Vorspannschaltung, Cyclovoltammetrie, Impedanzspektroskopie & Elektrotechnik für Neuronale Interfaces
24. Februar 2012
Die Elektrode-Gewebe-Grenzfläche von neuronalen Aufnahme Elektroden können mit elektrischen Impedanzspektroskopie (EIS) und Cyclovoltammetrie (CV) charakterisiert werden. Anwendung der Vorspannschaltung Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode-Gewebe-Grenzfläche und verbessert werden können Aufnahmefähigkeit. Spannung Vorspannung, sind EIS, CV-und neuronalen Aufnahmen ergänzen.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Qualität der Elektrodengewebe-Schnittstelle bei implantierten neuronalen Aufzeichnungssystemen zu überwachen sowie die Aufzeichnungsqualität und die Langzeitfunktionalität zu verbessern. Dies wird erreicht, indem zunächst tägliche Daten der elektrochemischen Impedanzspektroskopie und neuronale Ableitungsdaten gesammelt werden. Cyclic Voltammetrie-Telemetriedaten (CV-Daten) werden erhoben, um zusätzliche Informationen über die Qualität der Elektrodengewebe-Schnittstellen zu erhalten, die keine neuronale Aktivität aufweisen und eine hohe Impedanz zeigen.
Danach wird eine korrigierende Vorspannung von 1,5 Volt für vier Sekunden angelegt. Anschließend erfolgt die fortgesetzte Datenerfassung sowie nach Bedarf zusätzliche Vorspannung. Letztendlich ist mit diesen Methoden eine geringere Impedanz sowie eine Verbesserung oder Wiederherstellung der aufgezeichneten neuronalen Aktivität möglich.
Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie der Medikamentenabgabe oder der Oberflächenmodifikation besteht darin, dass eine elektrische Vorspannung nach Implantation über einen Zeitraum von zehn bis mehreren hundert Tagen eine deutliche Wirkung auf die Verbesserung der Funktionalität und Leistungsfähigkeit von neuronalen Aufzeichnungsprothesen haben kann. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der Neuroingenieurwissenschaft zu beantworten, beispielsweise, wie die funktionelle Lebensdauer implantierbarer Elektrodensysteme verbessert werden kann. Die Auswirkungen dieser Technik reichen bis hin zur Therapie oder Diagnose einer Vielzahl neurologischer Defizite.
Dies ist wichtig, da die Häufigkeit und die Behandlungsmöglichkeiten dieser Defizite im Meth-Auto-Labor zunehmen. PG-Stat mit FA2 und Channel-Mucks-Add-ons angepasst. Bauen Sie einen Adapter für die Kopfhalterung, um die Channel-Mucks mit der Kopfhalterung zu verbinden.
Verbinden Sie nun die Arbeits- und Sensorelektrode mit dem Kanal-Mucks-Add-On. Anschließend verbinden Sie die am tierischen Versuchsobjekt befestigten Referenz- und Gegenelektrode mit dem Teil des Kopfverstärkeradapters, der mit dem Stromrückführungspfad verbunden ist. Starten Sie die Software zur Frequenzganganalyse und überprüfen Sie, ob die Prozedurdatei so eingestellt ist, dass zwei Multisinus-Wellenformen geprüft werden, wobei jeweils 15 Sinussignale gleichzeitig im Frequenzbereich von 0,01 kHz bis 30 kHz erzeugt werden.
Stellen Sie außerdem sicher, dass die angelegte Spannung 25 Millivolt oder weniger beträgt. Öffnen und bearbeiten Sie nun die Projektdatei. Das Projekt verwendet die Prozedurdatei, die nacheinander jede Messkanal durchläuft und das Ergebnis speichert.
Verbinden Sie das Versuchstier mit einer passiven Kopfhalterung ohne Verstärkung. Aktive Kopfhalterungen leiten Eingangssignale nicht weiter. Führen Sie die Projektdatei entsprechend den Einstellungen aus.
Die Aufnahmen von jedem Kanal dauern zwischen 10 Sekunden und mehreren Minuten. Zeigen Sie nun das Ergebnis an und interpretieren Sie es. Geben Sie die Ausgabedatensätze mit MATLAB weiter und erstellen Sie ein Nyquist- oder Bode-Diagramm.
Frequenzabhängige Phasenverschiebungen weisen auf eine Gewebereaktion hin. Starten Sie die Software für das Universal-Elektrochemiesystem. Stellen Sie sicher, dass die Einstellungen der Prozedurdatei auf eine Spannungsabfahrt von 50 Millivolt pro Sekunde eingestellt sind und innerhalb der Grenzen der Elektrolyse liegen.
Führen Sie mindestens drei Messungen durch, damit das System das Gleichgewicht erreicht, und speichern Sie die Ergebnisse aus der letzten Messung. Die Scangeschwindigkeit kann auf eine Volt pro Sekunde erhöht werden, um die Messdauer zu verkürzen. Allerdings wird sich die Form der Strom-Spannungs-Kurve wahrscheinlich verändern, wenn die Scangeschwindigkeit schneller ist als die an der Elektroden-Gewebe-Grenzfläche ablaufenden Ladungstransferreaktionen.
Öffnen und bearbeiten Sie als Nächstes die Projektdatei. Das Projekt verwendet die Prozedurdatei, die nacheinander jede Kanal durchläuft und die Ergebnisse speichert. Verbinden Sie das Versuchstier mit einer passiven Kopfhalterung und führen Sie die Projektdatei mit einem Volt pro Sekunde aus.
Die Sammlung dauert 10 Sekunden pro Kanal bei Verwendung einer Rampengeschwindigkeit von 50 Millivolt pro Sekunde. Benötigt etwa drei Minuten pro Kanal. Schließlich die Ergebnisse anzeigen und interpretieren.
Übergeben Sie die Ausgabedatendateien an MATLAB und plotten Sie die Strom-Spannungs-Beziehung. Die Ladungsträgerkapazität wird durch Integration der Fläche des Katheterstroms innerhalb des CV E quantifiziert. Die entscheidendste Entscheidung in diesem Protokoll ist, zu welchem Zeitpunkt eine Vorspannung angelegt wird. Dies wird durch die zyklische Impedanz-Telemetrie und Aufzeichnungsdaten ermöglicht.
Starten Sie die Software für das Universal-Elektrochemiesystem und überprüfen Sie, dass die Prozedurdatei auf die Methode „Schritte und Sweep“ eingestellt ist. Schreiten Sie die Spannung in vier Sekunden langen Intervallen auf 1,5 Volt. Öffnen und bearbeiten Sie anschließend die Projektdatei, die die Prozedurdatei verwendet, um nacheinander jeden Kanal zu durchlaufen und das Ergebnis zu speichern.
Verbinden Sie das Versuchstier mit einer passiven Kopfhalterung und führen Sie die Projektdatenaufnahmen von jedem Kanal aus. Nehmen Sie etwa 10 Sekunden lang Daten auf, sammeln Sie anschließend EIS-, CV- und Aufzeichnungsdaten und interpretieren Sie die Ergebnisse im typischen Arbeitsablauf. Die Aufzeichnungen und EIS-Daten werden entweder täglich oder wöchentlich über alle Kanäle hinweg erfasst, während CV und Reaktivierung verwendet werden können.
Wenn keine Spiking-Aktivität mehr nachweisbar ist, verändern sich die EIS-Werte im Verlauf von Tagen bis Wochen nach der Implantation einer Elektrode. Die blauen Daten wurden unmittelbar nach der Implantation erhoben, die grünen Daten vier Monate später. Wenn die EIS-Daten als Nyquist-Diagramm dargestellt werden, deutet ein Halbkreis bei höheren Frequenzen nahe dem Ursprung auf die Gewebereaktion an der Elektrodenschnittstelle hin.
Die CV-Analyse erzeugt eine Strom-Spannungs-Kurve, die eine gewisse Hysterese aufweist. Die wichtigste CV-Kenngröße ist die Ladungstragfähigkeit, also die Fläche innerhalb der Strom-Spannungs-Kurve, normiert auf die Elektrodenflächen. Elektroden mit großer Ladungskapazität werden für die mikroelektrische Stimulation bevorzugt.
Während der Rejuvenation wird ein Spannungsimpuls angelegt. Dies führt üblicherweise zu einer erhöhten Ladekapazität und verringerten Impedanzwerten; außerdem können Spikes in Kanälen, die zuvor keine mehr aufwiesen, wiederhergestellt werden. Obwohl die Rejuvenation nur kurzfristige Effekte auf die Impedanz und das Signal-Rausch-Verhältnis hat, kann diese Technik täglich angewendet werden.
Bei den täglich von einem mit einer 16-Kanal-Anordnung implantierten Meerschweinchen gesammelten Daten hatte die Rejuvenation nach jeder Anwendung einen deutlichen Effekt, der die Impedanzamplitude bei einem Kilohertz um eine Größenordnung senkte. Als Folge der wiederhergestellten Signale und der niedrigeren Impedanz stieg das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) nach jeder Rejuvenationssitzung an. Letztendlich gingen alle Signale 160 Tage nach der Implantation verloren, und die Rejuvenation war nicht mehr wirksam.
Wenn die Technik einmal beherrscht ist, kann sie in etwa einer Stunde durchgeführt werden. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig sicherzustellen, dass die korrekten Anschlüsse hergestellt wurden und dass die Ergebnisse der Impedanzspektroskopie vor der Spannungs-Behandlung eine signifikante Gewebereaktion anzeigen.
Übersicht
Diese Studie konzentriert sich auf die Elektrode-Gewebe-Grenzfläche neuronaler Ableitelektroden und nutzt die elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) sowie die zyklische Voltammetrie (CV), um die Aufnahmefähigkeit zu verbessern. Durch Anlegen einer Vorspannung sollen die elektrochemischen Eigenschaften der Grenzfläche verbessert und dadurch die Qualität neuronaler Ableitungen erhöht werden.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Neuronale Technik
- Elektrophysiologie
Hintergrund
- Das Verständnis der Elektroden-Gewebe-Schnittstelle ist entscheidend für die Funktionalität neuronaler Prothesen.
- Ein hoher Impedanzwert an der Schnittstelle kann zu einer schlechten Qualität neuronaler Signale führen.
- Die Spannungsanpassung ist ein neuartiger Ansatz, um neuronale Aufzeichnungen wiederherzustellen.
- Tägliche Überwachung elektrochemischer Eigenschaften kann Aufschluss über den Zustand der Schnittstelle geben.
Zweck der Studie
- Überwachung und Verbesserung der Qualität der Elektroden-Gewebe-Schnittstelle.
- Verbesserung der Langzeitfunktion von neuronalen Aufzeichnungssystemen.
- Untersuchung der Auswirkungen von Spannungsverzerrung auf neuronale Aktivität.
Verwendete Methoden
- Tägliche Erfassung von Daten der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS).
- Erfassung von Daten der zyklischen Voltammetrie (CV) zur Beurteilung der Elektrodenleistung.
- Anlegen einer korrigierenden Vorspannung zur Verbesserung der Impedanz und neuronaler Aktivität.
- Datenanalyse mittels MATLAB zur Interpretation der EIS- und CV-Ergebnisse.
Hauptergebnisse
- Die Spannungsvorspannung senkte die Impedanz signifikant und verbesserte die Qualität neuronaler Signale.
- Wiederbelebungsverfahren stellten die Spikaktivität in zuvor inaktiven Kanälen wieder her.
- Tägliche Anwendung der Spannungsvorspannung führte zu konsistenten Verbesserungen des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR).
- Langzeitüberwachung zeigte eine abnehmende Wirksamkeit der Wiederbelebung nach 160 Tagen.
Schlussfolgerungen
- Die elektrische Vorspannung ist eine wirksame Methode zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Neuronen-Ableitelektroden.
- Mit dieser Technik lässt sich die funktionelle Lebensdauer implantierbarer Elektrodensysteme verlängern.
- Weitere Forschung ist erforderlich, um Reaktivierungsprotokolle für Langzeitanwendungen zu optimieren.
Häufig gestellte Fragen
Ausführliche Bedeutung für die Industrie
Die Überwachung und Verbesserung der Elektroden-Gewebe-Schnittstelle ist entscheidend, um die funktionelle Lebensdauer von neuronalen Aufzeichnungssystemen in der präklinischen Forschung zu verlängern. Eine Spannungsvorspannung in Kombination mit EIS und CV ermöglicht die mechanistische Risikominimierung implantierbarer Geräte, indem sie eine Verschlechterung der Schnittstelle erkennt und korrigierende Maßnahmen ermöglicht. Dieser Ansatz stärkt die Vorhersagekraft in der Entwicklung neuronaler Prothesen, indem elektrochemische Veränderungen mit der Wiederherstellung neuronaler Signale verknüpft werden und somit Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch in frühen Phasen der Neurotechnologie-Entwicklung unterstützt werden.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Therapeutische Hypothesen überprüfen, indem impedanzänderungen mit der Bildung von Glialnarben und dem Verlust neuronaler Signale korreliert werden.
- Operationaler Wert: Zielbindung validieren, indem die Wiederherstellung von Aktionspotentialen nach Anlegen einer Vorspannung nachgewiesen wird.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Validierte biologische Systeme für nachgeschaltete Arbeitsabläufe vorbereiten, indem täglich die EIS als Indikator für die Gewebereaktion überwacht wird.
- Operativer Wert: Zuverlässige Verbindungsbewertung ermöglichen durch aus der CV abgeleitete Messungen der Ladungsträgerkapazität, die die Elektrodenfunktionalität quantifizieren.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Unterstützung der Modellierung krankheitsrelevanter Systeme durch die Verfolgung des Wirkungsgradverlusts von Elektroden über einen Zeitraum von 160 Tagen in implantierten Modellen.
- Operativer Wert: Erleichterung risikoadjustierter Entscheidungen über die Weiterentwicklung, indem bestimmt wird, wann eine Wiederbelebung ihre Wirksamkeit verliert, was Rückschlüsse auf die erwartete Lebensdauer des Geräts ermöglicht.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in den Entdeckungsprozess von der Hypothesenprüfung bis zur Leitsubstanzidentifizierung, indem sie quantitative, longitudinale Schnittstellenmetriken bereitstellt, die der funktionellen Validierung vorausgehen.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung, indem elektrochemische Impedanzverschiebungen mit biologischen Gewebereaktionen an der Implantationsstelle verknüpft werden.
- Screening: Stellt die Bereitschaft des Assays sicher durch tägliche EIS-Überwachung und CV-basierte Quantifizierung der Ladungsübertragungskapazität.
- Analytik: Liefert quantitative Messgrößen wie Impedanzbeträge bei 1 kHz und normalisierte ladungstransportierende Kapazität aus CV-Kurven, um Grenzflächenbedingungen zu vergleichen.
- Translationale Forschung: Verbindet die Entdeckung mit präklinischer Kontinuität, indem gezeigt wird, wie die Regenerierung der Grenzfläche die Aufzeichnungsnutzung in chronischen Implantationsmodellen verlängert.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Plattformfunktion zur langfristigen Überwachung neuronaler Schnittstellen über mehrere Gerätgenerationen und therapeutische Zielstrukturen hinweg.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Vorhersagbare Zuverlässigkeit der Geräteleistung, Verringerung mechanistischer Uneindeutigkeiten bei Ausfallmechanismen und Zielvalidierung durch Wiederherstellung von Signalen.
- Operativer Wert: Standardisierung von Impedanz- und Voltammetrie-Protokollen, Reproduzierbarkeit über Kanäle hinweg und Skalierbarkeit auf Mehrkanalanordnungen.
- Strategischer Wert: Verbesserte Go/No-Go-Entscheidungen hinsichtlich der Weiterentwicklung von Geräten, Kapitaleffizienz durch verlängerte funktionelle Lebensdauer und reduziertes biologisches Risiko in späteren Phasen bei neuronalen Implantaten.
- Portfolio-Wirkung: Risikoadjustierte Priorisierung von Elektrodenkonzepten basierend auf Reaktionsfähigkeit auf Rejuvenation und Prognose des Impedanzverlaufs.
Durchführungsaspekte
- Notwendige wissenschaftliche Fachkenntnisse in Elektrochemie, neuronaler Schnittstellentechnik und Elektrophysiologie zur genauen Interpretation der Daten.
- Zu den Anforderungen an die Messtechnik gehören Frequenzganganalysatoren, Potentiostaten/Galvanostaten und Kopfverstärkeradapter für präzise Spannungsbias-Einstellungen und spektrale Messungen.
- Die Standardisierung über Teamgrenzen hinweg erfordert synchronisierte Protokolle für die Impedanzspektroskopie (EIS), zyklische Voltammetrie (CV) und die Erfassung neuronaler Signale, um vergleichbare Langzeitdatensätze sicherzustellen.
- Anpassungsüberlegungen beinhalten die Anpassung der Spannungsbias-Parameter (Amplitude, Dauer) je nach Modellsystem und Elektrodenmaterial, um Hydrolyse oder Gewebeschäden zu vermeiden.
- Zu den praktischen Einschränkungen zählt die abnehmende Wirksamkeit der Rejuvenation nach etwa 160 Tagen nach der Implantation, was komplementäre Strategien für chronische Anwendungen erforderlich macht.
