يتحامل التيار الكهربائي، Voltammetry دوري، والتحليل الطيفي المعاوقة الكهربائية للواجهات العصبية

يتمثل الهدف العام من هذا الإجراء في مراقبة جودة الواجهة بين القطب والأنسجة في أنظمة الأطراف الاصطناعية للتسجيل العصبي المزروعة، بالإضافة إلى تحسين جودة التسجيل والوظائف التشغيلية على المدى الطويل. ويتحقق ذلك أولاً عن طريق جمع البيانات اليومية لمطيافية الممانعة الكهروكيميائية وبيانات التسجيل العصبي. كما يتم جمع بيانات القياس عن بُعد للجهد الدوري (Cyclic V telemetry) أو بيانات CV للحصول على تفاصيل إضافية حول جودة الواجهات بين القطب والأنسجة التي لا تظهر أي نشاط عصبي وتُظهر ممانعة عالية.

بعد ذلك، يتم تطبيق جهد انحياز تصحيحي بقيمة 1.5 volt لمدة أربع ثوانٍ. ويلي ذلك الاستمرار في جمع البيانات وتطبيق جهد انحياز إضافي حسب الحاجة. وفي النهاية، يمكن تحقيق ممانعة أقل وتحسين أو استعادة النشاط العصبي المسجل باستخدام هذه الطرق.

تكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية، مثل توصيل الأدوية أو تعديل السطح، في أن الانحياز الجهدِي يمكن أن يكون له تأثير قوي في تحسين الوظيفة والأداء لأنظمة التسجيل العصبي التعويضية بعد عشرات إلى مئات الأيام من الزرع. ويمكن لهذه الطريقة أن تساعد في الإجابة على أسئلة جوهرية في مجال الهندسة العصبية، مثل كيفية تحسين العمر الوظيفي لأنظمة الأقطاب الكهربائية القابلة للزرع. وتمتد تداعيات هذه التقنية نحو علاج أو تشخيص مجموعة متنوعة من القصورات العصبية.

يُعد هذا الأمر مهماً نظراً لأن انتشار وخيارات علاج هذه العجوزات تزداد في مختبر meth auto. تم تكييف PG stat باستخدام إضافات FA two وchannel mucks. قم ببناء محول للمرحلة الرأسية (head stage adapter) لتوصيل channel mucks بالمرحلة الرأسية.

قم الآن بتوصيل قطبي العمل والاستشعار بملحق قناة mucks. ثم قم بتوصيل قطبي المرجع والتعويض المثبتين على الحيوان الخاضع للتجربة بالجزء من محول مرحلة الرأس المتصل بمسار عودة التيار. ابدأ بتشغيل برنامج محلل الاستجابة الترددية وتحقق من ضبط ملف الإجراء لاختبار موجتين جيبتين متعددتين، تتكون كل منهما من 15 موجة جيبية في وقت واحد، تتراوح تردداتها من 10 hertz إلى 30 kilohertz.

كذلك، تأكد من أن الجهد المطبق هو 25 millivolts أو أقل. الآن، افتح ملف المشروع وقم بتحريره. يستخدم المشروع ملف الإجراء الذي يمر عبر كل قناة ويحفظ النتيجة.

قم بتوصيل الحيوان الخاضع للتجربة بمرحلة رأس خاملة تفتقر إلى التضخيم. لن تسمح مراحل الرأس النشطة بمرور إشارات الإدخال. قم بتنفيذ ملف المشروع بناءً على الإعدادات.

تستغرق التسجيلات من كل قناة ما بين 10 ثوانٍ وبضع دقائق. الآن، قم بعرض النتيجة وتفسيرها. قم بتمرير ملفات النص المخرجة باستخدام MATLAB وإنشاء مخطط ناي كويست (Nyquist) أو مخطط بود (Bode).

تشير الإزاحات المعتمدة على التردد في الطور إلى استجابة نسيجية. قم بتشغيل برنامج نظام الكيمياء الكهربائية للأغراض العامة. تحقق من ضبط إعدادات ملف الإجراء لمسح الجهد بمعدل 50 millivolts في الثانية وأنها تقع ضمن حدود التحلل المائي.

قم بإجراء ثلاث عمليات مسح على الأقل حتى يصل النظام إلى حالة الاتزان، ثم احفظ النتائج من عملية المسح الأخيرة. يمكن زيادة معدل المسح إلى 1 V/s لتقليل وقت القياس. ومع ذلك، فمن المرجح أن يتغير شكل منحنى IV إذا كان معدل المسح أسرع من تفاعلات نقل الشحنة التي تحدث عند الواجهة بين القطب والأنسجة.

بعد ذلك، افتح ملف المشروع وقم بتحريره. يستخدم المشروع ملف إجراء يقوم بالمرور عبر كل قناة وحفظ النتائج. قم بتوصيل الحيوان الخاضع للتجربة بمرحلة رأس سلبية (passive head stage) وقم بتنفيذ ملف المشروع بمعدل 1 volt per second.

تستغرق عملية الجمع 10 ثوانٍ لكل قناة عند استخدام معدل مسح قدره 50 millivolts per second. وتستغرق العملية حوالي ثلاث دقائق لكل قناة. وأخيراً، يتم عرض النتائج وتفسيرها.

قم بمعالجة ملفات النصوص المخرجة باستخدام MATLAB ورسم العلاقة بين الجهد والتيار (IV). ويتم قياس سعة حمل الشحنة عن طريق تكامل مساحة تيار القسطرة ضمن نطاق جهد الفولتاميتري الحلقي (CV E). إن القرار الأكثر أهمية في هذا البروتوكول هو تحديد موعد تطبيق جهد الانحياز، ويتم ذلك بالاستعانة ببيانات تسجيلات وقياسات الممانعة الدورية عن بُعد.

قم بتشغيل برنامج نظام الكيمياء الكهربائية للأغراض العامة، وتحقق من ضبط ملف الإجراء لاستخدام طريقة الخطوات والمسحات. قم بتغيير الجهد في خطوات بمقدار 1.5 volts لمدة أربع ثوانٍ. بعد ذلك، افتح ملف المشروع وقم بتحريره، حيث يستخدم ملف الإجراء للتنقل عبر كل قناة وحفظ النتيجة.

قم بتوصيل الحيوان الخاضع للتجربة بمنصة رأس خاملة (passive head stage) ونفذ تسجيلات ملف المشروع من كل قناة. انتظر لمدة 10 ثوانٍ تقريباً، ثم اجمع بيانات EIS CV والبيانات المسجلة وفسر النتائج وفقاً لسير العمل المعتاد. يتم جمع التسجيلات وEIS إما يومياً أو أسبوعياً عبر جميع القنوات، بينما يمكن استخدام CV والتجديد (rejuvenation).

إذا لم يعد نشاط التدبب (spiking activity) قابلاً للكشف، فإن قياسات المعاوقة الكهركيميائية (EIS) تتغير على مدار أيام إلى أسابيع بعد زرع القطب الكهربائي. تم جمع البيانات الزرقاء مباشرة بعد الزرع، والبيانات الخضراء بعد أربعة أشهر. عندما يتم عرض بيانات EIS كمخطط نايكويست (nyquist plot)، فإن نصف الدائرة عند الترددات الأعلى بالقرب من نقطة الأصل يشير إلى استجابة الأنسجة في موقع القطب الكهربائي.

ينتج تحليل الفولتاميتري الحلقية (CV) منحنى التيار والجهد الذي يظهر بعض التخلف المغناطيسي. وتعد سعة شحن الشحنة هي الإحصائية الأكثر أهمية في تحليل CV، وهي تمثل المساحة داخل منحنى IV مقسومة على مساحة موقع القطب الكهربائي. ويُفضل استخدام الأقطاب الكهربائية ذات سعة الشحن العالية في عمليات التحفيز الدقيق.

خلال عملية التجديد، يتم تطبيق نبضة جهد. يؤدي ذلك عادةً إلى زيادة سعة الشحن وانخفاض قيم المقاومة، كما يمكن استعادة تذبذبات الجهد (spikes) في القنوات التي كانت تفتقر إليها سابقاً. وبينما يكون للتجديد تأثيرات قصيرة المدى فقط على المقاومة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء، إلا أنه يمكن تطبيق هذه التقنية يومياً.

في البيانات التي تم جمعها يومياً من خنزير غينيا مزروع بمصفوفة مكونة من 16 قناة، كان لعملية التجديد تأثير قوي في خفض مقدار الممانعة عند تردد 1 kilohertz بمقدار درجة أسية بعد كل تطبيق. ونتيجة لاستعادة الإشارات وانخفاض الممانعة، زادت نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بعد كل جلسة تجديد. وفي نهاية المطاف، فُقدت جميع الإشارات بعد 160 يوماً من الزراعة، ولم تعد عملية التجديد فعالة.

بمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن تنفيذها في غضون ساعة واحدة تقريبًا. وأثناء محاولة تطبيق هذا الإجراء، من المهم التأكد من إجراء التوصيلات الصحيحة وأن نتائج مطيافية الممانعة تشير إلى استجابة نسيجية ملحوظة قبل البدء في علاجات الجهد الحيوي.