonmaken van de schedel, schroef plaatsing en gedeeltelijke craniectomies, voorafgaand aan het inbrengen van de arrays. Het heeft drie functies: 1) om een zoutoplossing te houden voor het oplossen van de PEG na het inbrengen van de array, maar vóór silicium shuttle terugtrekking, 2) om een locatie boven het schedel oppervlak te bieden waaraan de arrays kunnen worden bevestigd door polyimide vleugels, waardoor trekontlasting mogelijk is langs het lint boven het invoegpunt in de hersenen en 3) om kunstmatige durale Sealant te houden, die de arrays en de hersenen stabiliseert en beschermt. Het basisstuk kan met de hand worden gevormd of met 3D geprint. Er werd opgemerkt dat het aftappen en drogen van het basisstuk van de zoutoplossing zeer belangrijk is voorafgaand aan het inbrengen van het apparaat. Deze stappen voorkomen condensatie en scheiding van de array en insertie shuttle. Drogen van het basisstuk is ook essentieel voor het vullen van het basisstuk met kunstmatige durale Sealant. Het is ook belangrijk dat het basisstuk niet lekt, als een film van silicone gel is moeilijk te verwijderen uit de schedel en voorkomt hechting van tandheelkundige acryl voor betrouwbare chronische bevestiging van het implantaat aan de schedel. Er wordt verwacht dat een biologisch compatibel siliconen elastomeer met lage viscositeit kan worden gebruikt om de craniectomies en het basisstuk te vullen, met een hogere viscositeit silicone elastomeer eromheen en de blootgestelde polymeer array linten.
Vooruitgang in polymeer nano fabricage zal vertalen naar polymeer-gebaseerde elektrode arrays, verminderen van de grootte van de functie en het verhogen van de mogelijke aantal elektroden in een array dichter bij die van silicium-apparaten15,16,17 ,18,19. Evenzo zullen de transversale gebieden van polymeer apparaten krimpen naast de functie groottes, waardoor nog betere biocompatibiliteit8. Nogmaals, zoals wordt bereikt met Silicon-apparaten, zal integratie met het versterken, digitaliseren en multiplexing chips17 verder grootschalige neurale opname mogelijk maken.

Een ideaal neurale implantaat zou opnemen van een zeer groot aantal individuele neuronen in gedistribueerde hersengebieden gedurende weken tot maanden. Flexibele polymeer elektrode arrays bieden elektrofysiologische opnames met de levensduur om maanden lang op te nemen en de stabiliteit om individuele neuronen te volgen1,2,3. Echter, dezelfde mechanische eigenschappen die vermindering van de afschuiving schade4 en verlenen biocompatibiliteit en opname mogelijkheid2,3,5,6,7, 8 vormen een uitdaging voor hun inbrengen in de hersenen ten opzichte van hun stijve tegenhangers. Vorig werk volbracht een maximum van 4 32-Channel arrays, maar de totale opbrengst van gesorteerde vermoedelijke enkelvoudige neuronen is niet gerapporteerd2,3,9. Omgekeerd, silicium-gebaseerde elektrode arrays zijn gebruikt in hoge dichtheid, multi-regio implantaten, maar deze technologieën niet de mogelijkheid om op te nemen van de pieken van neuronen gedurende maanden (levensduur) of om te volgen van de dezelfde neuronen (stabiliteit) op die tijdschaal, of de dichtheid om op te nemen van honderden afzonderlijke neuronen in meerdere hersengebieden. De hier gepresenteerde methode overkomt het lage aantal inserties in de huidige polymeer-elektrode array-gebaseerde methoden, waardoor middelen worden geboden voor de elektrofysiologisch registratie van grote aantallen individuele neuronen in meerdere anatomisch verre gebieden voor maanden, met de stabiliteit om op te nemen van de dezelfde individuele neuronen over vele dagen.
Er is enige discussie over het belang van het gebruik van een polymeer substraat in plaats van Microwire-of Silicon-based strategieën. Zoals aangetoond door Dhawale et al.10, zijn micro draden inderdaad geschikt voor maandenlange stabiele opnames bij knaagdieren, hoewel de implantaten beperkt waren tot 16 tetrodes in één regio. Het vergroten van de grootte van het verwarmings-implantaat bereikt een relatief hoge bovengrens, met maximaal 1792 geïmplanteerde kanalen bereikt in een niet-menselijke primaat11. De constructie van de verwarmings-arrays is echter onverenigbaar met silicium-nano fabricageprocessen en is daarom extreem tijdrovend, waarbij elk kanaal afzonderlijk tijdens de bouw12,13 handmatig wordt verwerkt. ,14. Als zodanig is het niet duidelijk of deze technologie een orde van grootte verhoging van opnamekanalen zou kunnen ondersteunen.
Huidige silicium-apparaten kunnen honderden of zelfs meer dan duizend elektroden op een enkel monolithische apparaat15,16,17,18,19plaatsen. De nieuwste silicium fabricageprocessen genereren apparaten met kleinere dwarsdoorsnede gebieden, ongeacht het materiaal, wat resulteert in minder gliacellen activering20,21,22,23 ,24 en meer compatibele apparaten. Er is een variabiliteit in rapporten van Silicon probe single-unit opname levensduur, met sommige wat aangeeft dat relatief grote silicium sondes kunnen bieden op lange termijn opname25,26. Met name de nieuwste commercieel verkrijgbare silicium-apparaten17 hebben de lange levensduur om enkele maanden op te nemen en hebben transversale gebieden die zeer vergelijkbaar zijn met de schachten die worden gebruikt in de hier beschreven methode (Jun et al. 201717: 70 μm x 20 μm, hier beschreven apparaten en in Chung et al. 20191: 68 μm – 80 μm x 14 μm). Vanwege het verschil in stabiliteit, deze sonde is niet aangetoond te kunnen opnemen van de dezelfde neuronen gedurende weken. Dit is waarschijnlijk te wijten aan een combinatie van het gebruik van rigide silicium en directe Tethering aan de schedel, waarvan bekend is dat ze micromotion, instabiliteit en gliose veroorzaken bij de array-Brain interface27,28. Om een apparaat te construeren dat met het zenuwweefsel kan bewegen, zijn materialen die zacht zijn5,29 en flexibele7 vereist. Veel beschikbare polymeren (Zie Geddes en Roeder30, fattahi et al.31, en weltman et al.32 voor beoordelingen) hebben de flexibiliteit en stabiliteit van micro draden en zijn ook compatibel met de nano fabricageprocessen, die het mogelijk maken de dichte verpakking van silicium apparaten.
Verschillende neurale implantatie problemen zijn specifiek voor het gebruik van flexibele polymeer elektrode arrays. De eerste van deze is het inbrengen van de array, omdat flexibele arrays niet de stijfheid hebben om te worden gevorderd in de hersenen, zoals Silicon-of Microwire-gebaseerde strategieën. Het merendeel van de plaatsings strategieën voor flexibele apparaten is afhankelijk van een tijdelijke verstijving van het substraat zoals in deze methode wordt gedaan (Zie Weltman et al.32 ter beoordeling). Er zijn vijf opmerkelijke strategieën die geen gebruik maken van een stijve shuttle. Ten eerste zijn er methoden die gebruik maken van materialen die overstappen van rigide naar compliant bij implantatie33,34. Een nadeel van deze strategie is dat het een relatief groot dwarsdoorsnede gebied vereist om de kracht te bereiken die nodig is voor penetratie van hersenweefsel voordat knik wordt gedicteerd door Eulers knik kracht berekening35. Deze toename van het transversale gebied zal een negatieve invloed hebben op de gezondheid van het omringende weefsel20,21,22,23,24. Ten tweede is het gebruik van een afneembare ondersteunende structuur boven de hersenen36, hoewel dit tijdrovende verwijdering of ontbinding van steigers vereist om een minimale niet-ondersteunde lengte (en hoge knik kracht) te behouden. Als alternatief zou de array moeten worden ingevoegd met een langere niet-ondersteunde lengte, waardoor een stijvere array-substraat of een groter cross-sectionele gebied van de array nodig is. Derde is pre-penetratie om een gat te openen voor de flexibele array te worden ingevoegd in daarna35. Dit vereist nauwkeurige heropening of relatief grote pre-penetratie diameter, en elektrode-array stijfheid en dwarsdoorsnede gebied om niet-ondersteunde invoeging mogelijk te maken. Ten vierde is het gebruik van onoplosbaar coatings om het flexibele apparaat te verstijven. Dit verhoogt aanzienlijk het dwarsdoorsnede gebied en acute schade veroorzaakt door inbrengen, zelfs wanneer speciale voorzorgsmaatregelen worden genomen om de scherpe punt van een apparaat te behouden37. Ten vijfde is de injectie van de polymeer array. Deze strategie heeft succes gehad bij het bereiken van implantaten met tot 4 32-CH inserties2, maar vereist het gebruik van een veel groter dwarsdoorsnede gebied voor het inbrengen, een 250 μm-1,5 mm buitendiameter glazen capillaire buis9, waardoor grotere acute schade. In tegenstelling, met behulp van een verwisselbare shuttle, terwijl het toevoegen van cross-sectionele gebied aan de acute inbrengen, maakt het mogelijk om het gebruik van de stijfste mogelijke materialen, en kan daarom de theoretische minimale grootte bij het invoegen van een willekeurig flexibel apparaat. Zo is het inbrengen met behulp van een stijve shuttle momenteel de aantrekkelijkste optie voor het invoegen van flexibele apparaten.
Er zijn twee vereisten voor elke insertie shuttle aanpak: een voldoende stijf substraat en een manier om het flexibele apparaat aan de ondergrond te koppel. Plaatsings shuttle materialen zijn typisch silicium38,39,40,41, roestvrijstaal 8,42, of wolfraam43,44, 45, met stijvere materialen die kleinere dwarsdoorsnede gebieden mogelijk maken. Deze worden meestal aangebracht met behulp van een lijm zoals polyethyleenglycol (PEG)8,38,39,42,43, elektrostatische krachten40, of direct fysieke koppeling45,46. In alle gevallen zijn de uitdagingen de uitlijning en koppeling van de elektrode-array en de plaatsings shuttle vóór het inbrengen en ontkoppelen na het inbrengen. Hieronder vindt u een verfijning van de methode die door Felix et al.39 is geïntroduceerd om de elektrode-array tijdelijk te laten accolades met een silicium-plaatsings shuttle, bevestigd met behulp van Peg, die wordt verwijderd na het inbrengen van de array op de doeldiepte.
Een tweede uitdaging die wordt gepresenteerd door flexibele apparaten binnen een chronisch implantaat is dat van het stabiliseren van het apparaat in de hersenen, terwijl het nog steeds mogelijk is om het apparaat te integreren in een implantaat dat aan de schedel is bevestigd. De hersenen beweegt ten opzichte van de schedel als gevolg van natuurlijke pulsaties, post-traumatische edemateuze veranderingen, impact, en andere oorzaken, en de elektrode-array moet daarom op zijn minst enigszins vrij om te bewegen ten opzichte van waar het is aangebracht op de schedel en het opnemen van hardware. Dit wordt bereikt met behulp van een 3D-gedrukte kunststof basisstuk, op maat ontworpen voor elke set van implantaat doelen, dat heeft meerdere functies: een zoutreservoir tijdens de implantatie, locatie om de polymeer arrays Tether, en behuizing voor silicone gel. De Tethering-locatie boven de Skull and silicone gel werkt samen om een grotere kromtestraal te creëren voor de array en daardoor grotere drukkrachten op de array mogelijk te maken. Dit op zijn beurt zorgt voor beweging van de hersenen ten opzichte van de ankerpunten van de array (schedel) worden vertaald in knikbelasting.
Verdere uitdagingen omvatten de noodzaak om meerdere arrays te huisdieren en bieden voldoende trekontlasting voor het dier om zich vrijelijk te gedragen zonder overdracht van trillingen of Slag krachten naar de elektrode-arrays, wat kan leiden tot bewegingsvrijheid ten opzichte van zenuwweefsel. Aanpassingen aan oplossingen die zijn gebruikt in vergelijkbare toepassingen waarbij de hersenen stabiel moeten zijn ten opzichte van een stijf opnamescherm, hebben deze uitdaging aangepakt. Een kunstmatige durale Sealant siliconen gel (tabel van materialen), die eerder is aangetoond dat ze niet giftig zijn en CSF-lekkage47voorkomen, biedt tegen druk aan de hersenen om uiterlijke zwelling te voorkomen en om de array te stabiliseren op het hersen oppervlak. Een extra beschermingslaag wordt toegevoegd aan het apparaat linten door de middel-viscositeit, chirurgische grade siliconen elastomeer, eerder gedemonstreerd voor gebruik in het afdichten van chronische neurale elektrode implantaten48. Tot slot wordt het met siliconen gebufferde implantaat en de hoofdfase omhuld met 3D-gedrukte stukken die speciaal zijn ontworpen om een laag massa centrum te behouden voor een minimale reductie van de normale mobiliteit van het dier.
Dit protocol begint met een flexibele polymeer microelect rode array die is gemonteerd op een silicium-plaatsings shuttle. Het gaat met de montage van het array-shuttle-apparaat naar de 3D-gedrukte insteek stukken, beschrijft de chirurgische techniek en de bouw stappen van het implantaat die nodig zijn om een dier met succes te implanteren, en is in staat om zestien polymeer multi-elektrode te ondersteunen arrays geïmplanteerd in acht anatomisch verre gebieden in een enkele rat1.
Dit protocol veronderstelt de uitgangsmaterialen van polymeer elektrode arrays die zijn bevestigd door de biooplos bare lijm polyethyleenglycol (PEG) aan een silicium insertion shuttle, zoals weergegeven in Felix et al.39, en ten minste twee onafhankelijk beweegbare invoeging stuks: een waarop de silicium shuttle wordt gelijmd en waarvan de connector van de elektrode-array zal worden nageleefd. Dit protocol maakt ook gebruik van een derde invoegstuk om de twee invoeg stukken veiliger aan een micro manipulator met micron-schaal te bevestigen. Alle bestanden voor 3D-printen zijn te vinden op: https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3DParts
Elke polymeer-elektrode array, die in deze methode wordt gebruikt, bestaat uit twee tot vier opname schachten, een lint dat de elektrische sporen overbrengt, en, aan het einde van het lint, een hardware-connector of een gedrukte printplaat. De elektrode-array en het lint zijn bevestigd bovenop de Silicon shuttle met PEG. Elk lint heeft een 2 cm lange x 1 mm dikke polyimide buis bevestigd aan het lint via UV-uiverbare epoxy, die loodrecht op de lengte van het lint. Elk apparaat (elektrode-array en insertie shuttle) moet worden geladen op de 3D-gedrukte insteek stukken die zullen worden gebruikt om de array in de hersenen te plaatsen en de shuttle op te trekken (Figuur 1). In dit ontwerp verplaatst de hydraulische insteek micromanipulator (groen, tafel van de materialen) de gehele insteek inrichting (stuk 1, stuk 2 en de terugtrek micromanipulator, oranje) naar de beoogde diepte. Zodra de array is losgemaakt van de insteek inrichting en vast, trekt de tweede, retractie micromanipulator (oranje) stuk 1 en de bijgevoegde shuttle onafhankelijk van de rest van de insteek inrichting, waarbij de shuttle wordt verwijderd zonder de array.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig01.jpg"> Figuur 1: inserter componenten. A) de delen 1 en 2 worden tijdelijk met een afneembare schroef aan elkaar bevestigd en zullen later op de zuiger van de micro manipulator (oranje) worden vastgezet. B) de array en de insertie shuttle worden aan stuk 1 gehecht en de array-connector is aan stuk 2 bevestigd met dubbelzijdige tape. Stuk 3 verbindt de terugtrekking micromanipulator en de delen 1 en 2 aan de insertie micromanipulator (groen). De insertie micromanipulator is bevestigd aan een stereotactische adapter voor implantatie positionering. Stukken 1-3 worden afgebeeld in hun relatieve afmetingen. Stuk 4 is een stabiliserend stuk voor de juiste uitlijning van de pendeldienst. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig01large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td rowspan="2">3D Printed Stereotax Adapter Parts (3) and Base Piece (1)</td>
			<td rowspan="2">N/A</td>
			<td rowspan="2">N/A</td>
			<td>3d print parts, suggest &#60;30 &#956;m resolution for minimal hand finishing of parts. Files available at:</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3dParts</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dental Acrylic (Hygenic Repair Resin, Coltene type II quick set)</td>
			<td>Colten/Whaledent</td>
			<td>8886784, 8881627</td>
			<td>Dental acrylic for use during implant construction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydraulic Micromanipulator (x2)</td>
			<td>Narishige Group</td>
			<td>MO-10</td>
			<td>1-axis micromanipulator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kapton Polyimide Tape</td>
			<td>Bertech</td>
			<td>PPTDE-1/2</td>
			<td>Double-sided tape</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kopf Stereotax Arm</td>
			<td>&#160;Kopf Instruments</td>
			<td>103088R, 103088L</td>
			<td>Standard rodent stereotax</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light Curable Dental Acrylic, Vivid Flow</td>
			<td>Coltene/Whaledent</td>
			<td>D33-01-00</td>
			<td>Light curable dental acrylic for use during implant construction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Loctite Gel Control</td>
			<td>&#160;Henkel Corp.</td>
			<td>&#160;234790 1364076 1735574 1752699</td>
			<td>Cyanoacrylate for adhering silicon shuttle to corresponding 3d printed part</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metabond Quick Cement</td>
			<td>Parkell</td>
			<td>S380</td>
			<td>For direct application to skull to create strong connection between skull and implant</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polymer Electrode Arrays and Silicon Insertion Shuttles</td>
			<td>Lawrence-Livermore National Laboratory</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Fabricated at Lawrence-Livermore National Laboratory, polyimide electrode arrays, silicon insertion shuttle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone Gel Kit, Low Viscosity</td>
			<td>Dow Corning</td>
			<td>03/80</td>
			<td>Low-viscosity silicone gel for filling of 3d printed base piece</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone, Medium-Viscosity Kit</td>
			<td>World Precision Instruments</td>
			<td>&#160;Kwik-Sil</td>
			<td>Medium-viscosity silicone gel for protection of polymer electrode arrays</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

chronic implantation of multiple flexible polymer electrode arrays

Gelijktijdige opnames van grote populaties van individuele neuronen over gedistribueerde hersengebieden gedurende maanden tot jaren zullen nieuwe mogelijkheden van wetenschappelijke en klinische ontwikkeling mogelijk maken. Het gebruik van flexibele polymeer elektrode arrays kan langdurige opname ondersteunen, maar dezelfde mechanische eigenschappen die zorgen voor een lange levensduur van de opname maken meerdere inserties en integratie in een chronisch implantaat een uitdaging. Hier is een methodologie waarmee meerdere polymeer elektrode arrays kunnen worden gericht op een relatief ruimtelijk onbelemmerd aantal hersengebieden.
De methode maakt gebruik van dun-film polymeer apparaten, geselecteerd voor hun biocompatibiliteit en vermogen om lange termijn en stabiele elektrofysiologisch opname-interfaces te bereiken. Het resulterende implantaat maakt nauwkeurige en flexibele targeting van anatomisch verre gebieden, fysieke stabiliteit voor maanden, en robuustheid aan elektrische ruis. De methodologie ondersteunt maximaal zestien seriële ingevoegde apparaten in acht verschillende anatomische targets. Zoals eerder gedemonstreerd, de methodologie is geschikt voor het opnemen van 1024 kanalen. Van deze, de 512 kanalen in deze demonstratie gebruikt voor single neuron opname leverde 375 enkele eenheden verdeeld over zes opnamelocaties. Belangrijk is dat deze methode ook enkele eenheden voor ten minste 160 dagen kan opnemen.
Deze implantatie strategie, inclusief het tijdelijk bracen van elk apparaat met een inklapbare silicium-plaatsings shuttle, omvat het Tethering van apparaten op hun doel diepten naar een met schedel vastgehouden plastic basisstuk dat op maat is ontworpen voor elke set van opname doelstellingen en stabilisatie/bescherming van de apparaten in een met silicone gevulde, op maat ontworpen plastic behuizing. Ook bedekt is de bereiding van hulpmiddelen voor implantatie, en ontwerpprincipes die aanpassing aan verschillende combinaties van hersengebieden of array ontwerpen moeten begeleiden.

Naar aanleiding van dit protocol leverde een 1.024-kanaals neurale implantaat opname 375 enkelvoudige eenheden1 (gesorteerd met mountainsort50, ruis overlap < 0,03, isolatie > 0,96, 512 kanalen die worden gebruikt voor het opnemen van één eenheid, figuur 9a). Dit protocol kan worden gebruikt voor het implanteren van verschillende aantallen apparaten, met verschillende kanaal tellingen en specificaties, tot verschillende combinaties van opname doelen. Met hetzelfde protocol is de levensduur van één eenheid voor het opnemen aangetoond voor ten minste 160 dagen1 in gegevens van 19 apparaten (18 32-kanaals apparaten in prefrontale cortices, 1 64-kanaal apparaat in orbitofrontale cortex) over drie verschillende ratten ( Figuur 9B). Een van de drie dieren had een digitale elektrische storing resulterend in een onvermogen om op te nemen van vier apparaten. Van de overige 15/19-apparaten was er een opname gemiddelde van ~ 1 één eenheid per kanaal. Individuele apparaten hadden een opbrengst van slechts enkele eenheden tot ~ 2 eenheden per kanaal. Het is typisch om te zien zeer verschillende rendementen op apparaten geïmplanteerd in hetzelfde dier in dezelfde regio.
Bovendien, een ander chirurgisch team volgens het protocol hier beschreven geïmplanteerde zes extra dieren elk met een combinatie van 4-6 32-kanaals apparaten gericht op orbitofrontale cortex en Nucleus accumbens, en een Tetrode Hyperdrive (totale implantaat gewicht ongeveer 50 g). Eén dier had een implantaat los binnen een maand van de operatie. Een tweede dier stierf tijdens de postoperatieve herstelperiode, waarschijnlijk niet gerelateerd aan de hier beschreven protocol stappen. De resterende vier dieren bleven gezond met stabiele implantaten die voor de duur van het experiment, die duurde 4-11 maanden. Tellingen van één eenheid waren vergelijkbaar met die eerder gerapporteerd voor 32-kanaals apparaten.
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig09.jpg"> Figuur 9: rendement op één eenheid en levensduur van de opname. (A) aantal putatieve clusters met één eenheid van 512 kanalen (van het 1.024-kanaals implantaat), gestratificeerd naar kwalitatieve metrische drempels. Geautomatiseerde curatie met behulp van MountainSort (ruis overlap 0,03, isolatie 0,96, zwarte doos in de rechterbovenhoek) resulteerde in de identificatie van 375 enkele eenheden uit de 512 kanalen. Gereproduceerd met toestemming van neuron [figuur 2A]1. B) opbrengsten uit één eenheid voor polymeer matrices per kanaal (linker y-as) of per 16-kanaals schacht (rechter y-as) gedurende 160 dagen na implantatie (x-as) bij ratten. Ononderbroken lijn is de gemiddelde celopbrengst over 8 schachten, gestippelde lijnen ± 1 SE. individuele tijdspunten per schacht worden weergegeven als stippen met kleurcodering op regio. Gereproduceerd met toestemming van neuron [figuur 3A]1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig09large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays at JoVE.com

Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays

Hieronder beschreven is een methode voor implantatie van meerdere polymeer elektrode arrays in anatomisch verre hersengebieden voor chronische elektrofysiologische opname in vrij bewegende ratten. Voorbereiding en chirurgische implantatie worden gedetailleerd beschreven, met de nadruk op ontwerpprincipes om de aanpassing van deze methoden voor gebruik bij andere soorten te begeleiden.

Chronische implantatie van meerdere flexibele polymeer elektrode arrays

Simultaneous recordings from large populations of individual neurons across distributed brain regions over months to years will enable new avenues of ...

De methode maakt het mogelijk monitoring van grote, gedistribueerde neuronale populaties over dagen, weken of maanden, waardoor vragen over hoe deze populaties veranderen en ondersteunen cognitieve functies binnen handbereik. De implantatie van meerdere polymeerapparaten en de bijbehorende implantaatconstructie maken samen een opnameplatform dat in staat is om high-channel count, multi-region, long term, continuous en stable recordings te maken. Het aantonen van de procedure zal Clay Smyth zijn, een technicus uit mijn laboratorium.Om de polymeerelelektrodearrays voor te bereiden voor het inbrengen, plaatst u een schroef door uitgelijnde verticaal georiënteerde gaten in de twee invoegstukken om ze samen te vergrendelen en de stukken in een ondeugd te houden. Bevestig dubbelzijdige tape aan de bovenkant van het tweede stuk en bevestig het stabiliserende stuk aan het einde van het eerste stuk. Het stabiliserende stuk zal op zijn plaats door wrijving worden gehouden.Lijn de elektrodearray handmatig uit en bevestig de invoegshuttle aan het smalle eindsegment van het eerste stuk. Wanneer de sonde is uitgelijnd met de lengteas van stuk één, houdt u de arrayconnector vast aan de dubbelzijdige tape van polyamide op het vlakke gedeelte van stuk twee. Met kunststof getipte tangen, die alleen de polyamidevleugel aansluiten die aan het arraylint is bevestigd, tilt u de invoegselshunlektrodearraypunt van stuk één naar de buitenkant van het stabiliserende stuk.Breng 10 microliter van een geschikte lijm aan op het einde van het eerste stuk. Met behulp van de plastic getipt tangen om alleen contact op te nemen met de polyamide vleugel bevestigd aan de array lint, gebruik maken van het vierkante tabblad van de insertie shuttle om het apparaat opnieuw uit te lijnen met het smalle segment van stuk een. Manipuleer de zijkant van de siliciumshuttle of de pen om kleine uitlijningsaanpassingen te maken, waarbij u ervoor zorgt dat er geen overmatige kracht op het lint of de schachten wordt aangebracht.Gebruik vervolgens de tangen om zachte neerwaartse druk aan beide zijden van het stabiliserende stuk uit te oefenen en het stabiliserende stuk uit de montage te verwijderen zonder de array te verplaatsen. Stel vervolgens de micromanipulator van het eerste stuk in op een langere positie. De zuiger schuift naar een terminale diepte in deel één.Laad stukken één en twee op de intrekzuiger. Stel de micromanipulator van het derde stuk in een ingetrokken positie. Plaats het tweede stuk in het bovenste gedeelte van stuk drie met de gaten uitgelijnd en laad stuk drie op de inbrengende micro manipulator zuiger.Schroef de stukken op zijn plaats aan de onderkant van stuk drie, en laad en schroef stukken twee en drie samen, zodat het verplaatsen van de invoegapparatuur micro manipulator zal het hele invoegtoestel apparaat te verplaatsen. Verwijder de schroef die stukken één en twee bij elkaar houdt. Steek vervolgens de schroef in het laterale gat van stuk een loodrecht op de zuiger track totdat de schroef druk uitoefent op de zuiger om ervoor te zorgen dat stuk een beweegt in overeenstemming met de intrekkende zuiger.Stuk één moet onafhankelijk van stuk twee bewegen, waardoor een aparte inbreng van de invoegshuttle uit het apparaat kan worden teruggetrokken. Wanneer de constructie van het apparaat is voltooid, het bekijken van de invoeging onder een stereomicroscoop, snel lager het stereotactische instrument op 25 micrometer per seconde. Het apparaat zal niet onmiddellijk doordringen in de hersenen.De mate van weerstand en dimpling zal afhangen van de doellocatie en het ontwerp van het apparaat. Zodra het apparaat is doorgedrongen in de hersenen, schakel de micro manipulator snelheid tot 10 micrometer per seconde en lager het apparaat tot een tot twee millimeter boven de doeldiepte, visualiseren van het apparaat vleugels en het punt van inbrengen tijdens het verlagen om voortijdige shuttle detachement te voorkomen. Wanneer het apparaat tussen de één en 0,5 millimeter boven de doeldiepte reikt, vertraagt u het inbrengen tot vijf micrometer per seconde.En dan, wanneer het apparaat is 500 micrometer verwijderd van het doel, vertragen de inbrengen tot een tot twee micrometer per seconde. Wanneer de doeldiepte is bereikt, droogt u het bevestigingspunt op het basisstuk indien nodig en verankert u beide polyamidevleugels aan de bevestigingsplaatsen van het basisstuk met een geschikte lijm. Voorafgaand aan de ontbinding, zal de pin verschijnen als een bolvormige massa vergadering boven op de array en de insertion shuttle interface.Om de pin op te lossen, druppel je voorzichtig de lichaamstemperatuur zout op de array op het punt waarop de pin aan de shuttle wordt vastgehangen. Wanneer de pin volledig is opgelost, zullen de grenzen van de array worden waarneembaar van de shuttle en stuk een. Nadat de array is bevestigd, gebruikt u de intrekkingsmicromanipulator om de invoegshuttle langzaam terug te trekken en doorgaan met het aanbrengen van afzonderlijke druppels zout op de array terwijl deze wordt ingetrokken tegen dezelfde intrekkingspercentages als het apparaat is ingevoegd, waarbij de interface tussen de array en de invoegshuttle tijdens het intrekken wordt waargenomen.Aangezien het wordt teruggetrokken, zal de pendel zichtbaar van de polymeerarray scheiden, die doorschijnend geel tussen de stelen van de invoegingshuttle zal verschijnen. Wanneer het apparaat volledig is ingetrokken, verplaatst u de arrayconnector van stuk twee naar een locatie die de volgende invoegingen niet verstoort. De polymeerelektrodearray wordt in de hersenen ingebracht en niet langer aangesloten op het stereotactische instrument.Verwijder de insertie shuttle en andere invoeghardware. Voer indien nodig extra invoegingen uit. Voor de bouw van het implantaat, na de laatste array inbrengen, lege zoutoplossing van het basisstuk, voorzichtig niet te verstoren de geïmplanteerde arrays of linten.Vul de craniectomies en het basisstuk met een geschikte kunstmatige oerseenig. En laat de kit genezen. Plaats de hardwareconnectoren waar ze niet interfereren en voer indien nodig meerdere invoegingen uit.De arrayconnectoren op de juiste manier oriënteren en aansluiten op de opnamehardware, zodat de linten in hun uiteindelijke gewenste positie staan. Tot slot, omhul de linten vanaf het punt waarop ze de kunstmatige dural kit te verlaten om de connector eindigt in een meer viskeuze siliconen gel. Volgens dit protocol leverde een representatieve 1,024-kanaals neurale implantaatopname 375 enkele eenheden op.In dit experiment werd de opnameduur voor een enkele eenheid gedurende ten minste 160 dagen gehandhaafd in gegevens van 19 apparaten over drie verschillende ratten. Van de 15 functionele apparaten werd een opnamerendementsgemiddelde van ongeveer één eenheid per kanaal verworven en individuele apparaten hadden opbrengsten van enkele eenheden tot ongeveer twee eenheden per kanaal. Tijdens het inbrengen van het apparaat is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de array shuttle droog is.Als dit niet het gaat, is de kans groot dat de array tijdens het inbrengen loskomt van de shuttle. De techniek is compatibel met andere opnamemodaliteiten, waaronder microdraden, evenals met manipulaties, waaronder elektrische simulatie en optogenetica. Deze techniek stelt ons in staat om op te nemen van dezelfde neuronen over vele dagen, waardoor het mogelijk is om te begrijpen hoe de reacties veranderen in de tijd.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Electrode Fabrication and Implantation in Aplysia californica for Multi-channel Neural and Muscular Recordings in Intact, Freely Behaving Animals

Electrode Fabrication and Implantation in Aplysia californica for Multi-channel Neural and Muscular Recordings in Intact, Freely Behaving Animals

Elektrode Fabrication en Implantatie in Aplysia californica Voor Multi-channel Neurale en gespierd Recordings in Intact, Vrij Behaving Dieren

Recording from key nerves and muscles of Aplysia during feeding behavior allows us to study the patterns of neural control in an intact animal.  ...

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

Chirurgische Implantatie van chronische neurale elektroden voor opname Single Unit Activiteit en electrocorticografische signalen

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

Fiber-optic Implantation for Chronic Optogenetic Stimulation of Brain Tissue

Glasvezel-implantatie voor chronische Optogenetic Stimulatie van hersenweefsel

Elucidating patterns of neuronal connectivity has been a challenge for both clinical and basic neuroscience. Electrophysiology has been the gold standard ...

Interfacing 3D Engineered Neuronal Cultures to Micro-Electrode Arrays: An Innovative In Vitro Experimental Model

Interfacing 3D Engineered Neuronal Cultures to Micro-Electrode Arrays: An Innovative In Vitro Experimental Model

Interfacing 3D Engineered neuronale culturen op micro-elektrode arrays: een innovatieve<em&gt; In Vitro</em&gt; Experimental Model

Currently, large-scale networks derived from dissociated neurons growing and developing in vitro on extracellular micro-transducer devices are the ...

Investigating Functional Regeneration in Organotypic Spinal Cord Co-cultures Grown on Multi-electrode Arrays

Onderzoek van functionele Regeneratie in Organotypische Spinal Cord Co-culturen Grown on Multi-elektrode arrays

Adult higher vertebrates have a limited potential to recover from spinal cord injury. Recently, evidence emerged that propriospinal connections are a ...

Spiral Ganglion Neuron Explant Culture and Electrophysiology on Multi Electrode Arrays

Spiraal Ganglion Neuron Explantatie Cultuur en elektrofysiologie op Multi Electrode Arrays

Spiral ganglion neurons (SGNs) participate in the physiological process of hearing by relaying signals from sensory hair cells to the cochlear nucleus in ...

Time-dependent Increase in the Network Response to the Stimulation of Neuronal Cell Cultures on Micro-electrode Arrays

Tijdafhankelijke toename in het netwerkrespons bij de stimulatie van neuronale celculturen op micro-elektrode arrays

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

Implantation of Chronic Silicon Probes and Recording of Hippocampal Place Cells in an Enriched Treadmill Apparatus

Implantatie van chronische Silicon sondes en opname van Hippocampal plaats cellen in een verrijkte loopband-apparaat

An important requisite for understanding brain function is the identification of behavior and cell activity correlates. Silicon probes are advanced ...

Chronic Implantation of Whole-cortical Electrocorticographic Array in the Common Marmoset

Chronische implantatie van geheel-corticale Electrocorticographic Array in de gemeenschappelijke Hapalomys

Electrocorticography (ECoG) allows the monitoring of electrical field potentials from the cerebral cortex with high spatiotemporal resolution. Recent ...