Name: chronic implantation of multiple flexible polymer electrode arrays
Uploaded: 2019-10-04T12:30:00
Duration: 8 min 54 s
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この研究は、NINDS助成金U01NS090537をL.M.FおよびV.M.T.に、NIMH助成金F30MH109292をJ.E.Cに、NIMH助成金F30MH115582をH.R.J.J.J.E.C.およびH.R.J.J.が支援#T32GM007618フラットアイアン研究所はサイモンズ財団の一部です。

J.E.C.およびL.M.F.は、ここに記載されている作品に関連する特許の発明者です。

これは、複数のポリマー電極アレイを分散脳領域に移植し、数ヶ月にわたって単一ユニットを記録する方法である。この方法は、記録チャネルの8倍の増加と、最も近い大規模ポリマーアレイベースのシステム2、3からの挿入数の4倍の増加を表す。そのシステムは、マウスでポリマーメッシュ注入ベースのシステムを利用したが、一元単一単位の絶対数を報告しなかったため、単一ニューロン収率の比較は不可能である。
フレキシブルデバイスの挿入方法はFelix et al.39の以前のプロトコルに基づいており、重要な変更点:引き込み時のシリコンシャトルの独立した動きのための3ピース挿入装置、およびアレイのテザリングシャトルの撤回前の目標深さで、元のプロトコルで説明されている迅速な撤退の必要性を一緒に排除します。これらの変更はティッシュの損傷を最小にし、シャトルの引き込みの間に配列の安定性を維持する。バイオ分解可能な材料を持つデバイスを一時的に硬化させるなど、他の柔軟なデバイス注入戦略は、このプロトコルの後続のステップと互換性があります。インプラント内のデバイスを保護するには、脳を覆い、繊細なデバイスリボンを保護するための以前に検証された戦略を統合する必要があります。
その脆弱性のために、ポリマー電極アレイおよびシリコン挿入シャトルに直接接触したり、力を伝達したりすることを避けるために注意と注意が必要です。特に複数のデバイスを使用する場合は、あるデバイスと別のデバイスの干渉を避けるために、顕微鏡下で挿入を観察する必要があります。一般に、微量を回避し、プラスチック先端鉗子で電極アレイを穏やかに処理することが可能です。このような戦略は、例えば、ポリマー電極アレイが挿入シャトルで後退し始める場合に適している。これは、PEGが完全に溶解していない場合、またはポリマーとシリコンの間の生理生理生理またはCSFの表面張力が原因で起こりうる。
最も一般的なリカバリ可能なエラーの 1 つは、挿入シャトルからの配列の取り外しです。これは、アレイとシャトルが不完全に整列している場合、または凝縮がPEGを部分的に溶解した場合に、デバイス先端の脳のディンプルと圧力が増加するにつれて、挿入時に発生する可能性があります。アレイを再付着するには、できるだけ高く上げて、乾燥するのを待ちます(約5分)。
マルチアレイ注入手術を計画する重要な側面は、すべてのインプラントターゲットを収容し、頭蓋骨の輪郭に対するギャップなしで座るベースピースの設計です。ベースピースは、アレイの挿入前に、頭蓋骨のクリーニング、ネジの配置、および部分的な頭蓋骨の後に頭蓋骨に固定される小さなプラスチック片です。それは3つの機能を有する:1)配列の挿入後にPEGを溶解するための生理生理生理を保持するが、シリコンシャトルの引き込み前に、2)アレイがポリイミド翼によって取り付けることができる頭蓋骨表面の上の位置を提供し、それによってひずみ救助を可能にする脳内の挿入点の上のリボンに沿って、3)アレイと脳を安定させ、保護する人工硬膜シーラントを保持する。ベースピースは、手で作るか、3Dプリントすることができます。生理生理のベース部分を排水および乾燥することは、装置挿入前に非常に重要であることが観察された。これらのステップは配列および挿入シャトルの結露そして分離を防ぐ。ベースピースを乾燥させるには、ベースピースを人工硬膜シーラントで充填することも重要です。また、シリコーンゲルのフィルムが頭蓋骨から取り出しにくく、頭蓋骨へのインプラントの信頼性の高い慢性的な取り付けのための歯科アクリルの付着を防ぐため、ベースピースが漏れていないことも重要です。低粘度、生体適合性シリコーンエラストマーは、頭蓋骨およびベースピースを充填するために使用され、それを取り巻くより高い粘度シリコーンエラストマーと露出したポリマーアレイリボンを使用することが期待されます。
ポリマーナノファブリケーションの進歩は、ポリマーベースの電極アレイに変換され、特徴サイズを小さくし、シリコンデバイス15、16、17に近いアレイ内の電極の数を増やします。 、18、19.同様に、ポリマーデバイスの断面領域は、特徴サイズと共に縮小し、さらに良好な生体適合性8を提供する。繰り返しますが、シリコンデバイスで行われているように、増幅、デジタル化、多重化チップ17との統合により、より大規模なニューラル記録がさらに可能になります。

理想的な神経インプラントは、数週間から数ヶ月にわたって分散脳領域の非常に多数の個々のニューロンから記録します。柔軟なポリマー電極アレイは、数ヶ月間記録する長寿と個々のニューロン1、2、3を追跡するための安定性を備えた電気生理学的記録を提供します。しかし、せん断損傷4を低減し、生体適合性および記録能力2、3、5、6、7を付与する同じ機械的特性、 8は、彼らの剛性対応に対して脳への挿入に挑戦を提起します。以前の研究は、最大4つの32チャネル配列を達成したが、ソートされた単一ニューロンの総収量は報告されていない2、3、9である。逆に、シリコンベースの電極アレイは、高密度、多領域インプラントで使用されてきましたが、これらの技術は、数ヶ月(長寿)にわたってニューロンからのスパイクを記録したり、そのタイムスケールで同じニューロン(安定性)を追跡する能力を欠いているか、または複数の脳領域にわたって数百の個々のニューロンから記録する密度。ここで提示される方法は、現在のポリマー電極アレイベースの方法における挿入数の少ない数を克服し、それによって、複数の解剖学的に遠い領域における多数の個々のニューロンの電気生理学的記録のための手段を提供する月、多くの日にわたって同じ個々のニューロンから記録する安定性を持つ。
マイクロワイヤーやシリコンベースの戦略の代わりにポリマー基板を使用することの重要性に関していくつかの議論があります。Dhawale et al.10によって示されるように、マイクロワイヤーは確かにげっ歯類で数ヶ月間安定した記録が可能であるが、インプラントは単一の領域で16個のテトロードに限られていた。マイクロワイヤーインプラントのサイズをスケールアップすると、比較的高い上限に達し、非ヒト霊長類11で達成される最大1792の埋め込まれたチャネルで。しかし、マイクロワイヤアレイの構築は、シリコンナノファブリケーションプロセスと互換性がないため、非常に時間がかかり、建設12、13の間に各チャネルを個別に手動で処理する必要があります。 、14.したがって、この技術が録画チャンネルの大幅な増加をサポートできるかどうかは明らかではありません。
現在のシリコンデバイスは、単一のモノリシックデバイス15、16、17、18、19に数百または1000以上の電極を配置することができます。最新のシリコン製造プロセスは、材料に関係なく、より小さな断面領域を持つデバイスを生成し、グリア活性化20、21、22、23を少なくします、24以上の準拠デバイス。シリコンプローブ単一単位記録寿命の報告にはばらつきがあり、比較的大きなシリコンプローブが長期記録25、26を提供できることを示すものもある。特に、市販されている最新のシリコンデバイス17は、数ヶ月間記録する寿命を持ち、ここで説明する方法で使用されるシャンクと非常によく似た断面領域を持っています(Jun et al.2017 17: 70 μm x 20 μm、ここで説明するデバイスと Chung et al. 20191: 68 μm – 80 μm x 14 μm)。安定性の違いにより、このプローブは数週間にわたって同じニューロンから記録できることが実証されていません。これは、アレイ脳界面27、28における微小運動、不安定性、および神経膠シスを引き起こすことが知られている頭蓋骨への直接テザリングと同様に、硬質シリコンの使用のいくつかの組み合わせによるものである可能性が高い。神経組織と共に移動できる装置を構築するには、柔らかい5、29、フレキシブル7の材料が必要です。多くの利用可能なポリマー(GeddesとRoeder30、Fattahi etal.31、およびレビューのためのウェルトマンら32を参照)は、マイクロワイヤーの柔軟性と安定性を有し、ナノファブリケーションプロセスと互換性があります。シリコンデバイスの緻密なパッキング。
いくつかの神経移植の問題は、柔軟なポリマー電極アレイの使用に特異的である。これらの1つ目は、柔軟なアレイがシリコンまたはマイクロワイヤーベースの戦略のような脳に進む剛性を欠いているため、アレイの挿入です。フレキシブルデバイスの挿入戦略の大半は、この方法で行われるように基板の一時的な硬化に依存します(レビューについてはWeltman etal.32を参照)。堅いシャトルを利用しない5つの注目すべき戦略がある。まず、移植33、34の際に剛性から準拠に移行する材料を利用する方法があります。この戦略の欠点は、オイラーの座屈力計算35によって指示される座屈する前に脳組織の浸透に必要な力を達成するために比較的大きな断面積を必要とすることである。断面積のこの増加は、周囲の組織の健康に悪影響を及ぼします20,21,22,23,24.第二は、脳36の上に取り外し可能な支持構造の使用であるが、これは最小限のサポートされていない長さ(および高い座屈力)を維持するために足場の時間のかかる除去または溶解を必要とする。または、サポートされていない長さの配列を長く挿入する必要があり、それによって、より堅い配列基板またはより大きな配列断面領域が必要になります。第3は、その後35に挿入されるフレキシブル配列の穴を開ける事前浸透である。これには、正確な再配置または比較的大きな事前浸透直径、および電極アレイの剛性と断面領域が必要で、サポートされていない挿入が可能です。第四は、柔軟なデバイスを硬化させるために溶解可能なコーティングの使用です。これは、装置37の鋭い先端を維持するために特別な予防措置がとられる場合でも、挿入によって引き起こされる断面領域および急性損傷を著しく増加させる。第5は、ポリマーアレイの注入である。この戦略は、最大4つの32ch挿入2でインプラントを達成することに成功しましたが、挿入のためにはるかに大きな断面領域、250 μm - 1.5 mm外径ガラスキャピラリーチューブ9を使用する必要があり、より大きな急性損傷を引き起こします。対照的に、取り外し可能なシャトルを使用して、急性挿入に断面面積を追加しながら、可能な限り硬い材料の使用を可能にし、したがって、任意に柔軟な装置を挿入する際に理論上の最小サイズにすることができる。従って、堅いシャトルを使用して挿入は現在適用範囲が広い装置を挿入するための最も魅力的な選択である。
挿入シャトルアプローチには、適切に堅い基板と、フレキシブルデバイスを基板に組み合わせた方法の2つの要件があります。挿入シャトル材料は、典型的には、シリコン38、39、40、41、ステンレス鋼8、42、またはタングステン43、44、、45は、より小さな断面領域を可能にする堅い材料と。これらは、典型的には、ポリエチレングリコール(PEG)8、38、39、42、43、静電力40、または直接などの接着剤を使用して貼付される物理カップリング45,46.いずれの場合も、挿入後の挿入および分離の前に、電極アレイと挿入シャトルの位置合わせと結合が課題です。以下に述べ、Felix etal.39によって導入された方法の改良点は、ターゲット深さにアレイを挿入した後に除去されるPEGを使用して取り付けられたシリコン挿入シャトルで電極アレイを一時的にブレースする方法である。
慢性インプラント内の柔軟な装置によって提示される第二の挑戦は、デバイスが頭蓋骨に取り付けられたインプラントに統合されることを可能にしながら、脳内の装置を安定させることである。脳は自然な脈動、外傷後の起因する起因する頭蓋骨に対して相対的に動き、外傷後の起因性の変化、衝撃、およびその他の原因により、電極アレイは、頭蓋骨と記録ハードウェアに貼り付けられた場所に対して少なくともいくらか自由に動く必要があります。これは、インプラントターゲットのセットごとにカスタム設計された3Dプリントプラスチックベースピースを使用して達成され、複数の機能を持っています:注入中の生理生理物貯蔵所、ポリマーアレイをつなぎ付ける場所、およびシリコーンゲル用ハウジング。頭蓋骨とシリコーンゲルの上のテザリング位置は、アレイの曲率の半径を大きくし、アレイ上のより大きな圧縮力を可能にするために連携します。これにより、配列(頭蓋骨)のアンカーポイントに対する脳の動きを座屈負荷に変換することができます。
さらに課題としては、複数のアレイを収容し、振動や衝撃力を電極アレイに移さずに動物が自由に振る舞うための十分な歪み緩和を提供する必要性が含まれており、これは神経組織に対する運動を引き起こす可能性があります。硬い記録ウィンドウに対して脳が安定している必要がある同様のアプリケーションで使用されているソリューションへの適応は、この課題に対処しています。人工硬膜シーラントシリコーンゲル(材料の表)は、以前に非毒性であることが実証されており、CSF漏出47を防ぐことが証明されており、外側の腫れを防ぎ、アレイを安定させるために脳に対圧を提供します。脳表面。保護の追加層は、中粘度によってデバイスリボンに追加され、外科グレードのシリコーンエラストマーは、以前に慢性神経電極インプラント48をシールする用途に使用するために実証された。最後に、シリコーン緩衝インプラントおよびヘッドステージは動物の正常な移動性の最低の減少のための低い質量の中心を維持するように設計されている3D印刷された部分によって包まれています。
このプロトコルは、シリコン挿入シャトルに取り付けられた柔軟なポリマーマイクロ電極アレイから始まります。これは、3Dプリント挿入片へのアレイシャトル装置の取り付けを進め、動物を正常に移植するために必要な外科的技術とインプラント構築ステップを説明し、16のポリマー多極をサポートすることができる単一のラット1に8つの解剖学的に遠い領域に埋め込まれた配列。
このプロトコルは、Felix etal.39に示すように、バイオ分解可能な接着剤ポリエチレングリコール(PEG)によってシリコン挿入シャトルに取り付けられたポリマー電極アレイの出発材料を仮定し、少なくとも2つの独立して可動挿入するピース:シリコンシャトルが接着され、電極アレイのコネクタが付着するものです。このプロトコルはまた、ミクロンスケールのマイクロマニピュレータに2つの挿入片をより安全に取り付けるために、第3の挿入片を使用します。3D印刷のためのすべてのファイルは次のhttps://github.com/jasonechung/PolymerProbe3DPartsで見つけることができます。
この方法で使用される各ポリマー電極アレイは、2〜4回の記録シャンク、電気的痕跡を伝えるリボン、および、リボンの端に、ハードウェアコネクタまたはプリント回路基板で構成される。電極アレイとリボンは、PEGでシリコンシャトルの上に固定されています。各リボンには、UV硬化性エポキシを介してリボンに取り付けられた長さ2cm x 1mmの厚いポリイミドチューブがあり、リボンの長さに垂直に伸びています。各デバイス(電極アレイと挿入シャトル)は、アレイを脳に挿入し、シャトルを引き込むために使用される3Dプリントの挿入片にロードする必要があります(図1)。この設計では、油圧挿入マイクロマニピュレータ(緑色、材料の表)は、挿入装置全体(ピース1、ピース2および引き込みマイクロマニピュレータ、オレンジ)をターゲット深さに移動します。アレイが挿入装置から取り外され固定されると、2番目のリトラクションマイクロマニピュレータ(オレンジ)は、挿入装置の残りの部分から独立してピース1と付属のシャトルを引き込み、シャトルを取り外さずに取り外します。配列。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig01.jpg"> 図 1: インサーター コンポーネント。 (A)ピース 1 と 2 は取り外し可能なネジで一時的に固定され、後で引き込みマイクロマニピュレータピストン (オレンジ) にドッキングされます。(B)アレイと挿入シャトルはピース1に付着し、アレイコネクタは両面テープでピース2に取り付けられています。ピース3は、リトラクションマイクロマニピュレータとピース1および2を挿入マイクロマニピュレータ(緑色)に接続する。挿入マイクロマニピュレータはインプラントの位置のための立体的なアダプターに固定される。ピース1-3は、その相対的なサイズで描かれています。ピース4は、挿入シャトルの適切な位置合わせのための安定化片である。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig01large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</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

数ヶ月から数年にわたって分散した脳領域全体の個々のニューロンの大規模な集団からの同時記録は、科学的および臨床的発展の新しい道を可能にします。柔軟なポリマー電極アレイの使用は、長持ちする記録をサポートすることができますが、記録の寿命を可能にする同じ機械的特性は、複数の挿入と慢性インプラントへの統合を困難にします。ここでは、複数のポリマー電極アレイを比較的空間的に拘束されていない脳領域のセットを標的とすることができる方法論を示す。
この方法は、その生体適合性と能力のために選択された薄膜ポリマーデバイスを利用して、長期的かつ安定した電気生理学的記録インターフェースを達成する。得られ得るインプラントは解剖学的に遠い地域の正確で、適用範囲が広いターゲティング、数ヶ月のための物理的安定性および電気騒音への強さを可能にする。この方法論は、8つの異なる解剖標的にわたって最大16台の連続挿入デバイスをサポートします。前に示したように、方法論は1024チャンネルから記録することができる。このうち、単一ニューロン記録に使用されるこのデモでは、512チャンネルが6つの記録部に分散した375の単一ユニットを生み出しました。重要なのは、この方法では、少なくとも 160 日間は単一単位を記録できることです。
この注入戦略は、引き込み式シリコン挿入シャトルで各デバイスを一時的にブレースすることを含め、記録の各セットのためにカスタム設計された頭蓋骨付きプラスチックベースピースにターゲット深さでデバイスをテザリングすることを含みます。シリコーンで満たされた、カスタム設計のプラスチックケース内のデバイスの安定化/保護をターゲットにします。また、移植のための装置の準備、および脳領域または配列の設計の異なった組み合わせへの適応を導くべき設計原理である。

このプロトコルに続いて、1,024チャンネルの神経インプラント記録は375の単一ユニット1を生み出しました(MountainSort50、ノイズオーバーラップ<0.03、分離>0.96、単一ユニット記録に使用される512チャンネル、図9A)。このプロトコルは、異なるチャンネル数と仕様を持つ異なる数のデバイスを、記録ターゲットの異なる組み合わせに移植するために使用できます。同じプロトコルを使用して、単一ユニット記録寿命は、3つの異なるラット間で19個のデバイス(前頭前皮質の18 32チャンネルデバイス、眼窩前頭皮質の1つの64チャンネルデバイス)からのデータで少なくとも160日間実証されています(図 9B)。3匹のうちの1匹はデジタル電気的障害を起こし、4つのデバイスから記録できなかった。残りの15/19デバイスのうち、チャンネルあたり約1単位の記録歩留まり平均があった。個々のデバイスの収率は、チャネルあたり最大 2 単位までわずか数ユニットでした。同じ領域に同じ動物に移植されたデバイス上で非常に異なる収率を見ることは一般的です。
さらに、ここで説明するプロトコルに従う別の外科チームは、オービト前頭皮質と側坐核を標的とする4-6 32チャネルデバイスとテトロードハイパードライブ(全インプラント)の組み合わせで、それぞれ6匹の追加動物を移植しました。重量約50g)。1匹の動物は手術の1ヶ月以内にインプラント剥離をした。術後の回復期間中に2匹目の動物が死亡し、ここで説明するプロトコルステップとは無関係である可能性が高い。残りの4匹の動物は、4-11ヶ月続いた実験の長さのために安定したインプラントで健康なままでした。単一ユニット数は、32チャンネルデバイスで以前に報告されたものと同様でした。
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig09.jpg"> 図9:単一単位収率および記録寿命。 (A)品質メトリックしきい値によって階層化された 512 チャネル(1,024 チャネルインプラントの)からの単一ユニット クラスターの数。MountainSort を使用した自動キュレーション (ノイズオーバーラップ 0.03、分離 0.96、右上のブラック ボックス) を使用すると、512 チャンネルから 375 個の単一ユニットが識別されました。ニューロンの許可を受けて再現 [図2A]1.(B)ラットにおける160日間の移植後(x軸)以上のチャネル(左Y軸)または16チャンネルシャンク(右Y軸)あたりのポリマーアレイの単単位収率。実線は、8シャンクにわたる平均細胞収率であり、点線±1 SE.シャンク当たりの個々のタイムポイントは、地域別に色分けされたドットとして表示されます。ニューロンの許可を受けて再現 [図3A]1.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig09large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

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Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays

以下に説明する、解剖学的に遠い脳領域全体に複数のポリマー電極アレイを移植し、自由に移動するラットにおける慢性電気生理学的記録を用いるための方法である。調製および外科的移植は、他の種で使用するためのこれらの方法の適応を導く設計原理に重点を置いて、詳細に記載されている。

複数のフレキシブルポリマー電極アレイの慢性移植

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

この方法は、数日、数週間、または数ヶ月にわたって大規模な分布した神経集団を監視することを可能にし、これらの集団がどのように変化し、認知機能を手の届くところにサポートするかという疑問を投げかける。複数のポリマーデバイスの移植と関連するインプラント構造は、高チャンネル数、多領域、長期、連続、および安定した記録が可能な記録プラットフォームを作るために組み合わせます。手順を実証することは、私の研究室の技術者であるクレイ・スミスです。挿入用のポリマー電極アレイを準備するには、2つの挿入片に垂直に向いた穴を通してねじを挿入し、それらを一緒にロックし、副片を保持します。両面テープを2枚目の上に貼り付け、安定化部分を最初の部分の端に取り付けます。安定部分は摩擦によって所定の位置に保持される。手動で電極アレイを位置合わせし、挿入シャトルを最初の部分の狭い端部に取り付けます。プローブがピース1の長手方向軸に合わせられたとき、ピース2の平坦な部分にポリアミド両面テープにアレイコネクタを接着します。プラスチック製のチップ鉗子で、アレイリボンに取り付けられたポリアミド翼だけを接続し、挿入シャトル電極アレイ装置先端をピース1から安定化片の外側に持ち上げます。1個目の端に適した接着剤を10マイクロリットル塗布します。プラスチック製のチップ鉗子を使用して、アレイリボンに取り付けられたポリアミド翼だけに接触し、挿入シャトルの正方形タブを使用して、デバイスをピース1の狭いセグメントに再調整します。シリコンシャトルまたはペグの側面を操作して、リボンやシャンクに過度の力を加えないように注意して、小さなアライメント調整を行います。次に、鉗子を使用して安定化片の両側に穏やかな下押し圧力をかけ、配列を動かさずにアセンブリから安定化片を取り除きます。次に、最初のピースのマイクロマニピュレータを拡張位置に設定します。ピストンは、ピース1の内側の端子深さまでスライドします。1個と2個を引き込みピストンに積み込みます。3番目のピースのマイクロマニピュレータを引き込んだ位置に設定します。2 番目のピースをピース 3 の上部に収め、穴を合わせ、挿入マイクロ マニピュレータピストンに 3 個をロードします。ピース3の下側にピースをねじ込み、挿入マイクロマニピュレータを動かして挿入装置全体を動かそうとして、2個と3個を積み込んでねじ込みます。1個と2個を一緒に保持するネジを取り外します。次に、ねじがピストンに圧力をかけるまで、ピストントラックに垂直な片の横穴にネジを挿入し、引き込みピストンに従ってピース1つが動くようにします。ピース1は、装置からの挿入シャトルの別々の引き込みを可能にする、ピース2から独立して移動する必要があります。装置の構造が完了したら、ステレオ顕微鏡の下で挿入を見て、すぐに毎秒25マイクロメートルで立体戦術機器を下げる。デバイスはすぐに脳に浸透しません。抵抗とディンプルの程度は、ターゲットの位置とデバイスの設計によって異なります。デバイスが脳に浸透したら、マイクロマニピュレータの速度を毎秒10マイクロメートルに切り替え、デバイスをターゲットの深さから1〜2ミリメートル上に下げ、デバイスの翼と下げる間の挿入点を視覚化して、早期シャトルアレイの切り離しを避けます。デバイスがターゲット深度の 1 ~ 0.5 ミリメートルに達すると、挿入速度が毎秒 5 マイクロメートルに減速します。そして、デバイスがターゲットから500マイクロメートル離れている場合は、毎秒1〜2マイクロメートルに挿入を遅くします。目標深度に達したら、必要に応じてベースピースの取り付けポイントを乾燥させ、適切な接着剤で両方のポリアミド翼をベースピースの取り付け部位に固定します。溶解する前に、ペグは配列および挿入シャトルインターフェイスの上に座っている球状の質量として現れる。ペグを溶解するには、ペグがシャトルに付着した点で、配列上に体温生理食い物を静かに滴下する。ペグが完全に溶解すると、配列の境界はシャトルとピース1から識別可能になります。配列が所定の位置に固定された後、リトラクションマイクロマニピュレータを使用して挿入シャトルをゆっくりと引き出し、デバイスが挿入されたのと同じ引き込み速度で引き込まれると、配列と挿入シャトルの間のインターフェースを観察しながら、配列に個別の生理食糸の滴を適用し続けます。それが引き込まれると、シャトルはポリマーアレイから目に見えて分離し、挿入シャトルのシャンクの間に半透明の黄色で表示されます。デバイスが完全に取り消されたら、アレイ コネクタをピース 2 から、後続の挿入を妨げない場所に移動します。ポリマー電極アレイは脳に挿入され、もはや立体的な器械に接続されなくなる。挿入シャトルおよびその他の挿入ハードウェアを取り外します。必要に応じて、追加の挿入を実行します。インプラントの構築のために、最終的な配列挿入後、基礎片からの空の生理塩分は、埋め込まれた配列またはリボンを破壊しないように注意する。適切な人工的な硬膜シーラントでクラニエクトミーとベースピースを充填します。そして、シーラントが治ることを許可します。ハードウェア コネクタを干渉しない場所に配置し、必要に応じて複数の挿入を実行します。配列コネクタを録音ハードウェアに適切に向けて接続し、リボンが最終的に望む位置になるようにします。最後に、人工的な硬膜シーラントをコネクタ端に残す点から、より粘性のあるシリコーンゲルでリボンを包みます。このプロトコルに従って、代表1,024チャネルニューラルインプラント記録は375個の単一ユニットを生み出した。本実験では、1つのユニットの記録寿命を、3つの異なるラットにわたって19個の装置からのデータで少なくとも160日間維持した。15台の機能デバイスのうち、チャンネルあたり約1ユニットの記録歩留まり平均が獲得され、個々のデバイスはチャンネルあたり約2ユニットまでの数台の単一ユニットの収率を持っていました。デバイスの挿入時には、アレイシャトルが乾燥していることを確認することが重要です。この値が指定されていない場合は、挿入の試行中に配列がシャトルから切り離される可能性が高くなります。この技術は、マイクロワイヤーを含む他の記録モダリティ、ならびに電気シミュレーションおよび光遺伝学を含む操作と互換性がある。この技術により、同じニューロンから何日もにわたって記録することができ、時間の経過とともに応答がどのように変化するかを理解することができます。

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

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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

微小電極アレイへの3Dエンジニア神経文化のインタフェース：革新的な<em&gt;インビトロ</em&gt;実験モデル

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

マルチ電極アレイ上に成長させた器官脊髄共培養における機能的再生の調査

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

マルチ電極アレイ上のらせん神経節ニューロン外植片培養と電気生理学

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

マイクロ電極アレイにおけるニューロン細胞培養の刺激に対するネットワーク応答の時間依存的増加

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

慢性的なシリコン プローブと豊かなトレッドミル装置海馬場所細胞の記録

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

一般的なセットの全皮質のシェットランドシープドッグ配列の慢性注入

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