Name: chronic implantation of multiple flexible polymer electrode arrays
Uploaded: 2019-10-04T12:30:00
Duration: 8 min 54 s
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Questo lavoro è stato sostenuto dalla concessione NINDS U01NS090537 a L.M.F e V.M.T., dalla concessione NIMH F30MH109292 a J.E.C, e la sovvenzione NIMH F30MH115582 a H.R.J. J.E.C. e H.R.J. sono supportate da #T32GM007618. Il Flatiron Institute è una divisione della Fondazione Simons.

J.E.C. e L.M.F. sono inventori di un brevetto in sospeso relativo al lavoro qui descritto.

Questo è un metodo per l'impianto di più array di elettrodi polimerici in aree cerebrali distribuite per la registrazione di singole unità su mesi. Questo metodo rappresenta un aumento di 8 volte nei canali di registrazione e un aumento di 4 volte del numero di inserimenti dal sistema basato su polimeri su larga scala più vicino2,3. Tale sistema utilizzava un sistema basato sull'iniezione di mesh polimeriche nel mouse, ma non riportava un numero assoluto di unità singole putative e quindi non è possibile un confronto della resa dei singoli neuroni.
Il metodo per l'inserimento di un dispositivo flessibile si basa su un protocollo precedente di Felix et al.39, con importanti modifiche: un apparato di inserimento a tre pezzi per il movimento indipendente della navetta in silicio durante la ritrazione e il tethering dell'array alla sua profondità di destinazione prima della ritrazione della navetta, che insieme eliminano la necessità di un rapido ritiro descritto nel protocollo originale. Queste modifiche riducono al minimo i danni ai tessuti e mantengono la stabilità dell'array durante la retrazione della navetta. Altre strategie flessibili di impianto dei dispositivi, come i dispositivi di irrigidimento temporanea con materiali bio dissolvable, sono compatibili con i passaggi successivi di questo protocollo. La messa in sicurezza dei dispositivi all'interno dell'impianto ha richiesto l'integrazione di strategie precedentemente convalidate per coprire il cervello e proteggere i delicati nastri dei dispositivi.
A causa della loro fragilità, la cura e l'attenzione sono necessarie per evitare di contattare direttamente o altrimenti la forza di trasmissione agli array di elettrodi polimerici e alle navette per l'inserimento in silicio. In particolare quando si lavora con più dispositivi, l'inserimento deve essere osservato al microscopio per evitare interferenze di un dispositivo con un altro. In generale, è possibile gestire delicatamente un array di elettrodi con pinze rovesciate in plastica, evitando le tracce. Tale strategia è appropriata, ad esempio, se l'array di elettrodi polimerici inizia a ritrarsi con lo shuttle di inserimento. Ciò può verificarsi se il PEG non è completamente disciolto, o a causa della tensione superficiale di salina o CSF tra il polimero e il silicio.
Uno degli errori recuperabili più comuni è il distacco degli array dallo shuttle di inserimento. Ciò può verificarsi all'inserimento, come il cervello fossette e pressione alla punta del dispositivo aumenta, se l'array e shuttle sono perfettamente allineati o se la condensa ha parzialmente sciolto il PEG. Per aderire nuovamente un array, sollevarlo il più in alto possibile sopra la superficie del cervello e attendere che si asciughi (circa 5 min).
Un aspetto critico della pianificazione di un intervento di impianto multi-array è la progettazione del pezzo di base per ospitare tutti gli obiettivi dell'impianto e sedersi senza spazi contro il contorno del cranio. Il pezzo di base è un piccolo pezzo di plastica che viene fissato al cranio dopo la pulizia del cranio, il posizionamento della vite e craniectomie parziali, prima dell'inserimento degli array. Ha tre funzioni: 1) tenere salina per sciogliere il PEG dopo l'inserimento dell'array ma prima della retrazione dello silicio shuttle, 2) per fornire una posizione sopra la superficie del cranio a cui gli array possono essere attaccati da ali di poliimide, consentendo così il sollievo della deformazione lungo il nastro sopra il suo punto di inserimento nel cervello, e 3) per contenere sigillante durale artificiale, che stabilizza e protegge gli array e il cervello. Il pezzo base può essere modellato a mano o stampato in 3D. È stato osservato che il drenaggio e l'essiccazione del pezzo di base della salina sono molto importanti per l'inserimento del dispositivo precedente. Questi passaggi impediscono la condensazione e la separazione dell'array e dello shuttle di inserimento. L'essiccazione del pezzo di base è anche fondamentale per riempire il pezzo di base con sigillante durale artificiale. È anche importante che il pezzo di base non perda, come una pellicola di gel di silicone è difficile da rimuovere dal cranio e impedirà l'adesione dell'acrilico dentale per un affidabile attaccamento cronico dell'impianto al cranio. Si prevede che qualsiasi elastomero in silicone biocompatibile a bassa viscosità potrebbe essere usato per riempire le craniectomie e il pezzo di base, con un elastomer in silicone a viscosità più alta che lo circonda e i nastri a vista della matrice di polimeri.
I progressi nella nanofabbricazione polimerica si tradurranno in array di elettrodi basati su polimeri, riducendo le dimensioni delle caratteristiche e aumentando il possibile numero di elettrodi in un array più vicino a quello dei dispositivi di silicio15,16,17 ,18,19. Allo stesso modo, le aree trasversali dei dispositivi polimerici si ridurranno insieme alle dimensioni delle funzioni, fornendo una compatibilità ancora migliore8. Anche in questo caso, come si sta realizzando con i dispositivi in silicio, l'integrazione con amplificazione, digitalizzazione e chip multiplexing17 consentirà ulteriormente la registrazione neurale su larga scala.

Un impianto neurale ideale registrerebbe da un gran numero di singoli neuroni in aree distribuite del cervello per settimane a mesi. Gli array di elettrodi polimerici flessibili forniscono registrazioni elettrofisiologiche con la longevità di registrare per mesi e la stabilità per tracciare i singoli neuroni1,2,3. Tuttavia, le stesse proprietà meccaniche che riducono i danni alla tosatura4 e conferiscono biocompatibilità e capacità di registrazione2,3,5,6,7, 8 pongono una sfida per il loro inserimento nel cervello rispetto alle loro controparti rigide. Il lavoro precedente ha portato a termine un massimo di quattro array a 32 canali, ma il rendimento totale dei singoli neuroni putativi ordinati non è segnalato2,3,9. Al contrario, gli array di elettrodi a base di silicio sono stati utilizzati in impianti multiregione ad alta densità, ma queste tecnologie non hanno la capacità di registrare i picchi dei neuroni nel corso dei mesi (longevità) o di monitorare gli stessi neuroni (stabilità) su quella scala cronologica, o la densità di registrare da centinaia di singoli neuroni in più regioni del cervello. Il metodo qui presentato supera il basso numero di inserimenti negli attuali metodi basati sugli array di elettrodi polimerici, fornendo così mezzi per la registrazione elettrofisiologica di un gran numero di singoli neuroni in più regioni anatomiche distanti per mesi, con la stabilità di registrare dagli stessi singoli neuroni in molti giorni.
C'è qualche dibattito per quanto riguarda l'importanza di utilizzare un substrato polimerico invece di strategie basate su microfili o silicio. Come dimostrato da Dhawale et al.10, i microfili sono infatti in grado di registrare stabili lunghi mesi nei roditori, anche se gli impianti erano limitati a 16 tetrodi in un'unica regione. L'aumento delle dimensioni dell'impianto a microfilo raggiunge un limite superiore relativamente elevato, con fino a 1792 canali impiantati raggiunti in un primate non umano11. Tuttavia, la costruzione degli array di microfili è incompatibile con i processi di nanofabbricazione del silicio e richiede quindi molto tempo, richiede la gestione manuale di ogni canale singolarmente durante la costruzione12,13 ,14. Come tale, non è chiaro se questa tecnologia potrebbe supportare un aumento dell'ordine di grandezza nei canali di registrazione.
Gli attuali dispositivi in silicio possono posizionare centinaia o addirittura oltre mille elettrodi su un unico dispositivo monolitico15,16,17,18,19. Gli ultimi processi di fabbricazione del silicio generano dispositivi con aree trasversali più piccole, indipendentemente dal materiale, con conseguente attivazione meno gliale20,21,22,23 ,24 e più dispositivi conformi. C'è una variabilità nelle relazioni di sonda di silicio single-unit registrazione di longevità, alcuni indicano che relativamente grandi sonde di silicio in grado di fornire la registrazione a lungo termine25,26. In particolare, gli ultimi dispositivi in silicio disponibili in commercio17 hanno la longevità di registrare per diversi mesi e hanno aree trasversali molto simili ai gambi utilizzati nel metodo qui descritto (Jun et al. 201717: 70m x 20 m, dispositivi descritti qui e in Chung et al. 20191: 68 m – 80 m x 14 m). A causa della differenza di stabilità, questa sonda non è stato dimostrato di essere in grado di registrare dagli stessi neuroni nel corso delle settimane. Questo probabilmente è dovuto ad una combinazione dell'uso di silicio rigido così come il tethering diretto al cranio, noto per causare micromozione, instabilità, e gliosi all'interfaccia array-cervello27,28. Per costruire un dispositivo in grado di muoversi con il tessuto neurale, sono necessari materiali che sonomorbidi5,29 eflessibili 7. Molti polimeri disponibili (cfr. Geddes e Roeder30, Fattahi et al.31e Weltman et al.32 per le recensioni) hanno la flessibilità e la stabilità dei microfili e sono compatibili anche con i processi di nanofabbricazione, che consentono di l'imballaggio denso di dispositivi in silicio.
Diversi problemi di impianto neurale sono specifici per l'uso di array di elettrodi polimerici flessibili. Il primo di questi è l'inserimento dell'array, poiché gli array flessibili non hanno la rigidità di essere avanzati nel cervello come strategie basate su silicio o microfili. La maggior parte delle strategie di inserimento per i dispositivi flessibili dipende da un irrigidimento temporaneo del substrato come avviene in questo metodo (vedere Weltman et al.32 per la revisione). Ci sono cinque strategie degne di nota che non fanno uso di una navetta rigida. In primo luogo, ci sono metodi che fanno uso di materiali che passano da rigido a conforme su impianto33,34. Uno svantaggio di questa strategia è che richiede un'area trasversale relativamente grande per ottenere la forza necessaria per la penetrazione del tessuto cerebrale prima della deformazione come dettato dal calcolo della forza di deformazione di Eulero35. Questo aumento dell'area trasversale avrà un impatto negativo sulla salute del tessuto circostante20,21,22,23,24. Il secondo è l'uso di una struttura di supporto rimovibile sopra il cervello36, anche se questo richiede la rimozione o la dissoluzione di impalcature per mantenere una lunghezza minima non supportata (e un'elevata forza di deformazione). In alternativa, sarebbe necessario inserire l'array con una lunghezza non supportata più lunga, richiedendo in tal modo un substrato di array più rigido o un'area di sezione trasversale dell'array più grande. Terzo è pre-penetrazione per aprire un foro per l'array flessibile da inserire in seguito35. Ciò richiede un riallineamento preciso o un diametro pre-penetrazione relativamente grande e la rigidità dell'array di elettrodi e l'area della sezione trasversale per consentire l'inserimento non supportato. Quarto è l'uso di rivestimenti dissolvibili per irrigidire il dispositivo flessibile. Questo aumenta significativamente l'area della sezione trasversale e i danni acuti causati dall'inserimento, anche quando vengono prese precauzioni speciali per preservare la punta affilata di un dispositivo37. Quinto è l'iniezione dell'array polimerico. Questa strategia ha avuto successo nel raggiungimento di impianti con un massimo di quattro inserimenti 32 ch2, ma richiede l'utilizzo di un'area trasversale molto più grande per l'inserimento, un 250 – 1,5 mm di diametro esterno tubo capillare di vetro9, causando maggiori danni acuti. Al contrario, l'utilizzo di una navetta rimovibile, aggiungendo l'area trasversale all'inserimento acuto, consente l'uso dei materiali più rigidi possibili e può, quindi, essere la dimensione minima teorica quando si inserisce un dispositivo arbitrariamente flessibile. Così, l'inserimento utilizzando una navetta rigida è attualmente l'opzione più attraente per l'inserimento di dispositivi flessibili.
Ci sono due requisiti di qualsiasi approccio navetta di inserimento: un substrato opportunamente rigido e un modo per accoppiare il dispositivo flessibile al substrato. I materiali navetta di inserimento sono in generesilicio 38,39,40,41, acciaio inossidabile8,42o tungsteno43,44, 45, con materiali più rigidi che consentono aree trasversali più piccole. Questi sono tipicamente apposti utilizzando un adesivo come il polietilene glicole (PEG)8,38,39,42,43, forze elettrostatiche40, o diretto accoppiamento fisico45,46. In tutti i casi, le sfide sono l'allineamento e l'accoppiamento dell'array di elettrodi e dello shuttle di inserimento prima dell'inserimento e del disaccoppiamento dopo l'inserimento. Di seguito è riportato il metodo introdotto da Felix et al.39 per rinforzare temporaneamente l'array di elettrodi con una navetta di inserimento in silicio, collegata utilizzando PEG, che viene rimossa dopo l'inserimento dell'array alla sua profondità di destinazione.
Una seconda sfida presentata dai dispositivi flessibili all'interno di un impianto cronico è quella di stabilizzare il dispositivo all'interno del cervello, pur consentendo al tempo stesso l'integrated del dispositivo in un impianto collegato al cranio. Il cervello si muove rispetto al cranio a causa di pulsazioni naturali, cambiamenti edematosi post-traumatici, impatto e altre cause, e l'array di elettrodi deve quindi essere almeno un po 'libero di muoversi rispetto a dove è apposto al cranio e hardware di registrazione. Ciò si ottiene utilizzando un pezzo di base in plastica stampato in 3D, progettato su misura per ogni serie di obiettivi implantari, che ha molteplici funzioni: un serbatoio saline durante l'impianto, la posizione per letare gli array polimerici e l'alloggiamento per gel di silicone. La posizione di tetratura sopra il cranio e gel di silicone lavorano insieme per creare un raggio di curvatura maggiore per l'array e quindi consentire forze di compressione più grandi sulla matrice. Questo a sua volta permette che il movimento del cervello rispetto ai punti di ancoraggio della serie (teschio) venga tradotto in carico di deformazione.
Ulteriori sfide includono la necessità di ospitare più array e fornire un ampio sollievo sforzo per l'animale a comportarsi liberamente senza il trasferimento di vibrazioni o forze di impatto agli array di elettrodi, che può causare il movimento rispetto al tessuto neurale. Gli adattamenti alle soluzioni che sono state utilizzate in applicazioni simili in cui il cervello deve essere stabile rispetto a una finestra di registrazione rigida hanno affrontato questa sfida. Un gel di silicone in silicone in dural artificiale (Tabella dei materiali), che in precedenza è stato dimostrato essere non tossico e previene la perdita di CSF47, fornisce contropressione al cervello per prevenire il gonfiore verso l'esterno e stabilizzare l'array a la superficie del cervello. Un ulteriore strato di protezione viene aggiunto ai nastri del dispositivo dalla media viscosità, elastomer in silicone di grado chirurgico, precedentemente dimostrato per l'uso in impianti di elettrodi neurali cronici di sigillazione48. Infine, l'impianto tampone in silicone e la copertina sono racchiusi in pezzi stampati in 3D su misura per mantenere un basso centro di massa per una riduzione minima della normale mobilità dell'animale.
Questo protocollo inizia con un microelettrodo a microelettrodo polimerico flessibile montato su una navetta per l'inserimento in silicio. Procede con il montaggio del dispositivo array-shuttle ai pezzi di inserimento stampati in 3D, descrive la tecnica chirurgica e i passaggi di costruzione dell'impianto necessari per impiantare con successo un animale ed è in grado di supportare sedici polimeri multi-elettrodi array impiantati in otto regioni anatomicamente lontane in un singolo ratto1.
Questo protocollo assume i materiali di partenza degli array di elettrodi polimerici collegati dal biodissolvable adesivo polyethylene glycol (PEG) a una navetta per l'inserimento in silicio, come mostrato in Felix et al.39,e almeno due inserimenti mobili in modo indipendente pezzi: uno a cui sarà incollata la navetta in silicio e uno a cui sarà aderito il connettore dell'array di elettrodi. Questo protocollo utilizza anche un terzo pezzo di inserimento per collegare in modo più sicuro i due pezzi di inserimento a un micromanipolatore in scala micron. Tutti i file per la stampa 3D sono disponibili all'https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3DParts
Ogni array di elettrodi polimerici, utilizzato in questo metodo è costituito da due o quattro gambi di registrazione, un nastro che trasmette le tracce elettriche e, alla fine del nastro, un connettore hardware o un circuito stampato. La matrice di elettrodi e il nastro sono fissati in cima alla navetta in silicio con PEG. Ogni nastro ha un tubo di poliimide di 2 cm di spessore x 1 mm collegato al nastro tramite resina epossidica curabile UV, che si estende perpendicolare alla lunghezza del nastro. Ogni dispositivo (matrice di elettrodi e shuttle di inserimento) deve essere caricato sui pezzi di inserimento stampati in 3D che verranno utilizzati per inserire l'array nel cervello e ritirare lo shuttle (Figura 1). In questo progetto, il micromanipolatore di inserimento idraulico (verde, tavolo dei materiali) sposta l'intero apparato di inserimento (pezzo 1, pezzo 2 e il micromanipolatore di retrazione, arancione) alla sua profondità di destinazione. Una volta che l'array è stato staccato dall'apparato di inserimento e fissato, il secondo micromanipolatore di retrazione (arancione) ritrae il pezzo 1 e la navetta collegata indipendentemente dal resto dell'apparato di inserimento, rimuovendo la navetta senza spostare l'array.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig01.jpg"> Figura 1: componenti dell'inserto. (A) I pezzi 1 e 2 sono temporaneamente fissati l'uno all'altro con una vite rimovibile e saranno successivamente agganciati al pistonere micromanipolatore di retrazione (arancione). (B) L'array e lo shuttle di inserimento sono aderiti al pezzo 1 e il connettore dell'array è collegato al pezzo 2 con nastro a doppia lato. Il pezzo 3 collega il micromanipolatore di retrazione e i pezzi 1 e 2 al micromanipolatore di inserimento (verde). Il micromanipolatore di inserimento è fissato a un adattatore stereotassico per il posizionamento dell'impianto. I pezzi 1-3 sono raffigurati nelle loro dimensioni relative. Il pezzo 4 è un pezzo stabilizzante per un corretto allineamento della navetta di inserimento. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig01large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</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

Le registrazioni simultanee da grandi popolazioni di singoli neuroni attraverso regioni cerebrali distribuite da mesi ad anni consentiranno nuove strade di sviluppo scientifico e clinico. L'uso di array di elettrodi polimerici flessibili può supportare la registrazione di lunga durata, ma le stesse proprietà meccaniche che consentono la longevità della registrazione rendono più inserimenti e integrazione in un impianto cronico una sfida. Ecco una metodologia con cui più array di elettrodi polimerici possono essere indirizzati a un insieme relativamente non vincolato di aree cerebrali.
Il metodo utilizza dispositivi polimerici a pellicola sottile, selezionati per la loro biocompatibilità e capacità di ottenere interfacce di registrazione elettrofisiologica a lungo termine e stabili. L'impianto risultante consente un targeting accurato e flessibile di regioni anatomicamente lontane, stabilità fisica per mesi e robustezza al rumore elettrico. La metodologia supporta fino a sedici dispositivi inseriti in serie su otto diversi obiettivi anatomici. Come dimostrato in precedenza, la metodologia è in grado di registrare da 1024 canali. Di questi, i 512 canali di questa dimostrazione utilizzati per la registrazione di singolo neurone hanno prodotto 375 unità singole distribuite in sei siti di registrazione. È importante sottolineare che questo metodo può anche registrare singole unità per almeno 160 giorni.
Questa strategia di impianto, tra cui rinforzare temporaneamente ogni dispositivo con una navetta retrattile di inserimento in silicio, comporta il tethering dei dispositivi alle loro profondità di destinazione ad un pezzo di base in plastica aderente al cranio che è progettato su misura per ogni set di registrazione stabilizzazione/protezione dei dispositivi all'interno di una custodia in plastica con dimensioni di silicone e su misura. È inoltre trattata la preparazione di dispositivi per l'impianto e principi di progettazione che dovrebbero guidare l'adattamento a diverse combinazioni di aree cerebrali o progetti di array.

Seguendo questo protocollo, una registrazione di impianto neurale a 1.024 canali ha prodotto 375 singole unità1 (ordinate con MountainSort50, sovrapposizione del rumore < 0,03, isolamento > 0,96, 512 canali utilizzati per la registrazione di unità singola, Figura 9A). Questo protocollo può essere utilizzato per impiantare diversi numeri di dispositivi, con diversi conteggi di canali e specifiche, a diverse combinazioni di obiettivi di registrazione. Utilizzando lo stesso protocollo, la longevità di registrazione di una singola unità è stata dimostrata per almeno 160 giorni1 in dati provenienti da 19 dispositivi (18 dispositivi a 32 canali in cortice prefrontali, un dispositivo a 64 canali nella corteccia orbitofrontale) su tre ratti diversi ( Figura 9B). Uno dei tre animali ha avuto un guasto elettrico digitale con conseguente incapacità di registrare da quattro dispositivi. Dei restanti 15/19 dispositivi, c'era una media di registrazione di 1 singola unità per canale. I singoli dispositivi avevano rendimenti solo di poche unità singole fino a 2 unità per canale. È tipico vedere rese molto diverse su dispositivi impiantati nello stesso animale nella stessa regione.
Inoltre, un'altra squadra chirurgica che ha seguito il protocollo qui descritto ha impiantato altri sei animali, ciascuno con una combinazione di 4-6 dispositivi a 32 canali mirati alla corteccia orbitofrontale e al nucleo accumbens, e un iperguida tetrode (impianto totale peso di circa 50 g). Un animale ha avuto un distacco dell'impianto entro un mese dall'intervento chirurgico. Un secondo animale è morto durante il periodo di recupero post-operatorio, probabilmente non correlato alle fasi del protocollo qui descritte. I restanti quattro animali sono rimasti sani con impianti stabili che per la durata dell'esperimento, che è durato 4-11 mesi. I conteggi di unità singole erano simili a quelli precedentemente riportati per i dispositivi a 32 canali.
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig09.jpg"> Figura 9: Produzione di unità singole e longevità di registrazione. (A) Numero di cluster putativi a unità singola provenienti da 512 canali (dell'impianto a 1.024 canali), stratificati da soglie metriche di qualità. La cura automatica utilizzando MountainSort (rumore sovrapposto 0.03, isolamento 0.96, scatola nera in alto a destra) ha portato all'identificazione di 375 unità singole dai 512 canali. Riprodotto con il permesso di Neuron [Figura 2A]1. (B) Rendimenti a unità singola per matrici di polimeri per canale (asse y sinistro) o per gambo a 16 canali (asse y destro) per 160 giorni dopo l'impianto (asse x) nei ratti. La linea continua è il rendimento medio delle celle su 8 gambi, linee tratteggiate - 1 SE. I singoli punti temporali per gambo sono indicati come punti codificati a colori per regione. Riprodotto con il permesso di Neuron [Figura 3A]1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig09large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

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Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays

Di seguito è descritto un metodo per l'impianto di più array di elettrodi polimerici attraverso regioni cerebrali anatomicamente distanti per la registrazione elettrofisiologica cronica in ratti liberamente in movimento. La preparazione e l'impianto chirurgico sono descritti in dettaglio, con particolare attenzione ai principi di progettazione per guidare l'adattamento di questi metodi per l'uso in altre specie.

Impianto cronico di più array di elettrodi polimerici flessibili

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

Il metodo consente il monitoraggio di popolazioni neuronali grandi e distribuite in giorni, settimane o mesi, ponendo domande su come queste popolazioni cambiano e supportano le funzioni cognitive a portata di mano. L'impianto di più dispositivi polimerici e la relativa costruzione dell'impianto si combinano per creare una piattaforma di registrazione in grado di registrazioni ad alto numero di canali, multi-regione, a lungo termine, continue e stabili. A dimostrare la procedura sarà Clay Smyth, un tecnico del mio laboratorio.Per preparare gli array di elettrodi polimerici per l'inserimento, inserire una vite attraverso fori allineati orientati verticalmente nei due pezzi di inserimento per bloccarli insieme e tenere i pezzi in una morsa. Attaccare il nastro a doppia parte alla parte superiore del secondo pezzo e attaccare il pezzo stabilizzante all'estremità del primo pezzo. Il pezzo stabilizzante sarà tenuto in posizione per attrito.Allineare manualmente l'array di elettrodi e collegare la navetta di inserimento al segmento finale stretto del primo pezzo. Quando la sonda è allineata con l'asse longitudinale del pezzo uno, aderire al connettore array al nastro poliammide a doppia fronte sulla parte piatta del pezzo due. Con le forcep con punta in plastica, che collegano solo l'ala poliammide attaccata al nastro array, sollevare la punta del dispositivo di array di elettrodi shuttle di inserimento dal pezzo uno all'esterno del pezzo stabilizzante.Applicare 10 microlitri di un adesivo adatto alla fine del primo pezzo. Utilizzando le forcep con punta in plastica per contattare solo l'ala di poliammide attaccata al nastro dell'array, utilizzare la linguetta quadrata della navetta di inserimento per riallineare il dispositivo con lo stretto segmento del pezzo uno. Manipolare il lato dello shuttle di silicio o il piolo per effettuare piccole regolazioni di allineamento, facendo attenzione a evitare di applicare una forza eccessiva al nastro o ai gambo.Quindi utilizzare le forcep per applicare una leggera pressione verso il basso su entrambi i lati del pezzo stabilizzante e rimuovere il pezzo stabilizzante dall'assieme senza spostare l'array. Quindi, impostare il micro manipolatore del primo pezzo su una posizione estesa. Il pistone scorrerà verso una profondità terminale all'interno del pezzo uno.Caricare pezzi uno e due sul pistone di retrazione. Impostare il micro manipolatore del terzo pezzo su una posizione retrattile. Montare il secondo pezzo all'interno della parte superiore del pezzo tre con i fori allineati e caricare il pezzo tre sul pistone del micro manipolatore di inserimento.Avvitare i pezzi in posizione sul lato inferiore del pezzo tre e caricare e avvitare pezzi due e tre insieme in modo che lo spostamento del micro manipolatore di inserimento sposti l'intero apparato di inserimento. Rimuovere la vite che tiene insieme pezzi uno e due. Quindi inserire la vite nel foro laterale del pezzo uno perpendicolare al binario del pistone fino a quando la vite non applica pressione sul pistone per assicurarsi che il pezzo si muova in base al pistone retrattile.Il pezzo uno dovrebbe muoversi indipendentemente dal pezzo due, consentendo una retrazione separata della navetta di inserimento dall'apparecchio. Al termine della costruzione del dispositivo, visualizzando l'inserimento al microscopio stereo, abbassare rapidamente lo strumento stereotattico a 25 micrometri al secondo. Il dispositivo non penetrerà immediatamente nel cervello.Il grado di resistenza e fossette dipenderà dalla posizione di destinazione e dal design del dispositivo. Una volta che il dispositivo è penetrato nel cervello, passare la velocità del micro manipolatore a 10 micrometri al secondo e abbassare il dispositivo a uno o due millimetri sopra la profondità di destinazione, visualizzando le ali del dispositivo e il punto di inserimento durante l'abbassamento per evitare il distacco prematuro dell'array shuttle. Quando il dispositivo raggiunge da uno a 0,5 millimetri sopra la profondità di destinazione, rallentare l'inserimento a cinque micrometri al secondo.E poi, quando il dispositivo è a 500 micrometri di distanza dal bersaglio, rallentare l'inserimento a uno o due micrometri al secondo. Quando viene raggiunta la profondità di destinazione, asciugare il punto di attacco sul pezzo base se necessario e quindi ancorare entrambe le ali di poliammide ai siti di fissaggio del pezzo base con un adesivo adatto. Prima della dissoluzione, il piolo apparirà come una massa globulare seduta in cima all'array e all'interfaccia shuttle di inserimento.Per sciogliere il piolo, gocciolare delicatamente la temperatura corporea sull'array nel punto in cui il piolo viene aderito alla navetta. Quando il piolo si è completamente sciolto, i confini dell'array saranno percepibili dalla navetta e dal pezzo uno. Dopo che l'array è stato fissato in posizione, utilizzare il micromanipolatore di retrazione per ritirare lentamente la navetta di inserimento, continuando ad applicare singole gocce di soluzione salina sull'array mentre viene retrattile alle stesse velocità di retrazione dell'inserimento del dispositivo, osservando l'interfaccia tra l'array e la navetta di inserimento durante la retrazione.Man mano che viene ritirata, la navetta si separerà visibilmente dall'array di polimeri, che apparirà giallo traslucido tra i gambo della navetta di inserimento. Quando il dispositivo è stato completamente retratto, spostare il connettore dell'array dal pezzo due a una posizione che non interferisca con gli inserimenti successivi. L'array di elettrodi polimerici verrà inserito nel cervello e non più collegato allo strumento stereotattico.Rimuovere la navetta di inserimento e altro hardware di inserimento. Se necessario, eseguire inserimenti aggiuntivi. Per la costruzione dell'impianto, dopo l'inserimento dell'array finale, svuotare la salina dal pezzo base, facendo attenzione a non interrompere gli array o i nastri impiantati.Riempire le craniectomie e il pezzo base con un adeguato sigillante uditivo artificiale. E permettere al sigillante di curare. Posizionare i connettori hardware dove non interferiscono e, se necessario, eseguire più inserimenti.Orientare e collegare in modo appropriato i connettori dell'array all'hardware di registrazione, in modo che i nastri si trovano nella posizione finale desiderata. Infine, racchiudere i nastri dal punto in cui lasciano il sigillante uditivo artificiale alle estremità del connettore in un gel di silicone più viscoso. Seguendo questo protocollo, una registrazione rappresentativa di impianti neurali a 1.024 canali ha prodotto 375 unità singole.In questo esperimento, la longevità di registrazione per una singola unità è stata mantenuta per almeno 160 giorni in dati da 19 dispositivi su tre ratti diversi. Dei 15 dispositivi funzionali, è stata acquisita una media di rendimento di registrazione di circa una singola unità per canale e i singoli dispositivi hanno avuto rese di poche unità singole fino a circa due unità per canale. Durante l'inserimento del dispositivo, è importante assicurarsi che la navetta array sia asciutta.In caso di inserimento, è molto probabile che l'array si distacci dallo shuttle durante il tentativo di inserimento. La tecnica è compatibile con altre modalità di registrazione, inclusi i micro fili, nonché con manipolazioni, tra cui la simulazione elettrica e l'optogenetica. Questa tecnica ci permette di registrare dagli stessi neuroni in molti giorni, rendendo possibile capire come cambiano le risposte nel tempo.

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

Fabbricazione e impianto di elettrodi nel Aplysia californica Per registrazioni multi-canale neurale e muscolare in intatto, Animali liberamente Comportarsi

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

Ricerca

Neuroscienze

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Impianto chirurgico di elettrodi neurali cronici per la registrazione di attività singola unità e segnali Electrocorticographic

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

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Fibra ottica Impianto per la Stimolazione Optogenetic cronica del tessuto cerebrale

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

Interfacciamento 3D Engineered neuronali Culture a Micro-Electrode Array: Un innovativo<em&gt; In Vitro</em&gt; Modello sperimentale

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