MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)umichrackham006099
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a616
■1001  ▼aLetner,  Joseph  G.
■24510▼aCharacterizing  Carbon  Fiber  Electrodes  for  Their  Application  in  Wireless  Networks  of  Submillimetric  Neural  Interfaces
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Michigan▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a224  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-11,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Cai,  Dawen;Chestek,  Cynthia  A.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Michigan,  2025.
■520    ▼aBrain  machine  interfaces  (BMIs)  are  a  potential  clinical  solution  for  restoring  functions  lost  to  individuals  suffering  from  neurological  disorders  such  as  spinal  cord  injury  and  amyotrophic  lateral  sclerosis.  Enabling  a  user  to  control  a  BMI  first  requires  sampling  their  brain  activity,  which  is  then  algorithmically  decoded  into  intended  actions.  While  the  conventional  intracortical  electrodes  used  for  recording  neural  signals  have  enabled  restoring  several  everyday  human  functions,  their  safety  profile  limits  the  clinical  viability  of  BMIs.  Implanting  these  electrodes  is  accompanied  by  a  complex  biological  reaction  that  includes  the  loss  of  the  neurons  that  these  devices  are  intended  to  record.  Furthermore,  these  electrodes  often  require  percutaneous  connections  through  the  scalp,  which  are  a  persistent  infection  risk,  are  surgically  limited  to  too  few  channels,  and  tether  the  user  to  decoding  hardware.  Clinically  viable  BMIs  will  require  new  electrode  technologies  that  are  wireless,  more  biocompatible,  and  can  accommodate  thousands  of  channels.  This  dissertation  presents  three  studies  that  aim  to  resolve  this  gap  by  further  informing  the  application  of  highly  biocompatible  carbon  fiber  electrodes  with  subcellular-scale  diameters  (6.8-8.4  microns).  In  the  first  study,  the  recording  site  tips  of  explanted  carbon  fiber  electrodes  and  neurons  in  their  immediate  vicinity  were  consistently  localized  in  cortex  for  the  first  time.  Quantifying  the  geometries  of  surrounding  neuronal  somata  revealed  that  although  they  were  stretched,  the  positions  of  the  six  neurons  closest  to  the  electrode  were  similar  to  fibers  hypothetically  implanted  into  contralateral  control  brain  in  simulations.  Using  these  histological  positions  to  simply  model  the  electrophysiology  that  these  neurons  might  produce  suggested  that  only  spikes  originating  in  the  nearest  four  or  five  neurons  may  be  distinguishable  when  spike  sorting  the  signals  recorded  by  carbon  fiber  electrodes.  In  the  second  study,  carbon  fiber  electrodes'  recording  capabilities  were  investigated  further.  Carbon  fiber  arrays  were  implanted  into  the  motor  cortex  of  nine  anesthetized  rats  and  electrophysiology  was  recorded  at  several  depths,  sampling  from  multiple  cortical  layers  each  experiment.  Large  spikes  (at  least  100  microvolts  peak-peak)  were  reliably  acquired  in  167/197  recordings  (85%)  from  depths  estimated  to  be  in  layers  2-6.  While  spike  clusters  with  the  largest  amplitudes  and  highest  quantities  were  measured  in  estimated  layer  5,  those  acquired  in  estimated  layers  4  and  6  were  also  numerous  and  of  high  amplitude.  In  the  third  study,  the  feasibility  of  implanting  carbon  fiber  motes,  which  are  composed  of  submillimetric  chips  with  one  carbon  fiber  each  and  are  powered  and  communicate  wirelessly,  was  demonstrated.  More  than  230  non-functional  but  mechanically  equivalent  analogs  of  proposed  designs  were  assembled  to  validate  a  procedure  that  could  easily  and  swiftly  implant  up  to  25  devices  simultaneously.  This  procedure  was  successful  with  171/186  (92%)  analogs  inserting  such  that  the  chips  rested  on  the  cortical  surface  and  only  the  fibers  penetrated  the  brain  1  mm  deep.  After  implantation,  measurements  of  the  change  in  their  spatial  arrangements  were  smaller  than  those  of  devices  in  the  literature  that  were  implanted  inside  the  brain.  In  summary,  these  results  validate  previous  findings  suggesting  that  chronically  implanted  carbon  fiber  electrodes  retain  surrounding  neurons  in  motor  cortex,  deepen  our  understanding  of  carbon  fiber  electrodes'  capabilities  in  signal  acquisition,  and  introduce  a  procedure  for  implanting  wireless  carbon  fiber  motes  that  avoids  introducing  unnecessary  time  and  complexity  to  neurosurgery.  Collectively,  these  studies  further  motivate  the  application  of  carbon  fiber  electrodes  in  future  investigations  in  neuroscience  and  in  clinical  BMIs.
■590    ▼aSchool  code:  0127.
■650  4▼aNeurosciences
■650  4▼aBiomedical  engineering
■650  4▼aPhysiology
■653    ▼aNeural  probes
■653    ▼aBrain  machine  interfaces
■653    ▼aCarbon  fiber  electrodes
■653    ▼aElectrophysiology
■653    ▼aMedical  implant  safety
■690    ▼a0541
■690    ▼a0317
■690    ▼a0719
■71020▼aUniversity  of  Michigan▼bBiomedical  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-11B.
■790    ▼a0127
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17358096▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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