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

Эта работа была поддержана грантом NINDS U01NS090537 L.M.F и V.M.T., грантом NIMH F30MH109292 для J.E.C., а грант NIMH F30MH115582 H.R.J. J.E.C. и H.R.J. также поддерживаются NIGMST #T32GM007618. Институт Флэтайрон является подразделением Фонда Симонса.

J.E.C и L.M.F. являются изобретателями отложенного патента, связанного с работой, описанной здесь.

Это метод имплантации нескольких полимерных электродов в распределенные области мозга для записи отдельных единиц в течение нескольких месяцев. Этот метод представляет собой 8-кратный рост каналов записи и 4x увеличение числа вставок из ближайшей крупномасштабной полимерной системы на основе2,3. Эта система использовала систему инъекций на основе полимерной сетки в мыши, но не сообщила об абсолютном количестве индикативного однозвенного, и, таким образом, сравнение выхода одного нейрона не представляется возможным.
Метод вставки гибкого устройства основан на более раннем протоколе от Felix et al.39, с важными модификациями: трехкомпонентный вставку для независимого движения кремниевого шаттла во время опрокидки и привязывания массива на своей целевой глубине до опрокидки шаттла, которые вместе устраняют необходимость быстрого вывода, описанного в первоначальном протоколе. Эти изменения минимизируют повреждения тканей и поддерживают стабильность массива во время опрокидки шаттла. Другие гибкие стратегии имплантации устройств, такие как временное ужесточение устройств с биорастворимыми материалами, совместимы с последующими шагами в этом протоколе. Обеспечение безопасности устройств в рамках имплантата потребовало интеграции ранее проверенных стратегий для покрытия мозга и защиты деликатных лент устройства.
Из-за их хрупкости, забота и внимание необходимы, чтобы избежать прямого контакта или иным образом передачи силы полимерных электродов и кремниевых шаттлов. В частности, при работе с несколькими устройствами, вставка должна наблюдаться под микроскопом, чтобы избежать вмешательства одного устройства с другим. В общем, можно аккуратно обращаться с электродным массивом с помощью пластиковых наконечником щипкеток, избегая следов. Такая стратегия подходит, например, если полимерный электродный массив начинает втягиваться с помощью шаттла для вставок. Это может произойти, если ПЭГ не полностью растворяется, или из-за поверхностного натяжения солевой или CSF между полимером и кремнием.
Одной из наиболее распространенных ошибок, извлекаемых, является отделение массива от шаттла для вставок. Это может произойти при вставке, так как ямочки мозга и давление на кончике устройства увеличивается, если массив и шаттл несовершенно выровнены или если конденсат частично растворил ПЭГ. Чтобы повторно придерживаться массива, поднимите его как можно выше поверхности мозга и подождите, пока он высохнет (примерно 5 мин).
Критическим аспектом планирования многомассивной операции по имплантации является дизайн базовой части для размещения всех целей имплантата и сидеть без зазоров против контура черепа. Базовый кусок представляет собой небольшой пластиковый кусок, который крепится к черепу после очистки черепа, винт размещения, и частичные черепа, до вставки массивов. Он имеет три функции: 1) провести солен для растворения PEG следующие вставки массива, но до кремния челнока опровержения, 2) обеспечить расположение над поверхностью черепа, к которому массивы могут быть прикреплены полиимидных крыльев, тем самым позволяя сброс напряжения вдоль ленты над его точкой вставки в мозге, и 3) провести искусственный dural герметик, который стабилизирует и защищает массивы и мозг. Базовая часть может быть вылеплена вручную или напечатана на 3D-принтере. Было отмечено, что слив и сушка базового куска солей очень важны перед вставкой устройства. Эти шаги предотвращают конденсацию и разделение массива и вставки шаттла. Сушка базовой части также имеет решающее значение для заполнения базовой части с искусственным dural герметик. Важно также, чтобы базовый кусок не протекал, так как пленку силиконового геля трудно удалить из черепа и предотвратит присоединение зубного акрила для надежного хронического крепления имплантата к черепу. Ожидается, что любой низковязки, биосовместимый силиконовый эластомер может быть использован для заполнения черепаиктомии и базовой части, с более высокой вязкостью силиконового эластомера вокруг него и подвергаются полимерных лент массива.
Достижения в полимерной нанофабрикации будет переводить на полимерной основе электродных массивов, сокращение размеров функций и увеличение возможного числа электродов в массиве ближе к тем из кремниевых устройств15,16,17 ,18,19. Аналогичным образом, поперечные области полимерных устройств будут сокращаться вместе с размерами объектов, обеспечивая еще лучшую биосовместимость8. Опять же, как это делается с кремниевыми устройствами, интеграция с усиливающимися, оцифрованных и мультиплексирующими чипами17 позволит еще больше увеличить нейронную запись.

<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

Одновременные записи из больших популяций отдельных нейронов в распределенных областях мозга в течение нескольких месяцев до нескольких лет позволят новые возможности научного и клинического развития. Использование гибких полимерных электродов может поддерживать длительную запись, но те же механические свойства, которые позволяют долговечность записи сделать несколько вставок и интеграции в хронический имплантат вызов. Вот методология, с помощью которой несколько полимерных электродов массивов могут быть направлены на относительно пространственно неограниченный набор областей мозга.
Метод использует тонкопленочные полимерные устройства, отобранные для их биосовместимости и способности для достижения долгосрочных и стабильных электрофизиологических интерфейсов записи. Полученный имплантат обеспечивает точную и гибкую ориентацию анатомически удаленных регионов, физическую стабильность в течение нескольких месяцев и надежность к электрическому шуму. Методология поддерживает до шестнадцати последовательно вставленных устройств на восьми различных анатомических мишенях. Как было показано ранее, методология способна записываться с 1024 каналов. Из них 512 каналов в этой демонстрации, используемых для записи одного нейрона, дали 375 одиночных блоков, распределенных по шести сайтам звукозаписи. Важно отметить, что этот метод также может записывать одиночные единицы, по крайней мере 160 дней.
Эта стратегия имплантации, в том числе временно крепления каждого устройства с выдвижной кремния вставки челнок, включает в себя привязывание устройств на их целевой глубины черепа прилипания пластиковый кусок базы, который специально разработан для каждого набора записи цели, и стабилизация /защита устройств в силиконовой заполнены, специально разработанный пластиковый корпус. Также рассматривается подготовка устройств для имплантации, а также принципы проектирования, которые должны направлять адаптацию к различным комбинациям областей мозга или массива конструкций.

После этого протокола, 1024-канальный нейронный имплантат записи дали 375 одноместных единиц1 (отсортированы с MountainSort50, шум перекрытия lt; 0,03, изоляция Этот протокол может быть использован для имплантации различных чисел устройств, с различными количествами каналов и спецификациями, к различным комбинациям целей записи. Используя тот же протокол, одноединое устройство, фиксирует долговечность, было продемонстрировано в течение по крайней мере 160 дней1 в данных с 19 устройств (18 32-канальных устройств в префронтальных коросях, одно 64-канальное устройство в орбитофронтальной коре) через трех различных крыс ( Рисунок 9B). У одного из трех животных произошел цифровой электрический сбой, приводящий к невозможности записи с четырех устройств. Из оставшихся устройств 15/19 средняя доходность записей составляла 1 евро за одну единицу на канал. Отдельные устройства имели доходность всего несколько единиц до 2 единиц на канал. Это типично, чтобы увидеть очень разные урожаи на устройствах, имплантированных в том же животном в том же регионе.
Кроме того, другая хирургическая бригада, следуя описанному здесь протоколу, имплантировала шесть дополнительных животных с комбинацией 4-6 32-канальных устройств, предназначенных для орбитофронтальной коры и ядра, и гиперпривода тетроде (полный имплантат вес около 50 г). В течение одного месяца после операции одному животному был отсоединен имплантат. Второе животное умерло в послеоперационный период восстановления, вероятно, не связанный с протокольными шагами, описанными здесь. Остальные четыре животных оставались здоровыми со стабильными имплантатами, которые на протяжении всего эксперимента, который длился 4-11 месяцев. Количество единиц единиц ы аналогично тем, о которых сообщалось ранее для 32-канальных устройств.
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59957/59957fig09.jpg"> Рисунок 9: выход на одну единицу и долговечность записи. (A) Количество косвенных одноедининных кластеров из 512 каналов (из 1024-канального имплантата), стратифицированных по метрическим значениям качества. Автоматизированное кураторство с использованием MountainSort (шумовое перекрытие 0.03, изоляция 0.96, черный ящик в правом верхнем углу) привело к идентификации 375 одиночных блоков из 512 каналов. Воспроизводится с разрешения Нейрона «Рисунок 2А»1. (B) Одноединая урожайность для полимерных массивов на канал (левая у-ось) или на 16-канальный хвостовик (правая у-ось) в течение 160 дней после имплантации (x-оси) у крыс. Твердая линия является средней выходной ячейки через 8 хвостовиков, пунктирные линии - 1 SE. Индивидуальные точки времени на хвостовик отображаются как цветные точки по регионам. Воспроизводится с разрешения Нейрона «Рисунок 3А»1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59957/59957fig09large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</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

Ниже описан метод имплантации нескольких полимерных электродов в анатомически удаленных областях мозга для хронической электрофизиологической записи у свободно движущихся крыс. Подготовка и хирургическая имплантация подробно описаны, с акцентом на принципы проектирования, чтобы направлять адаптацию этих методов для использования в других видах.

Хроническая имплантация нескольких гибких полимерных электродов

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

Метод позволяет контролировать большие, распределенные популяции нейронов в течение нескольких дней, недель или месяцев, ставя вопросы о том, как эти популяции меняются и поддерживают когнитивные функции в пределах досягаемости. Имплантация нескольких полимерных устройств и связанная с ними конструкция имплантатов объединяются, чтобы сделать записывающую платформу, способную к высококаналентным, многотеменным, долгосрочным, непрерывным и стабильным записям. Демонстрацией процедуры будет Клэй Смит, техник из моей лаборатории.Чтобы подготовить полимерные электродные массивы к вставке, вставьте винт через выровненные вертикально ориентированные отверстия в двух частях вставки, чтобы зафиксировать их вместе и держать кусочки в пороке. Прикрепите двустороннюю ленту к верхней части второй части и прикрепите стабилизирующий кусок к концу первой части. Стабилизирующий кусок будет проводиться на месте трения.Вручную выровнять электродный массив и прикрепить вставку шаттла к узкому сегменту конца первой части. Когда зонд выровнен с продольной оси кусок один, придерживаться массива разъем полиамида двусторонняя лента на плоской части части два. С пластиковыми наконечниками типсов, соединяющих только полиамидное крыло, прикрепленное к ленте массива, поднимите наконечник устройства электродета вставки от первой части к внешней стороне стабилизирующей части.Нанесите 10 микролитров подходящего клея на конец первой части. Используя пластиковые наконечником типсы, чтобы связаться только с полиамидным крылом, прикрепленным к ленте массива, используйте квадратную вкладку шаттла для перестройки устройства узким сегментом первой части. Манипулируйте стороной кремниевого шаттла или колышек, чтобы сделать небольшие корректировки выравнивания, заботясь, чтобы избежать применения чрезмерной силы к ленте или хвостовику.Затем используйте типсы, чтобы применить мягкое понижательное давление с обеих сторон стабилизирующей части и удалить стабилизирующий кусок из сборки, не перемещая массив. Затем установите микромипулятор первой части в расширенное положение. Поршень будет скользить к глубине терминала внутри части 1.Загрузите куски один и два на поршень опровержения. Установите микро-манипулятор третьей части в убранное положение. Fit второй кусок в верхней части части три с отверстиями выровнены и загрузить кусок три на вставку микро манипулятор поршень.Винт штук на месте на нижней части части три, и нагрузки и винт куски два и три вместе, так что перемещение вставки микро манипулятор будет двигаться весь аппарат вставки. Удалите винт, который держит куски один и два вместе. Затем вставьте винт в боковое отверстие части один перпендикулярно поршневой дорожке, пока винт не применяет давление на поршень, чтобы гарантировать, что кусок один движется в соответствии с втягивающий поршень.Кусок следует перемещать независимо от части 2, что позволяет отдельное опровержение вставки шаттла от аппарата. Когда конструкция устройства завершена, просмотр вставки под стерео микроскопом, быстро снизить стереотаксического инструмента на 25 микрометров в секунду. Устройство не будет проникать в мозг сразу.Степень сопротивления и ямочка будет зависеть от целевого местоположения и конструкции устройства. После того, как устройство проникло в мозг, переключитесь на скорость микромипулятора до 10 микрометров в секунду и опустите устройство на один-два миллиметра выше целевой глубины, визуализируя крылья устройства и точку вставки при опускаи, чтобы избежать преждевременного отслоения челночного массива. Когда устройство достигает от одного до 0,5 миллиметра над целевой глубиной, замедлить вставку до пяти микрометров в секунду.А затем, когда устройство находится на 500 микрометрах от цели, замедляют вставку до одного-двух микрометров в секунду. Когда целевая глубина достигается, высушите точку крепления на базовом куске по мере необходимости, а затем прикрешите оба полиамидных крыла к местам крепления базовой части с подходящим клеем. До растворения колышек будет отображаться как шаровая масса, сидящая на вершине массива и интерфейса шаттла вставки.Чтобы растворить колышек, аккуратно капельного солевого раствора температуры тела на массиве в точке, в которой колышек прилипает к шаттлу. Когда привязка полностью растворилась, границы массива будут различимы от шаттла и первой части. После того, как массив установлен на месте, используйте микроманипулятор опровержения, чтобы медленно снять вставку шаттла, продолжая применять отдельные капли солевого раствора на массив, как это втягивается с той же скоростью опровержения, как устройство было вставлено, наблюдая интерфейс между массивом и вставки шаттл во время опровержения.По мере того как оно retracted, шаттл заметно отделит от массива полимера, который появится полупрозрачный желтый между хвостовиками шаттла вставки. Когда устройство будет полностью отозвано, переместив разъем массива из второй части в место, которое не будет мешать последующим вставок. Полимерный электродный массив будет вставлен в мозг и больше не подключен к стереотаксическому инструменту.Удалите вставку шаттла и другого оборудования для вставки. При необходимости выполните дополнительные вставки. Для строительства имплантата, после окончательной вставки массива, пустой солевой раствор из базовой части, будьте осторожны, чтобы не нарушить имплантированные массивы или ленты.Заполните краниэктомии и базовый кусок с соответствующим искусственным герметиком. И позволить герметиком вылечить. Поместите аппаратные разъемы там, где они не будут вмешиваться, и при необходимости выполните несколько вставок.Соответствующим образом сориентировать и подключить разъемы массива к записывающему оборудованию, так что ленты находятся в их окончательном желаемом положении. Наконец, упаковать ленты из точки, в которой они оставляют искусственный дюральный герметик, чтобы разъем заканчивается более вязким силиконовым гелем. Следуя этому протоколу, запись нейронного имплантата на канале 1 024 дала 375 единиц.В этом эксперименте, запись долговечности для одного блока была сохранена, по крайней мере 160 дней в данных из 19 устройств на трех различных крыс. Из 15 функциональных устройств на один канал было приобретено в среднем примерно одна единица, а на отдельные устройства было получено несколько единиц до примерно двух единиц на канал. Во время вставки устройства важно убедиться, что массив шаттла сухой.Если это не так, существует высокая вероятность того, что массив отсоединится от шаттла во время попытки вставки. Техника совместима с другими способами записи, включая микропереводы, а также с манипуляциями, включая электрическое моделирование и оптогенетику. Этот метод позволяет нам записывать из тех же нейронов в течение многих дней, что позволяет понять, как ответы меняются с течением времени.

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

Изготовление электрода и имплантации в Aplysia californica Для многоканального нейронных и мышечной Записи в неповрежденными, свободно Поведение животных

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

Хирургическая имплантация хронических Нейронные электроды для записи один вид деятельности группы и Electrocorticographic сигналы

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

Волоконно-оптические имплантации для хронической стимуляции Optogenetic ткани головного мозга

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

Взаимодействие 3D конструктивных нейронов культур Микро-матриц электродов: Инновационный<em&gt; In Vitro</em&gt; Экспериментальная модель

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

Исследуя функциональное Регенерация в Органотипической спинного мозга сопредседателей культур, выращенных на нескольких электродов массивов

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

Спирального ганглия Нейрон эксплант и электрофизиологии на многопроцессорных электродных Массивы

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

Зависящее от времени увеличение ответа сети на стимуляцию нейронных клеточных культур на микроэлектродных массивах

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

Имплантация хронической кремниевых датчиков и записи клеток гиппокампа место в аппарат обогащенного беговая дорожка

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

Хронический имплантации целом корковых Electrocorticographic массива в общей игрунка

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

Stereotaxic Surgery for Implantation of Microelectrode Arrays in the Common Marmoset (Callithrix jacchus)

Stereotaxic Surgery for Implantation of Microelectrode Arrays in the Common Marmoset Callithrix jacchus

Стереотаксическая хирургия для имплантации микроэлектродных массивов в общем Мармосете (Callithrix jacchus)

Marmosets (Callithrix jacchus) are small non-human primates that are gaining popularity in biomedical and preclinical research, including the ...