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

Dette arbeidet ble støttet av NINDS gi U01NS090537 til L. M. F og V.M.T., NIMH gi F30MH109292 til J. E. C, og NIMH gi F30MH115582 til H.R.J. J.E.C. og H.R.J. er også støttet av NIGMS MSTP Grant #T32GM007618. Flatiron Institute er en divisjon av Simons Foundation.

JD og L.M.F. er oppfinnere på en ventende patent knyttet til arbeidet som er beskrevet her.

Dette er en metode for implantation av flere polymer elektrode rekker å distribueres hjernen områder for innspilling av enkeltenheter over måneder. Denne metoden representerer en 8x økning i opptaks kanaler og 4X økning i antall innsettinger fra nærmeste stor skala polymer-array basert system2,3. At systemet benyttet en polymer mesh injeksjon-basert system i mus, men ikke rapportere et absolutt antall antatte enkeltenheter og dermed en sammenligning av enkelt Nevron yield er ikke mulig.
Metoden for innsetting av en fleksibel enhet er basert på en tidligere protokoll fra Felix et al.39, med viktige modifikasjoner: en tre-brikke innsetting apparat for uavhengig bevegelse av silisium shuttle under tilbaketrekking, og tethering av array på sin mål dybde før tilbaketrekking av shuttle, som til sammen eliminerer behovet for rask uttak beskrevet i den opprinnelige protokollen. Disse endringene redusere vevsskade og opprettholde array stabilitet under tilbaketrekking av shuttle. Andre fleksible strategier for enhets implantat, for eksempel midlertidig stivne av enheter med bio-dissolvable materialer, er kompatible med påfølgende trinn i denne protokollen. Sikring av enheter i implantatet nødvendig integrere tidligere validerte strategier for å dekke hjernen og beskytte den delikate enheten bånd.
På grunn av deres skjørhet, omsorg og oppmerksomhet er nødvendig for å unngå direkte kontakt eller på annen måte overføre kraft til polymer elektrode arrays og silisium innsetting shuttle. Spesielt når du arbeider med flere enheter, bør innsetting observeres under et mikroskop for å unngå interferens med en enhet med en annen. Generelt er det mulig å håndtere en elektrode matrise forsiktig med plast tippet tang, unngå spor. En slik strategi er hensiktsmessig, for eksempel hvis polymer elektrode array begynner å trekke tilbake med innsetting shuttle. Dette kan skje hvis PEG ikke er helt oppløst, eller på grunn av overflatespenning av saltvann eller CSF mellom polymer og silisium.
En av de vanligste utvinnbare feilene er array avløsning fra innsetting shuttle. Dette kan skje ved innsetting, som hjernen Dimples og trykk på enheten spissen øker, hvis array og shuttle er ufullkomment justert eller hvis kondens har delvis oppløst PINNEN. Å re-følge en matrise, heve den så høyt som mulig over hjernen overflaten og vente på den tørke (ca 5 min).
Et kritisk aspekt ved planlegging av en multi-array implantat kirurgi er utformingen av basen brikke for å imøtekomme alle implantat mål og sitte uten hull mot konturen av skallen. Basen stykket er en liten plast stykke som er festet til skallen etter skallen rengjøring, Skrue plassering, og delvis craniectomies, før innsetting av arrays. Den har tre funksjoner: 1) for å holde saltvann for oppløsning av PEG følgende array innsetting, men før silisium shuttle tilbaketrekking, 2) å gi et sted over skallen overflaten som arrays kan festes ved Polyimide vinger, og dermed tillater strekkavlastning langs båndet over sitt innsettingspunkt i hjernen, og 3) for å holde kunstig dural tetningsmasse, som stabiliserer og beskytter arrays og hjernen. Basen brikken kan fashioned for hånd eller 3D-trykt. Det ble observert at drenering og tørking basen stykke saltvann er svært viktig foregående enhet innsetting. Disse trinnene forhindrer kondens og separasjon av matrisen og innsetting shuttle. Tørking basen brikken er også avgjørende for å fylle basen stykke med kunstig dural fugemasse. Det er også viktig at basen brikken ikke lekker, som en film av silikon gel er vanskelig å fjerne fra skallen og vil hindre vedheft av Dental akryl for pålitelig kronisk vedlegg av implantatet til skallen. Det er forventet at enhver lav viskositet, biokompatible silikon elastomer kan brukes til å fylle craniectomies og base brikke, med en høyere viskositet silikon elastomer rundt den og den eksponerte polymer array bånd.
Fremskritt i polymer nanofabrication vil oversette til polymer-baserte elektrode arrays, redusere funksjonen størrelser og øke mulig antall elektroder i en matrise nærmere de av silisium-enheter15,16,17 ,18,19. Tilsvarende vil de tverrsnitt områder av polymer enheter krympe sammen med funksjons størrelser, og gir enda bedre biokompatibilitet8. Igjen, som oppnås med silisium enheter, integrasjon med forsterke, digitalisering, og multipleksing chips17 vil ytterligere aktivere større skala nevrale opptak.

Et ideelt neural implantat ville ta opp fra et svært stort antall individuelle neurons i distribuerte hjernen områder over uker til måneder. Fleksible polymer elektrode rekker gir elektrofysiologisk innspillinger med lang levetid for å registrere måneder og stabiliteten til å spore individuelle neurons1,2,3. Men de samme mekaniske egenskaper som reduserer skjær skade4 og tildele biokompatibilitet og opptak evne2,3,5,6,7, 8 utgjøre en utfordring til deres innsetting i hjernen i forhold til sine stive kolleger. Tidligere arbeid oppnådd maksimalt 4 32-kanals arrays, men den totale avkastningen av sorterte antatte enkelt neurons er urapporterte2,3,9. Omvendt, silisium-baserte elektrode rekker har blitt brukt i høy tetthet, Multi-region implantater, men disse teknologiene mangler enten muligheten til å registrere pigger fra neurons over måneder (lang levetid) eller for å spore de samme neurons (stabilitet) på at tidsskalaen, eller tettheten for å ta opp fra hundrevis av individuelle neurons på tvers av flere hjerneområder. Metoden som presenteres her overvinner det lave antallet innsettinger i dagens polymer elektrode array-baserte metoder, og dermed gi midler til electrophysiologic innspillingen av et stort antall individuelle neurons i flere anatomisk fjerntliggende områder for måneder, med stabilitet til posten fra samme individuelle neurons over mange dager.
Det er noen debatt om viktigheten av å bruke en polymer substrat i stedet for microwire-eller silisium-baserte strategier. Som demonstrert av Dhawale et al.10, microwires er faktisk i stand til måneder lange stabile innspillinger i gnagere, selv om implantater var begrenset til 16 tetrodes i en enkelt region. Skalering opp størrelsen på microwire implantatet når en relativt høy øvre grense, med opptil 1792 implantert kanaler oppnådd i en ikke-menneskelige primater11. Imidlertid er byggingen av microwire arrays uforenlig med silisium nanofabrication prosesser og er derfor ekstremt tidkrevende, krever manuell håndtering av hver kanal individuelt under byggingen12,13 ,14. Som sådan, er det ikke klart om denne teknologien kan støtte en størrelsesorden økning i innspillingen kanaler.
Nåværende silisium enheter kan plassere hundrevis eller til og med over tusen elektroder på en enkelt monolittisk enhet15,16,17,18,19. De nyeste Silicon fabrikasjon prosesser generere enheter med mindre tverrsnitt områder, uavhengig av materialet, noe som resulterer i mindre gliacellene aktivisering20,21,22,23 ,24 og flere kompatible enheter. Det er en variasjon i rapporter om Silicon probe single-Unit opptak levetid, med noen indikerer at relativt store silisium sonder kan gi langsiktig opptak25,26. Spesielt de nyeste kommersielt tilgjengelige silisium enheter17 har lang levetid til å registrere i flere måneder og har tverrsnitt områder svært lik den Shanks som brukes i metoden som er beskrevet her (Jun et al. 201717: 70 μm x 20 μm, enheter som er beskrevet her og i Chung et al. 20191: 68 μm – 80 μm x 14 μm). På grunn av forskjellen i stabilitet, har denne sonden ikke blitt demonstrert for å kunne ta opp fra samme neurons over uker. Dette sannsynligvis skyldes en kombinasjon av bruk av stive silisium samt direkte tethering til skallen, kjent for å forårsake micromotion, ustabilitet, og gliosis på array-hjernen grensesnittet27,28. Å konstruere en enhet som kan bevege seg med nevrale vev, materialer som er myke5,29 og fleksibel7 er nødvendig. Mange tilgjengelige polymerer (se Geddes og Roeder30, Fattahi et al.31, og Weltman et al.32 for anmeldelser) har fleksibiliteten og stabiliteten til microwires og er også kompatible med nanofabrication prosessene, som tillater den tette pakking av silisium enheter.
Flere nevrale implantation problemer er spesifikke for bruk av fleksible polymer elektrode arrays. Den første av disse er innsetting av array, som fleksible arrays mangler stivhet å være avansert i hjernen som silisium-eller microwire-baserte strategier. De fleste innsetting strategier for fleksible enheter avhenger av en midlertidig stivne av underlaget som er gjort i denne metoden (se Weltman et al.32 for gjennomgang). Det er fem bemerkelsesverdige strategier som ikke gjør bruk av en rigid shuttle. Først er det metoder som gjør bruk av materialer som overgangen fra stive til kompatibel på implantation33,34. En ulempe med denne strategien er at det krever et relativt stort tverrsnitt for å oppnå den kraften som kreves for inntrengning av hjernevevet før knekking som diktert av Euler ' s knekking styrkeberegning35. Denne økningen i tverrsnitt vil negativt påvirke helsen til det omkringliggende vevet20,21,22,23,24. Andre er bruken av en flyttbar støtte struktur over hjernen36, selv om dette krever tidkrevende fjerning eller oppløsning av stillas for å opprettholde en minimal støttes lengde (og høy knekking kraft). Alternativt, det ville kreve at matrisen skal settes inn med en lengre støttes lengde, og dermed krever en stivere array substrat eller et større array tverrsnitt. Tredje er pre-penetrasjon å åpne et hull for den fleksible array å bli satt inn i etterpå35. Dette krever presis omstilling eller relativt stor pre-gjennomtrenging diameter, og elektrode array stivhet og tverrsnitt for å tillate ikke støttes innsetting. Fjerde er bruken av dissolvable belegg for å stive den fleksible enheten. Dette øker i betydelig grad tverrsnitt og akutte skader forårsaket av innsetting, selv når spesielle forholdsregler er tatt for å bevare den skarpe spissen av en enhet37. Femte er injeksjon av polymer array. Denne strategien har hatt suksess i å oppnå implantater med opptil 4 32-ch innsettinger2, men krever bruk av et langt større tverrsnitt for innsetting, en 250 μm-1,5 mm ytre diameter glass kapillærrør9, forårsaker større akutte skader. I kontrast, ved hjelp av en flyttbar shuttle, mens du legger tverrsnitt til den akutte innsetting, tillater bruk av stiffest mulige materialer, og kan derfor være den teoretiske minimumsstørrelsen når du setter inn en vilkårlig fleksibel enhet. Dermed er innsetting ved hjelp av en rigid shuttle for tiden det mest attraktive alternativet for innsetting av fleksible enheter.
Det er to krav til enhver innsetting shuttle tilnærming: en passende stiv substrat og en måte å par den fleksible enheten til underlaget. Innsetting shuttle materialer er vanligvis silisium38,39,40,41, rustfritt stål8,42, eller tungsten43,44, 45, med stivere materialer som gjør det mulig for mindre tverrsnitt områder. Disse er vanligvis festet ved hjelp av et klebemiddel som polyetylen glykol (PEG)8,38,39,42,43, elektrostatiske krefter40, eller direkte fysisk kopling45,46. I alle tilfeller er utfordringene justeringen og koplingen av elektrode rekken og innsetting av shuttle før innsetting og Decoupling etter innsetting. Fortalt nedenfor er en avgrensning av metoden introdusert av Felix et al.39 å midlertidig spenne elektroden array med en silisium innsetting shuttle, vedlagt ved hjelp av Peg, som er fjernet etter innsetting av array til målet dybde.
En annen utfordring som presenteres av fleksible enheter innenfor en kronisk implantat er at for å stabilisere enheten i hjernen, samtidig som at enheten skal integreres i et implantat festet til skallen. Hjernen beveger seg i forhold til skallen på grunn av naturlige pulseringer, post-traumatisk edematous endringer, innvirkning, og andre årsaker, og elektroden array må derfor være minst noe fritt til å flytte i forhold til hvor den er festet til skallen og innspillingen maskinvare. Dette oppnås ved hjelp av en 3D-trykt plast base stykke, spesialdesignet for hvert sett av implantat mål, som har flere funksjoner: en saltvann reservoar under implantation, plassering for å feste polymer arrays, og bolig for silikon gel. Den tethering plasseringen over skallen og silikon gel arbeide sammen for å skape en større radius av krumning for array og dermed gi større kompresjonskrefter på array. Dette i sin tur gir mulighet for bevegelse av hjernen i forhold til ankerpunktene i matrisen (skallen) som skal oversettes til knekking belastning.
Ytterligere utfordringer inkluderer behovet for å huse flere arrays og gi rikelig strekkavlastning for dyret å fritt oppføre seg uten overføring av vibrasjoner eller innvirkning styrker til elektroden arrays, som kan føre til bevegelse i forhold til nevrale vev. Tilpasninger til løsninger som har blitt brukt i lignende applikasjoner der hjernen må være stabil i forhold til et rigid opptaks vindu har adressert denne utfordringen. En kunstig dural tetningsmasse silikon gel (tabell av materialer), som tidligere har blitt demonstrert for å være ikke-giftig og hindre CSF lekkasje47, gir mot trykk til hjernen for å hindre ytre hevelse og å stabilisere array på hjernen overflaten. Et ekstra lag med beskyttelse er lagt til enheten bånd av middels viskositet, kirurgisk karakter silikon elastomer, tidligere demonstrert for bruk i tetting kroniske nevrale elektrode implantater48. Til slutt, silikon-bufret implantat og headstage er innkapslet med 3D-trykte brikker tilpasset designet for å opprettholde et lavt senter for masse for minimal reduksjon av dyrets normal mobilitet.
Denne protokollen starter med en fleksibel polymer microelectrode array montert til en silisium innsetting shuttle. Det fortsetter med montering av array-shuttle enheten til 3D-trykt innsetting stykker, beskriver kirurgisk teknikk og implantat konstruksjon trinnene som kreves for å kunne implantatet et dyr, og er i stand til å støtte seksten polymer multi-elektrode arrays implantert i åtte anatomisk fjerntliggende områder i en enkelt rotte1.
Denne protokollen forutsetter oppstart materialer av polymer elektrode rekker festet av biodissolvable limet polyetylen glykol (PEG) til en silisium innsetting shuttle, som vist i Felix et al.39, og minst to uavhengig bevegelig innsetting brikker: en som silisium shuttle vil bli limt og en som elektrode array ' s kontakt vil bli overholdt. Denne protokollen bruker også et tredje innsettings stykke for sikrere å feste de to innsettings brikkene til en micromanipulator med mikron skala. Alle filer for 3D-utskrift kan finnes på: https://github.com/jasonechung/PolymerProbe3DParts
Hver polymer elektrode matrise, som brukes i denne metoden består av to til fire opptaks Shanks, et bånd som formidler de elektriske sporene, og på slutten av båndet, en maskinvare kontakt eller kretskort. Elektroden array og bånd er festet på toppen av silisium shuttle med PEG. Hvert bånd har en 2 cm lang x 1 mm tykk Polyimide tube festet til båndet via UV kureres epoxy, som strekker seg vinkelrett på lengden av båndet. Hver enhet (elektrode rekke og innsetting shuttle) må lastes inn i 3D-trykte innsetting brikker som skal brukes til å sette inn matrisen inn i hjernen og trekke tilbake shuttle (figur 1). I denne designen flytter den hydrauliske innsettings micromanipulator (grønn, tabell av materialer) hele innsettings apparatet (stykke 1, 2 stk og uttrekks micromanipulator, oransje) til mål dybden. Når matrisen er løsrevet fra innsetting apparater og fast, den andre, tilbaketrekking micromanipulator (oransje) trekkes stykke 1 og den vedlagte shuttle uavhengig av resten av innsetting apparater, fjerne shuttle uten å fortrenge matrisen.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig01.jpg"> Figur 1: INSERTER komponenter. (A) brikker 1 og 2 er midlertidig festet til hverandre med en avtagbar skrue og vil senere bli forankret på tilbaketrekkingen micromanipulator stempelet (oransje). (B) Array og innsetting shuttle er overholdt brikke 1 og array kontakten er festet til brikke 2 med dobbeltsidig tape. Piece 3 forbinder uttrekks micromanipulator og bitene 1 og 2 til innsettings micromanipulator (grønn). Innsettings micromanipulator er festet til en stereotactic adapter for implantat posisjonering. Pieces 1-3 er avbildet i sine relative størrelser. Piece 4 er et stabiliserende stykke for riktig justering av innsetting shuttle. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig01large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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

Samtidige innspillinger fra store populasjoner av individuelle neurons over distribuerte hjerneregioner over måneder til år vil muliggjøre nye muligheter for vitenskapelig og klinisk utvikling. Bruk av fleksible polymer elektrode rekker kan støtte langvarig opptak, men de samme mekaniske egenskapene som muliggjør lang levetid for opptak, gjør flere innsettinger og integrering til et kronisk implantat en utfordring. Her er en metodikk der flere polymer elektrode arrays kan rettes mot en relativt romlig ubegrenset sett av hjernen områder.
Metoden utnytter Thin-Film polymer enheter, valgt for deres biokompatibilitet og evne til å oppnå langsiktige og stabile electrophysiologic innspillingen grensesnitt. Det resulterende implantatet gir nøyaktig og fleksibel målretting av anatomisk fjerntliggende områder, fysisk stabilitet i månedsvis, og robusthet til elektrisk støy. Metodikken støtter opptil seksten serielt innsatte enheter på tvers av åtte ulike anatomiske mål. Som tidligere demonstrert, metodikken er i stand til innspillingen fra 1024 kanaler. Av disse har 512 kanaler i denne demonstrasjonen brukes for enkelt Nevron innspillingen gitt 375 enkeltenheter fordelt på seks opptak nettsteder. Betydelig, denne metoden likeledes kanne fortegnelse enkeltenheter for det vil si 160 dager.
Dette implantation strategi, inkludert midlertidig oppkvikkende hver enhet med en uttrekkbar silisium innsetting shuttle, innebærer tethering av enheter på deres mål dybder til en hodeskalle-levd plast base brikke som er spesialdesignet for hvert sett med opptak mål, og stabilisering/beskyttelse av enhetene i en silikon-fylt, spesialdesignet plastetui. Også dekket er utarbeidelse av utstyr for implantation, og design prinsipper som skal veilede tilpasning til ulike kombinasjoner av hjernen områder eller array design.

Etter denne protokollen, en 1 024-kanals nevrale implantat opptak gitt 375 enkeltenheter1 (sortert med MountainSort50, støy overlapping < 0,03, isolasjon > 0,96, 512 kanaler som brukes for enkelt enhet opptak, figur 9a). Denne protokollen kan brukes til å implantatet forskjellige antall enheter, med ulike kanal tellinger og spesifikasjoner, til ulike kombinasjoner av opptaks mål. Benytter det likt protokollen, enkelt enhet innspillingen levetid er blitt bevist for det vil si 160 dager1 inne data fra 19 anordninger (18 32-kanalen anordninger inne prefrontal barken, 1 64-kanalen apparat inne orbitofrontal cortex) vannrett tre annerledes rotter ( Figur 9B). En av de tre dyrene hadde en digital elektrisk feil som resulterer i en manglende evne til å spille inn fra fire enheter. Av de resterende 15/19 enheter, var det en innspilling yield gjennomsnitt på ~ 1 enkelt enhet per kanal. Individuelle enheter hadde gir av bare noen få enkeltenheter opp til ~ 2 enheter per kanal. Det er typisk å se svært forskjellig avkastning på enheter implantert i samme dyr i samme region.
I tillegg, et annet kirurgisk team etter protokollen beskrevet her implantert seks ekstra dyr hver med en kombinasjon av 4-6 32-kanals enheter rettet mot orbitofrontal cortex og nucleus accumbens, og en sperrende Hyperdrive (totalt implantat vekt ca 50 g). Ett dyr hadde et implantat løsner innen en måned etter operasjonen. En andre dyr døde under post-operative utvinning perioden, sannsynligvis ikke er relatert til protokollen trinnene som er beskrevet her. De resterende fire dyrene forble friske med stabile implantater som for lengden på eksperimentet, som varte 4-11 måneder. Antall enkeltenheter var de samme som tidligere rapportert for 32-enheter.
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig09.jpg"> Figur 9: én-enhet yield og opptak levetid. (A) antall antatte enkelt enhet klynger fra 512 kanaler (av 1 024-kanals implantat), lagdelt av kvalitet metriske terskler. Automatiserte håndplukking med MountainSort (støy overlapping 0,03, isolering 0,96, svart boks i øvre høyre) resulterte i identifisering av 375 enkeltenheter fra de 512 kanaler. Gjengitt med tillatelse fra Nevron [figur 2A]1. (B) single-enhet gir for polymer arrays per kanal (venstre y-akse) eller per 16-kanals skaft (høyre y-akse) over 160 dager etter implantat (x-akse) i rotter. Heltrukket linje er gjennomsnittet celle yield over 8 Shanks, stiplede linjer ± 1 SE. individuelle tids punkter per skaft vises som fargekodede prikker etter region. Gjengitt med tillatelse fra Nevron [figur 3A]1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig09large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>

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

Chronic Implantation of Multiple Flexible Polymer Electrode Arrays

Beskrevet nedenfor er en metode for implantation av flere polymer elektrode rekker på tvers av anatomisk fjerne hjerneområder for kronisk elektrofysiologisk opptak i fritt bevegelige rotter. Forberedelse og kirurgisk implantat er beskrevet i detalj, med vekt på design prinsipper for å veilede tilpasning av disse metodene for bruk i andre arter.

Kronisk implantation av flere fleksible polymer elektrode rekker

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

Metoden tillater overvåking av store, distribuerte nevronale populasjoner over dager, uker eller måneder, og setter spørsmål om hvordan disse populasjonene endrer seg og støtter kognitive funksjoner innen rekkevidde. Implantasjonen av flere polymerenheter og relatert implantatkonstruksjon kombineres for å lage en opptaksplattform som er i stand til høykanalstelling, multi-region, langsiktig, kontinuerlig og stabile opptak. Å demonstrere prosedyren vil være Clay Smyth, en tekniker fra laboratoriet mitt.For å forberede polymerelektrodearrayene for innsetting, sett inn en skrue gjennom justerte vertikalt orienterte hull i de to innsettingsstykkene for å låse dem sammen og holde bitene i en skrue. Fest dobbeltsidig tape til toppen av det andre stykket, og fest stabiliserende stykke til enden av det første stykket. Stabiliseringsstykket vil bli holdt på plass av friksjon.Juster elektrodematrisen manuelt og fest innsettingstransporten til det smale endesegmentet i det første stykket. Når sonden er på linje med den langsgående aksen i del én, fester du matrisekontakten til polyamid dobbeltsidig tape på den flate delen av del to. Med plast tippet tang, koble bare polyamid vinge festet til array båndet, løft innsetting shuttle elektrode array enhet tips fra stykke en til utsiden av stabiliserende stykke.Påfør 10 mikroliter av et passende lim til enden av det første stykket. Bruk plasttippet tang til å kontakte bare polyamidvingen festet til arraybåndet, bruk den firkantede fanen på innsettingsfergen til å justere enheten med det smale segmentet av stykke en. Manipulere siden av silisium shuttle eller pinnen for å gjøre små justering justeringer, pass på å unngå å bruke overdreven kraft på båndet eller shanks.Bruk deretter tangen til å bruke skånsomt nedadgående trykk på begge sider av stabiliserende stykke og fjerne stabiliserende stykke fra enheten uten å flytte matrisen. Deretter setter du mikromanipulatoren til det første stykket til en utvidet posisjon. Stempelet vil gli til en terminaldybde inne i del en.Last bitene en og to på tilbaketrekkingstempelet. Sett mikromanipulatoren til det tredje stykket til en tilbaketrukket posisjon. Monter det andre stykket i den øverste delen av del tre med hullene justert og legg stykke tre på innsettingsmikromanipulatorstempelet.Skru brikkene på plass på undersiden av del tre, og last og skru stykker to og tre sammen slik at flytting av innsetting mikro manipulator vil flytte hele innsettingsapparatet. Fjern skruen som holder brikkene en og to sammen. Sett deretter skruen inn i sidehullet på stykket en vinkelrett på stempelsporet til skruen legger press på stempelet for å sikre at stykket man beveger seg i henhold til det tilbaketrekkende stempelet.Del en bør bevege seg uavhengig av del to, slik at en separat tilbaketrekking av innsettingsfergen fra apparatet. Når enhetskonstruksjonen er fullført, ser innsettingen under et stereomikroskop, senk raskt stereotaktisk instrument med 25 mikrometer per sekund. Enheten vil ikke trenge inn i hjernen umiddelbart.Graden av motstand og dimpling vil avhenge av målplasseringen og enhetsdesignen. Når enheten har trengt inn i hjernen, bytt mikromanipulatorhastigheten til 10 mikrometer per sekund og senk enheten til en til to millimeter over måldybden, visualiserer enhetsvingene og innsettingspunktet under senking for å unngå for tidlig shuttle array løsrivelse. Når enheten når mellom en og 0,5 millimeter over måldybden, senker du innsettingen til fem mikrometer per sekund.Og så, når enheten er 500 mikrometer unna målet, senk innsettingen til ett til to mikrometer per sekund. Når måldybden er nådd, tørk festepunktet på bunnstykket etter behov og forankr deretter begge polyamidvingene til festestedene med et passende klebemiddel. Før oppløsningen vil pinnen vises som en kuleformet masse som sitter på toppen av arrayet og innsettingsfergensgrensesnittet.For å oppløse pinnen drypp forsiktig kroppstemperatursvannet på arrayet på det punktet da pinnen følges skyttelen. Når pinnen er fullstendig oppløst, vil grensene for arrayet være merkbare fra skyttelen og stykke en. Når matrisen er festet på plass, bruk tilbaketrekkingmikromanipulatoren til å trekke inn innsettingslbussen langsomt, og fortsetter å bruke individuelle saltvannsdråper på matrisen når den trekkes tilbake med samme tilbaketrekkingshastigheter som enheten ble satt inn, og observerer grensesnittet mellom arrayet og innsettingsfergen under tilbaketrekkingen.Når den trekkes tilbake, vil skyttelbussen synlig skille seg fra polymerarrayet, som vil virke gjennomsiktig gul mellom shanks av innsettingsfergen. Når enheten er helt trukket tilbake, flytter du matrisekontakten fra del to til et sted som ikke forstyrrer etterfølgende innsettinger. Polymerelektrodearrayet vil bli satt inn i hjernen og ikke lenger koblet til det stereotaktiske instrumentet.Fjern innsettingss shuttle og annen innsettingsmaskinvare. Utfør om nødvendig flere innsettinger. For bygging av implantatet, etter den endelige array innsetting, tom saltvann fra basisstykket, være forsiktig så du ikke forstyrrer implanterte arrays eller bånd.Fyll kraniektomiene og grunnstykket med et passende kunstig duraltetningsmiddel. Og la tetningsmassen kurere. Plasser maskinvarekontaktene der de ikke forstyrrer, og utfør om nødvendig flere innsettinger.Orienter og koble matrisekontaktene til opptaksmaskinvaren på riktig måte, slik at båndene er i ønsket posisjon. Til slutt, omslutte båndene fra det punktet hvor de forlater den kunstige dural tetningsmasse til kontakten ender i en mer viskøs silikon gel. Etter denne protokollen ga et representativt 1, 024-kanals nevrale implantatopptak 375 enkeltenheter.I dette eksperimentet ble registreringsleve levetiden for en enkelt enhet opprettholdt i minst 160 dager i data fra 19 enheter på tvers av tre forskjellige rotter. Av de 15 funksjonelle enhetene ble et opptakskapasitetsgjennomsnitt på omtrent én enkelt enhet kjøpt per kanal, og individuelle enheter hadde kapasitet på noen få enkeltenheter opptil omtrent to enheter per kanal. Under innsetting av enheten er det viktig å sørge for at arrays skyttelen er tørr.Hvis det ikke er det, er det stor sannsynlighet for at matrisen vil løsne fra skyttelbussen under forsøk på innsetting. Teknikken er kompatibel med andre opptaksmodaliteter, inkludert mikroledninger, samt med manipulasjoner, inkludert elektrisk simulering og optogenetikk. Denne teknikken gjør det mulig for oss å registrere fra de samme nevronene over mange dager, noe som gjør det mulig å forstå hvordan svarene endres over tid.

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

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

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

Kirurgisk Implantasjon av kroniske Neural Elektroder for innspilling med enkel enhet Aktivitet og Electrocorticographic Signaler

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

Fiberoptisk Implantasjon for kronisk Optogenetic Stimulering av hjernevev

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

Grensesnitt 3D Engineered Nevronale kulturer til Micro-elektrode Arrays Et nyskapende<em&gt; In Vitro</em&gt; Experimental Model

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

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

Gransker Funksjonell Regeneration i organotypiske Ryggmargs Co-kulturer dyrket på Multi-elektrode Arrays

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

Spiral Ganglion Neuron Explant Culture and Electrophysiology on Multi Electrode Arrays

Spiral Ganglion Neuron Eksplantering Kultur og Elektro på Multi elektrode Arrays

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

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

Tidsavhengig økning i nettverksresponsen til stimulering av neuronale cellekulturer på mikroelektrodearrayer

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

Implantering av kronisk Silicon sonder og opptak av hippocampus sted celler i et beriket tredemølle apparat

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

Kronisk implantering av hele-kortikale Electrocorticographic matrise i den vanlige Marmoset

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