Name: chronic implantation of multiple flexible polymer electrode arrays
Uploaded: 2019-10-04T12:30:00
Duration: 8 min 54 s
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Ce travail a été soutenu par la subvention NINDS U01NS90537 à L.M.F et V.M.T., la subvention du NIMH F30MH109292 à J.E.C. et la subvention du NIMH F30MH115582 à H.R.J. J.E.C. et H.R.J. sont également appuyées par nigMS MSTP #T32GM007618. L'Institut Flatiron est une division de la Fondation Simons.

J.E.C et L.M.F. sont des inventeurs d'un brevet en instance lié aux travaux décrits ici.

Il s'agit d'une méthode pour l'implantation de plusieurs réseaux d'électrodes polymères dans des zones cérébrales distribuées pour l'enregistrement d'unités uniques sur des mois. Cette méthode représente une augmentation de 8 fois des canaux d'enregistrement et une augmentation de 4 x 4 fois du nombre d'insertions du système à grande échelle à large échelle basé sur le polymère2,3. Ce système a utilisé un système à base d'injection de maille de polymère chez la souris, mais n'a pas signalé un nombre absolu d'unités uniques putatives et donc une comparaison du rendement unique de neurone n'est pas possible.
La méthode d'insertion d'un dispositif flexible est basée sur un protocole antérieur de Felix et coll.39, avec des modifications importantes : un appareil d'insertion en trois pièces pour le mouvement indépendant de la navette en silicium pendant la rétraction, et l'attache du tableau à sa profondeur cible avant la rétraction de la navette, qui, ensemble, éliminent la nécessité du retrait rapide décrit dans le protocole original. Ces changements minimisent les dommages aux tissus et maintiennent la stabilité du tableau pendant la rétraction de la navette. D'autres stratégies d'implantation d'appareils flexibles, telles que des dispositifs de raidissement temporaire avec des matériaux bio dissolvables, sont compatibles avec les étapes ultérieures de ce protocole. La sécurisation des dispositifs à l'intérieur de l'implant nécessitait l'intégration de stratégies préalablement validées pour couvrir le cerveau et protéger les rubans délicats de l'appareil.
En raison de leur fragilité, il faut prendre soin et attention pour éviter de contacter directement ou de transmettre autrement la force aux réseaux d'électrodes polymères et aux navettes d'insertion de silicium. Particulièrement lorsque vous travaillez avec plusieurs appareils, l'insertion doit être observée au microscope pour éviter les interférences d'un appareil avec un autre. En général, il est possible de manipuler un réseau d'électrodes doucement avec des forceps à pointe en plastique, en évitant les traces. Une telle stratégie est appropriée, par exemple, si le réseau d'électrodes de polymère commence à se rétracter avec la navette d'insertion. Cela peut se produire si le PEG n'est pas complètement dissous, ou en raison de la tension de surface de la saline ou CSF entre le polymère et le silicium.
L'une des erreurs récupérables les plus courantes est le détachement de tableau de la navette d'insertion. Cela peut se produire à l'insertion, comme les fossettes du cerveau et la pression à la pointe de l'appareil augmente, si le tableau et la navette sont imparfaitement alignés ou si la condensation a partiellement dissous le PEG. Pour ré-adhérer à un tableau, soulevez-le le plus haut possible au-dessus de la surface du cerveau et attendez qu'il sèche (environ 5 min).
Un aspect critique de la planification d'une chirurgie d'implantation multi-array est la conception de la pièce de base pour accueillir toutes les cibles implantaires et s'asseoir sans lacunes contre le contour du crâne. La pièce de base est une petite pièce en plastique qui est fixée au crâne après le nettoyage du crâne, le placement de vis, et les craniectomies partielles, avant l'insertion des tableaux. Il a trois fonctions : 1) pour tenir saline pour dissoudre l'insertion suivante de tableau de PEG mais avant la rétraction de navette de silicium, 2) pour fournir un emplacement au-dessus de la surface de crâne à laquelle les tableaux peuvent être attachés par des ailes de polyimide, permettant ainsi le soulagement de contrainte le long du ruban au-dessus de son point d'insertion dans le cerveau, et 3) pour tenir le scellant dural artificiel, qui stabilise et protège les tableaux et le cerveau. La pièce de base peut être façonnée à la main ou imprimée en 3D. Il a été observé que le drainage et le séchage de la pièce de base de saline sont très importants avant l'insertion de l'appareil. Ces étapes empêchent la condensation et la séparation du tableau et de la navette d'insertion. Le séchage de la pièce de base est également essentiel pour remplir la pièce de base avec un scellant dural artificiel. Il est également important que la pièce de base ne fuit pas, comme un film de gel de silicone est difficile à enlever du crâne et permettra d'éviter l'adhérence de l'acrylique dentaire pour l'attachement chronique fiable de l'implant au crâne. On s'attend à ce que n'importe quel élastomère de silicone biocompatible et à faible viscosité puisse être employé pour remplir les craniectomies et la pièce de base, avec un élastomère de silicone de viscosité plus élevé l'entourant et les rubans exposés de tableau de polymère.
Les progrès de la nanofabrication de polymères se traduiront par des réseaux d'électrodes à base de polymères, réduisant la taille des entités et augmentant le nombre possible d'électrodes dans un réseau plus proche de ceux des dispositifs de silicium15,16,17 ,18,19. De même, les zones transversales des dispositifs polymères se rétréciront à côté de la taille des entités, offrant une biocompatibilité encore meilleure8. Encore une fois, comme cela se fait avec les dispositifs de silicium, l'intégration avec l'amplification, la numérisation et le multiplexage des puces17 permettra davantage l'enregistrement neuronal à plus grande échelle.

Un implant neuronal idéal enregistrerait à partir d'un très grand nombre de neurones individuels dans les zones du cerveau distribuées sur des semaines à des mois. Les réseaux flexibles d'électrodes de polymère fournissent des enregistrements électrophysiologiques avec la longévité pour enregistrer pendant des mois et la stabilité pour suivre les neurones individuels1,2,3. Cependant, les mêmes propriétés mécaniques qui réduisent les dommages de tonte4 et confèrent la biocompatibilité et la capacité d'enregistrement2,3,5,6,7, 8 posent un défi à leur insertion dans le cerveau par rapport à leurs homologues rigides. Les travaux antérieurs ont permis d'atteindre un maximum de quatre tableaux de 32 canaux, mais le rendement total des neurones uniques putatifs triés n'est pas déclaré2,3,9. Inversement, des réseaux d'électrodes à base de silicium ont été utilisés dans des implants multirégionaux à haute densité, mais ces technologies n'ont pas la capacité d'enregistrer les pics des neurones pendant des mois (longévité) ou de suivre les mêmes neurones (stabilité) sur cette échelle de temps, ou la densité à enregistrer à partir de centaines de neurones individuels à travers plusieurs régions du cerveau. La méthode présentée ici surmonte le faible nombre d'insertions dans les méthodes actuelles basées sur le réseau d'électrodes de polymère, fournissant ainsi des moyens pour l'enregistrement électrophysiologique d'un grand nombre de neurones individuels dans de multiples régions anatomiquement éloignées pour mois, avec la stabilité d'enregistrer à partir des mêmes neurones individuels sur de nombreux jours.
Il y a un certain débat concernant l'importance d'utiliser un substrat de polymère au lieu de microwire- ou des stratégies basées sur le silicium. Comme l'ont démontré Dhawale et coll.10, les microfils sont en effet capables d'enregistrements stables de plusieurs mois chez les rongeurs, bien que les implants aient été limités à 16 tétrodes dans une seule région. L'augmentation de la taille de l'implant microfilaire atteint une limite supérieure relativement élevée, avec jusqu'à 1792 canaux implantés atteints chez un primate non humain11. Cependant, la construction des réseaux de microfils est incompatible avec les procédés de nanofabrication de silicium et prend donc énormément de temps, nécessitant une manipulation manuelle de chaque canal individuellement pendant la construction12,13 ,14. En tant que tel, il n'est pas clair si cette technologie pourrait soutenir une augmentation de l'ordre de grandeur des canaux d'enregistrement.
Les dispositifs actuels de silicium peuvent placer des centaines ou même plus d'un millier d'électrodes sur un seul dispositif monolithique15,16,17,18,19. Les derniers procédés de fabrication de silicium génèrent des dispositifs avec de plus petites zones transversales, indépendamment du matériau, résultant en moins d'activation glial20,21,22,23 ,24 appareils et plus conformes. Il y a une variabilité dans les rapports de longévité d'enregistrement d'une seule unité de sonde de silicium, certains indiquant que les sondes de silicium relativement grandes peuvent fournir l'enregistrement à long terme25,26. Notamment, les derniers dispositifs de silicium disponibles dans le commerce17 ont la longévité d'enregistrer pendant plusieurs mois et ont des zones transversales très similaires aux jarrets utilisés dans la méthode décrite ici (juin et al., 201717: 70 m x 20 m, dispositifs décrits ici et dans Chung et al. 20191: 68 m - 80 m x 14 m). En raison de la différence de stabilité, cette sonde n'a pas été démontrée pour être en mesure d'enregistrer à partir des mêmes neurones au cours des semaines. Cela est probablement dû à une certaine combinaison de l'utilisation de silicium rigide ainsi que l'attache directe au crâne, connu pour causer la micromotion, l'instabilité et la gliose à l'interface tableau-cerveau27,28. Pour construire un dispositif qui peut se déplacer avec le tissu neural, des matériaux qui sont doux5,29 etflexible 7 sont nécessaires. De nombreux polymères disponibles (voir Geddes et Roeder30, Fattahi et coll.31, et Weltman etal. 32 pour les examens) ont la flexibilité et la stabilité des microfils et sont également compatibles avec les procédés de nanofabrication, qui permettent l'emballage dense des dispositifs de silicium.
Plusieurs problèmes d'implantation neuronale sont spécifiques à l'utilisation de réseaux d'électrodes polymères flexibles. Le premier d'entre eux est l'insertion du tableau, comme les tableaux flexibles n'ont pas la rigidité pour être avancé dans le cerveau comme le silicium ou microwire à base de stratégies. La majorité des stratégies d'insertion pour les dispositifs flexibles dépendent d'un raidissement temporaire du substrat comme c'est le cas dans cette méthode (voir Weltman etal.32 pour examen). Il existe cinq stratégies notables qui ne font pas usage d'une navette rigide. Tout d'abord, il existe des méthodes qui font usage de matériaux qui passent de rigide à conforme à l'implantation33,34. Un inconvénient de cette stratégie est qu'elle nécessite une zone transversale relativement grande pour atteindre la force requise pour la pénétration du tissu cérébral avant de boucler comme dictée par le calcul de force de boucle d'Euler35. Cette augmentation de la zone transversale aura un impact négatif sur la santé des tissus environnants20,21,22,23,24. Deuxièmement, il faut utiliser une structure de soutien amovible au-dessus du cerveau36,bien que cela nécessite un déplacement ou une dissolution de l'échafaudage pour maintenir une longueur minimale non supportée (et une force de boucle élevée). Alternativement, il faudrait que le tableau soit inséré avec une longueur non supportée plus longue, nécessitant ainsi un substrat de réseau plus rigide ou une plus grande zone transversale de réseau. Troisièmement, la pré-pénétration pour ouvrir un trou pour le tableau flexible à insérer dans la suite35. Cela nécessite un réalignement précis ou un diamètre de pré-pénétration relativement important, ainsi qu'une rigidité du tableau d'électrodes et une zone transversale pour permettre une insertion non supportée. Quatrièmement, l'utilisation de revêtements dissolvables pour raidir l'appareil flexible. Cela augmente considérablement la zone transversale et les dommages aigus causés par l'insertion, même lorsque des précautions spéciales sont prises pour préserver la pointe pointue d'un dispositif37. Cinquièmement, l'injection du tableau de polymère. Cette stratégie a réussi à réaliser des implants avec jusqu'à quatre insertions de 32 ch2,mais nécessite l'utilisation d'une zone transversale beaucoup plus grande pour l'insertion, un tube capillaire en verre de 250 m et 1,5 mm de diamètre externe9,causant des dommages plus importants. En revanche, l'utilisation d'une navette amovible, tout en ajoutant une zone transversale à l'insertion aigue, permet l'utilisation des matériaux les plus rigides possibles, et peut, par conséquent, être la taille minimale théorique lors de l'insertion d'un dispositif arbitrairement flexible. Ainsi, l'insertion à l'aide d'une navette rigide est actuellement l'option la plus attrayante pour l'insertion d'appareils flexibles.
Il y a deux exigences de toute approche de navette d'insertion : un substrat convenablement rigide et un moyen de coupler le dispositif flexible au substrat. Les matériaux de navette d'insertion sont typiquement silicium38,39,40,41, acier inoxydable8,42, ou tungstène43,44, 45, avec des matériaux plus rigides permettant de plus petites zones transversales. Ceux-ci sont généralement apposés à l'aide d'un adhésif tel que le polyéthylène glycol (PEG)8,38,39,42,43, forces électrostatiques40, ou directe couplage physique45,46. Dans tous les cas, les défis sont l'alignement et le couplage du tableau d'électrode et de la navette d'insertion avant l'insertion et le découplage après l'insertion. Il est ci-dessous un raffinement de la méthode introduite par Felix et coll.39 pour atteler temporairement le réseau d'électrodes à une navette d'insertion de silicium, fixée à l'aide de PEG, qui est enlevée après l'insertion du tableau à sa profondeur cible.
Un deuxième défi présenté par les dispositifs flexibles au sein d'un implant chronique est celui de stabiliser l'appareil dans le cerveau tout en permettant à l'appareil d'être intégré dans un implant attaché au crâne. Le cerveau se déplace par rapport au crâne en raison de pulsations naturelles, des changements oedatifs post-traumatiques, l'impact, et d'autres causes, et le tableau d'électrode doit donc être au moins un peu libre de se déplacer par rapport à l'endroit où il est fixé au crâne et le matériel d'enregistrement. Ceci est réalisé à l'aide d'une pièce de base en plastique imprimée en 3D, conçue sur mesure pour chaque ensemble de cibles implantaires, qui a de multiples fonctions: un réservoir salin lors de l'implantation, l'emplacement pour attacher les tableaux de polymère, et le logement pour le gel de silicone. L'emplacement d'attache au-dessus du crâne et le gel de silicone travaillent ensemble pour créer un plus grand rayon de courbure pour le tableau et ainsi permettre de plus grandes forces compressives sur le tableau. Cela permet à son tour de se faire bouger du cerveau par rapport aux points d'ancrage du tableau (crâne) pour être traduit en charge de boucle.
D'autres défis incluent la nécessité d'abriter plusieurs tableaux et de fournir un soulagement de la souche ample pour l'animal de se comporter librement sans transfert de vibrations ou de forces d'impact aux réseaux d'électrodes, ce qui peut causer un mouvement par rapport au tissu neural. Les adaptations à des solutions qui ont été utilisées dans des applications similaires où le cerveau doit être stable par rapport à une fenêtre d'enregistrement rigide ont relevé ce défi. Un gel de silicone dural artificiel(Table of Materials), qui a déjà été démontré pour être non toxique et prévenir les fuites de CSF47, fournit une contre-pression au cerveau pour prévenir l'enflure vers l'extérieur et de stabiliser le tableau à la surface du cerveau. Une couche supplémentaire de protection est ajoutée aux rubans de dispositif par l'élastomère chirurgical de silicone de qualité moyenne, précédemment démontré pour l'utilisation dans sceller les implants chroniques d'électrode neurale48. Enfin, l'implant tamponné en silicone et la scène est encastré avec des pièces imprimées en 3D personnalisées conçues pour maintenir un centre de masse faible pour une réduction minimale de la mobilité normale de l'animal.
Ce protocole commence par un réseau de microélectrodes polymères flexible monté sur une navette d'insertion de silicium. Il procède avec le montage de l'appareil de tableau-navette aux pièces d'insertion 3D-imprimées, décrit la technique chirurgicale et les étapes de construction d'implant s'accumulent pour implanter avec succès un animal, et est capable de soutenir seize polymères multi-électrodes des tableaux implantés dans huit régions anatomiquement éloignées dans un seul rat1.
Ce protocole suppose les matériaux de départ des tableaux d'électrodes de polymère attachés par le polyéthylène glycol (PEG) adhésif biodissoluble (PEG) à une navette d'insertion de silicium, comme indiqué dans Felix et al.39, et au moins deux insertion mobile indépendante pièces : une à laquelle la navette en silicium sera collée et une à laquelle le connecteur du tableau d'électrode sera adhéré. Ce protocole utilise également une troisième pièce d'insertion pour attacher plus solidement les deux pièces d'insertion à un micromanipulateur à l'échelle d'un micron. Tous les fichiers pour l'impression 3D peuvent être trouvés à: https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3DParts
Chaque réseau d'électrodes polymères, utilisé dans cette méthode, est composé de deux à quatre tiges d'enregistrement, d'un ruban qui transmet les traces électriques et, à l'extrémité du ruban, d'un connecteur matériel ou d'un circuit imprimé. Le tableau d'électrode et le ruban sont fixés au sommet de la navette en silicium avec PEG. Chaque ruban a un tube de polyimide de 2 cm de long x 1 mm d'épaisseur attaché au ruban par époxy curable UV, s'étendant perpendiculairement à la longueur duruban. Chaque appareil (réseau électrode et navette d'insertion) doit être chargé sur les pièces d'insertion imprimées en 3D qui seront utilisées pour insérer le tableau dans le cerveau et rétracter la navette (Figure 1). Dans cette conception, le micromanipulateur d'insertion hydraulique (vert, Table des Matériaux)déplace l'ensemble de l'appareil d'insertion (pièce 1, pièce 2 et micromanipulateur de rétraction, orange) à sa profondeur cible. Une fois que le tableau a été détaché de l'appareil d'insertion et fixé, le second, micromanipulateur de rétraction (orange) rétracte la pièce 1 et la navette jointe indépendamment du reste de l'appareil d'insertion, enlevant la navette sans déplacer le tableau.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig01.jpg"> Figure 1 : Composants de l'insertion. (A) Les pièces 1 et 2 sont temporairement fixées l'une à l'autre avec une vis amovible et seront plus tard amarrées sur le piston micromanipulateur de rétraction (orange). (B) Le tableau et la navette d'insertion sont adhérés à la pièce 1 et le connecteur de tableau est fixé à la pièce 2 avec du ruban adhésif recto-verso. La pièce 3 relie le micromanipulateur de rétraction et les pièces 1 et 2 au micromanipulateur d'insertion (vert). Le micromanipulateur d'insertion est fixé à un adaptateur stéréotaxique pour le positionnement de l'implant. Les pièces 1-3 sont représentées dans leurs tailles relatives. La pièce 4 est une pièce stabilisante pour un alignement approprié de la navette d'insertion. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</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

Des enregistrements simultanés de grandes populations de neurones individuels à travers des régions cérébrales distribuées sur des mois à des années permettront de nouvelles avenues de développement scientifique et clinique. L'utilisation de réseaux d'électrodes polymères flexibles peut soutenir l'enregistrement durable, mais les mêmes propriétés mécaniques qui permettent la longévité de l'enregistrement font des insertions multiples et l'intégration dans un implant chronique un défi. Voici une méthodologie par laquelle plusieurs réseaux d'électrodes de polymère peuvent être ciblés sur un ensemble relativement spatialement sans contrainte de zones du cerveau.
La méthode utilise des dispositifs en polymère à couches minces, sélectionnés pour leur biocompatibilité et leur capacité à atteindre des interfaces d'enregistrement électrophysiologique stables et à long terme. L'implant résultant permet un ciblage précis et flexible des régions anatomiquement éloignées, la stabilité physique pendant des mois, et la robustesse au bruit électrique. La méthodologie prend en charge jusqu'à seize dispositifs insérés en série sur huit cibles anatomiques différentes. Comme nous l'avons déjà démontré, la méthodologie est capable d'enregistrer à partir de 1024 canaux. De ce nombre, les 512 canaux de cette démonstration utilisés pour l'enregistrement d'un seul neurone ont donné 375 unités individuelles réparties sur six sites d'enregistrement. Fait important, cette méthode peut également enregistrer des unités individuelles pendant au moins 160 jours.
Cette stratégie d'implantation, y compris le soutien temporaire de chaque appareil avec une navette d'insertion de silicium rétractable, consiste à attacher des dispositifs à leur profondeur cible à une pièce de base en plastique adhéré au crâne qui est conçue sur mesure pour chaque ensemble d'enregistrement et la stabilisation/protection des appareils dans un boîtier en plastique rempli de silicone et conçu sur mesure. La préparation d'appareils d'implantation et les principes de conception qui devraient guider l'adaptation à différentes combinaisons de zones du cerveau ou de conceptions de tableaux sont également abordées.

Suite à ce protocole, un enregistrement d'implant neuronal de 1 024 canaux a donné 375 unités simples1 (triées avec MountainSort50, le chevauchement de bruit 'lt; 0.03, isolation 'gt; 0.96, 512 canaux utilisés pour l'enregistrement d'une seule unité, Figure 9A). Ce protocole peut être utilisé pour implanter différents nombres d'appareils, avec différents nombres de canaux et spécifications, à différentes combinaisons de cibles d'enregistrement. En utilisant le même protocole, la longévité d'enregistrement d'une seule unité a été démontrée pendant au moins 160 jours1 dans les données de 19 dispositifs (18 dispositifs de 32 canaux dans les cortices préfrontaux, un dispositif de 64 canaux dans le cortex orbitofrontal) à travers trois rats différents ( Figure 9B). L'un des trois animaux a subi une panne électrique numérique, ce qui a entraîné l'incapacité d'enregistrer à partir de quatre appareils. Sur les 15/19 appareils restants, il y avait une moyenne de rendement d'enregistrement de 1 unité unique par canal. Les appareils individuels n'avaient des rendements que de quelques unités individuelles jusqu'à 2 unités par canal. Il est typique de voir des rendements très différents sur les dispositifs implantés dans le même animal dans la même région.
En outre, une équipe chirurgicale différente suivant le protocole décrit ici a implanté six animaux additionnels chacun avec une combinaison de 4-6 dispositifs 32 canaux visés au cortex orbitofrontal et aux accumbens de noyau, et d'un hyperdrive de tétrode (implant total d'environ 50 g). Un animal a eu un implant se détacher dans un mois de la chirurgie. Un deuxième animal est mort pendant la période de rétablissement postopératoire, probablement sans rapport avec les étapes de protocole décrites ici. Les quatre autres animaux sont restés en bonne santé avec des implants stables que pour la durée de l'expérience, qui a duré 4-11 mois. Le nombre d'unités uniques était semblable à celui signalé précédemment pour les appareils à 32 canaux.
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig09.jpg"> Figure 9 : Rendement d'une seule unité et longévité enregistrant. (A) Nombre de grappes d'unité unique présumées provenant de 512 canaux (sur l'implant de 1 024 canaux), stratifiés par des seuils métriques de qualité. La curation automatisée à l'aide de MountainSort (bruit se chevauche0,03, isolation 0,96, boîte noire en haut à droite) a permis d'identifier 375 unités uniques des 512 canaux. Reproduit avec la permission de Neuron [Figure 2A]1. (B) Rendements unitaires pour les réseaux de polymères par canal (axe y gauche) ou par tige de 16 canaux (axe y droit) sur 160 jours après l'implantation (axe X) chez les rats. La ligne solide est le rendement cellulaire moyen à travers 8 tiges, lignes pointillées - 1 SE. Les points de temps individuels par tige sont indiqués comme points de couleur par région. Reproduit avec la permission de Neuron [Figure 3A]1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig09large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>

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Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays

Décrit ci-dessous est une méthode pour l'implantation de plusieurs réseaux d'électrodes de polymère à travers les régions anatomiquement éloignées du cerveau pour l'enregistrement électrophysiologique chronique chez les rats en mouvement libre. La préparation et l'implantation chirurgicale sont décrites en détail, en mettant l'accent sur les principes de conception pour guider l'adaptation de ces méthodes pour une utilisation dans d'autres espèces.

Implantation chronique de multiples réseaux d'électrodes polymères flexibles

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

La méthode permet de surveiller de grandes populations neuronales réparties pendant des jours, des semaines ou des mois, ce qui pose des questions sur la façon dont ces populations changent et soutiennent les fonctions cognitives à portée de main. L’implantation de plusieurs dispositifs polymères et la construction d’implants connexes se combinent pour faire une plate-forme d’enregistrement capable de compter à haut canal, multi-région, à long terme, continue, et des enregistrements stables. Clay Smyth, technicien de mon laboratoire, démontrera la procédure.Pour préparer les tableaux d’électrodes polymères pour l’insertion, insérez une vis à travers des trous alignés orientés verticalement dans les deux pièces d’insertion pour les verrouiller ensemble et tenir les pièces dans un vice. Attachez du ruban adhésif à double face au haut de la deuxième pièce et fixez la pièce stabilisatrice à la fin de la première pièce. La pièce stabilisatrice sera maintenue en place par frottement.Alignez manuellement le tableau d’électrodes et fixez la navette d’insertion au segment d’extrémité étroit de la première pièce. Lorsque la sonde est alignée avec l’axe longitudinal de la pièce 1, adhérez le connecteur du tableau au ruban à double face en polyamide sur la partie plate de la pièce deux. À l’aide de forceps inclinés en plastique, reliant uniquement l’aile en polyamide fixée au ruban de tableau, soulevez la pointe du dispositif de tableau d’électrode de la navette d’insertion de la pièce 1 à l’extérieur de la pièce stabilisatrice.Appliquer 10 microlitres d’un adhésif approprié à la fin de la première pièce. À l’aide des forceps à pointes en plastique pour ne contacter que l’aile en polyamide fixée au ruban de tableau, utilisez l’onglet carré de la navette d’insertion pour réaligner l’appareil avec le segment étroit de la pièce 1. Manipulez le côté de la navette en silicium ou de la cheville pour faire de petits ajustements d’alignement, en prenant soin d’éviter d’appliquer une force excessive sur le ruban ou les jarrets.Utilisez ensuite les forceps pour appliquer une légère pression vers le bas des deux côtés de la pièce stabilisatrice et retirez la pièce stabilisatrice de l’assemblage sans déplacer le tableau. Ensuite, réglez le micro manipulateur de la première pièce à une position étendue. Le piston glissera à une profondeur terminale à l’intérieur de la première pièce.Chargez les morceaux un et deux sur le piston de rétractation. Réglez le micro manipulateur de la troisième pièce à une position rétractée. Adaptez la deuxième pièce dans la partie supérieure de la pièce trois avec les trous alignés et chargez la pièce trois sur le piston micro manipulateur d’insertion.Vissez les pièces en place sur le dessous de la pièce trois, et chargez et vissez les morceaux deux et trois ensemble de sorte que le déplacement du micro manipulateur d’insertion déplacera l’ensemble de l’appareil d’insertion. Retirez la vis qui tient les morceaux un et deux ensemble. Insérez ensuite la vis dans le trou latéral de la pièce un perpendiculaire à la voie de piston jusqu’à ce que la vis applique une pression sur le piston pour s’assurer que la pièce on se déplace conformément au piston de rétractation.La pièce 1 doit se déplacer indépendamment de la pièce deux, ce qui permet une rétractation séparée de la navette d’insertion de l’appareil. Lorsque la construction de l’appareil est terminée, en regardant l’insertion sous un microscope stéréo, abaissez rapidement l’instrument stéréotaxique à 25 micromètres par seconde. L’appareil ne pénétrera pas immédiatement dans le cerveau.Le degré de résistance et de fossette dépendra de l’emplacement de la cible et de la conception de l’appareil. Une fois que l’appareil a pénétré le cerveau, passez la vitesse du micro manipulateur à 10 micromètres par seconde et abaissez l’appareil à un à deux millimètres au-dessus de la profondeur de la cible, en visualisant les ailes de l’appareil et le point d’insertion pendant l’abaissement pour éviter le détachement prématuré du réseau de navettes. Lorsque l’appareil atteint entre un et 0,5 millimètre au-dessus de la profondeur cible, ralentissez l’insertion à cinq micromètres par seconde.Et puis, lorsque l’appareil est à 500 micromètres de la cible, ralentir l’insertion à un à deux micromètres par seconde. Lorsque la profondeur de la cible est atteinte, séchez le point d’attache sur la pièce de base au besoin, puis ancrez les deux ailes de polyamide aux emplacements d’attachement de la pièce de base avec un adhésif approprié. Avant la dissolution, la cheville apparaîtra comme une masse globulaire assise au sommet du tableau et de l’interface de la navette d’insertion.Pour dissoudre la cheville, égouttez doucement la température corporelle saline sur le tableau au point où la cheville est adhéré à la navette. Lorsque la cheville s’est complètement dissoute, les limites du tableau seront discernables à partir de la navette et de la pièce 1. Une fois que le tableau est fixé en place, utilisez le micromanipulateur de rétractation pour retirer lentement la navette d’insertion, en continuant à appliquer des gouttes individuelles de solution saline sur le tableau car il est rétracté aux mêmes taux de rétractation que l’appareil a été inséré, en observant l’interface entre le tableau et la navette d’insertion pendant la rétractation.Au fur et à mesure qu’elle sera rétractée, la navette se séparera visiblement du réseau de polymères, qui apparaîtra jaune translucide entre les jarrets de la navette d’insertion. Lorsque l’appareil a été entièrement rétracté, déplacez le connecteur du tableau de la pièce deux vers un emplacement qui n’interférera pas avec les insertions ultérieures. Le tableau d’électrodes polymères sera inséré dans le cerveau et n’est plus connecté à l’instrument stéréotaxique.Retirez la navette d’insertion et d’autres matériels d’insertion. Si nécessaire, effectuez des insertions supplémentaires. Pour la construction de l’implant, après l’insertion du tableau final, videz la solution saline de la pièce de base, en prenant soin de ne pas perturber les tableaux ou rubans implantés.Remplissez les craniectomies et la pièce de base d’un scellant dural artificiel approprié. Et permettre au scellant de guérir. Placez les connecteurs matériels là où ils n’interfèrent pas et, si nécessaire, effectuez plusieurs insertions.Orientez et branchez correctement les connecteurs de tableau au matériel d’enregistrement, ainsi les rubans sont dans leur position désirée finale. Enfin, envelopper les rubans à partir du point où ils laissent le scellant dural artificiel au connecteur se termine par un gel de silicone plus visqueux. Suivant ce protocole, un enregistrement représentatif d’implant neural de canal 1,024 a donné 375 unités individuelles.Dans cette expérience, la longévité d’enregistrement pour une seule unité a été maintenue pendant au moins 160 jours dans les données de 19 dispositifs sur trois rats différents. Sur les 15 appareils fonctionnels, une moyenne de rendement d’enregistrement d’environ une unité a été acquise par canal, et les appareils individuels avaient des rendements de quelques unités individuelles jusqu’à environ deux unités par canal. Lors de l’insertion de l’appareil, il est important de s’assurer que la navette réseau est sèche.Si ce n’est pas le cas, il y a de fortes chances que le tableau se détache de la navette lors d’une tentative d’insertion. La technique est compatible avec d’autres modalités d’enregistrement, y compris les micro fils, ainsi qu’avec les manipulations, y compris la simulation électrique et l’optogénétique. Cette technique nous permet d’enregistrer à partir des mêmes neurones pendant de nombreux jours, ce qui permet de comprendre comment les réponses changent au fil du temps.

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

Fabrication des électrodes et l&#39;implantation de Aplysia californica Des enregistrements multi-canaux neuronaux et musculaires au Intact, Animaux Librement Behaving

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

Recherche

Neurosciences

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

L&#39;implantation chirurgicale d&#39;électrodes neurales chroniques pour l&#39;enregistrement d&#39;activité Unité unique et Signaux Electrocorticographic

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

Fibre optique d&#39;implantation pour la stimulation chronique optogenetic de tissu cérébral

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

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Cultures interface 3D Engineered neuronales à des micro-électrodes tableaux: Une innovante<em&gt; In Vitro</em&gt; Modèle expérimental

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

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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

Spiral Ganglion Neuron Explantation Culture et électrophysiologie sur multi-électrodes Arrays

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Augmentation de la réponse du réseau à la stimulation des cultures cellulaires neuronales sur les tableaux de microélectrodes

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

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Implantation des sondes de silicium chronique et enregistrement des cellules hippocampiques Place dans un appareil de tapis roulant enrichi

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

Implantation chronique d’ensemble-corticale Electrocorticographic tableau dans l’ouistiti commun

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