הטיית מתח, Voltammetry מחזורי, & ספקטרוסקופיה חשמל התנגדות עבור ממשקי עצביות

המטרה הכוללת של הליך זה היא לנטר את איכות הממשק בין האלקטרודה לרקמה במערכות פרוטזתיות להקלטה עצבית מושתלות, וכן לשפר את איכות ההקלטה ואת התפקוד לטווח ארוך. מטרה זו מושגת תחילה על ידי איסוף יומי של נתוני ספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית ונתוני הקלטה עצבית. נתוני טלמטריה של Cyclic V או נתוני CV נאספים כדי להשיג פירוט נוסף על איכות הממשקים בין האלקטרודה לרקמה שאינם מראים פעילות עצבית ומציגים עכבה גבוהה.

לאחר מכן, מופעל מתח תיקון של 1.5 volt למשך ארבע שניות. לאחר מכן נמשך איסוף הנתונים ומופעל מתח נוסף לפי הצורך. בסופו של דבר, שיטות אלו מאפשרות להגיע לעכבה נמוכה יותר ולשיפור או להחייאה של הפעילות העצבית המוקלטת.

היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון הולכת תרופות או שינוי פני השטח, הוא שלהטיית מתח (voltage biasing) יכולה להיות השפעה חסונה על שיפור התפקוד והביצועים של מערכות פרוטזות להקלטה עצבית עשרות עד מאות ימים לאחר ההשתלה. שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחום ההנדסה העצבית, כגון כיצד לשפר את אורך החיים התפקודי של מערכות אלקטרודות להשתלה. ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על טיפול או אבחון של מגוון רחב של ליקויים נוירולוגיים.

דבר זה חשוב כיוון שהשכיחות ואפשרויות הטיפול בגירעונות אלו עולות במעבדת ה-meth auto. PG stat הותאם עם תוספי FA two ו-channel mucks. בנה מתאם לראש הבמה כדי לחבר את ה-channel mucks לראש הבמה.

כעת חברו את אלקטרודת העבודה ואת אלקטרודת החישון למחבר הערוצים. לאחר מכן, חברו את אלקטרודת הייחוס ואת אלקטרודת הנגד המחוברות למודל בעל החיים לחלק של מתאם שלב הראש המחובר לנתיב החזרת הזרם. הפעילו את התוכנה של מנתח התגובה לתדר (frequency response analyzer) וודאו שקובץ הפרוצדורה מוגדר לבדיקת שני גלי סינוס רב-שלביים, שכל אחד מהם מורכב מ-15 סינוסים בו-זמנית, בטווח שבין 10 hertz ל-30 kilohertz.

כמו כן, ודאו שהמתח המופעל הוא 25 millivolts או פחות. כעת פתחו וערוכו את קובץ הפרויקט. הפרויקט משתמש בקובץ פרוצדורה הרץ בלולאה דרך כל ערוץ ושומר את התוצאה.

חבר את בעל החיים לבמה עבור הראש (head stage) פסיבית ללא הגברה. במות ראש אקטיביות לא יעבירו אותות קלט. הרץ את קובץ הפרויקט בהתאם להגדרות.

הקלטות מכל ערוץ נמשכות בין 10 שניות לכמה דקות. כעת הפג שעל המסך ופרש את התוצאה. העבר את קבצי הטקסט של הפלט ל-MATLAB וצור גרף Nyquist או גרף Bode.

הסטות בתדר תלויות פאזה מעידות על תגובת רקמה. הפעל את התוכנה של מערכת האלקטרוכימיה לשימוש כללי. ודא שהגדרות קובץ הפרוצדורה מכוונות לסריקת מתח ב-50 millivolts לשנייה ונמצאות בתוך גבולות ההידרוליזה.

בצע לפחות שלוש סריקות כדי שהמערכת תגיע לשיווי משקל ושמור את התוצאות מהסריקה האחרונה. ניתן להעלות את קצב הסריקה ל-1 V/s כדי לקצר את זמן המדידה. עם זאת, צורת עקומת ה-IV עשויה להשתנות אם קצב הסריקה מהיר יותר מתגובות העברת המטען המתרחשות בממשק שבין האלקטרודה לרקמה.

בשלב הבא, פתחו וערוכו את קובץ הפרויקט. הפרויקט משתמש בקובץ פרוצדורה הרץ בלולאה דרך כל ערוץ ושומר את התוצאות. חברו את בעל החיים למערכת קליטה פסיבית (passive head stage) והפעילו את קובץ הפרויקט בקצב של one volt per second.

האיסוף נמשך 10 שניות לכל ערוץ בעת שימוש בקצב סריקה של 50 millivolts per second. התהליך אורך כשלוש דקות לכל ערוץ. לבסוף, הציגו ופרשו את התוצאות.

עבדו את קבצי הטקסט של הפלט באמצעות MATLAB והציגו את גרף הקשר בין הזרם למתח (IV). קיבולת נשיאת המטען נקבעת על ידי אינטגרציה של שטח הזרם של הקטטר בתוך גרף ה-CV E. ההחלטה הקריטית ביותר בפרוטוקול זה היא קביעת המועד להחלת מתח מוסט (voltage bias). הדבר מתאפשר באמצעות נתוני ההקלטות והטלמטריה המחזורית של העכבה.

הפעילו את תוכנת המערכת הכללית לאלקטרוכימיה ווודאו שקובץ הפרוצדורה מוגדר לשימוש בשיטת השלבים והסריקות (steps and sweeps). הגדירו את המתח ל-1.5 volts למשכי זמן של ארבע שניות. לאחר מכן, פתחו וערוכו את קובץ הפרויקט, המשתמש בקובץ הפרוצדורה כדי לבצע לולאה עבור כל ערוץ ולשמור את התוצאה.

חברו את בעל החיים למערכת קליטה פסיבית (passive head stage) והפעילו את קובץ הפרויקט להקלטה מכל ערוץ. המתינו כ-10 שניות, ולאחר מכן אספו נתוני EIS CV ונתוני הקלטות ופרשו את התוצאות לפי זרימת העבודה הטיפוסית. הקלטות ו-EIS נאספים באופן יומי או שבועי בכל הערוצים, בעוד שניתן להשתמש ב-CV ובחידוש (rejuvenation).

אם פעילות של פריקות (spiking activity) אינה ניתנת יותר לזיהוי, ה-EIS משתנה במהלך ימים עד שבועות לאחר השתלת אלקטרודה. הנתונים בכחול נאספו מיד לאחר ההשתלה והנתונים בירוק ארבעה חודשים לאחר מכן. כאשר נתוני EIS מוצגים כגרף ניקוויסט (nyquist plot), חצי עיגול בתדרים גבוהים יותר קרוב לראשית הצירים מעיד על תגובת הרקמה באתר האלקטרודה.

ניתוח CV (וולטמטריה מחזורית) מפיק עקומת זרם-מתח המראה היסטריזה מסוימת. המדד הסטטיסטי הרלוונטי ביותר ב-CV הוא קיבולת נשיאת המטען, המוגדרת כשטח הפנים בתוך עקומת ה-IV מנורמל לשטח אתר האלקטרודה. אלקטרודות בעלות קיבולת מטען גבוהה מועדפות עבור מיקרו-סטימולציה.

במהלך תהליך ההחלדה (rejuvenation), מופעל פולס של מתח. הדבר מוביל בדרך כלל להגדלת קיבול השחן ולהפחתת ערכי העכבה; כמו כן, ניתן לשחזר פעימות (spikes) בערוצים שבהם הופיעו פעימות בעבר. בעוד שלתהליך ההחלדה יש השפעות קצרות טווח בלבד על העכבה ועל יחס האות לרעש, ניתן להחיל טכניקה זו באופן יומי.

בנתונים שנאספו מדי יום מחולדה גינאה שהושתל בה מערך של 16 ערוצים, לרענון הייתה השפעה משמעותית על הורדת עוצמת העכבה ב-1 kHz בסדר גודל אחד לאחר כל יישום. כתוצאה מהאותות ששוחזרו ומהעכבה הנמוכה יותר, ה-SNR עלה לאחר כל סשן רענון. בסופו של דבר, כל האותות אבדו 160 ימים לאחר ההשתלה והרענון כבר לא היה יעיל.

לאחר שליטה בטכניקה, ניתן לבצעה בתוך כשעה. בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לוודא כי החיבורים בוצעו כראוי וכי תוצאות ספקטרוסקופיית העכבה מעידות על תגובת רקמה משמעותית לפני ביצוע טיפולי מתח ביולוגי.