Tensione di polarizzazione, voltammetria ciclica, e spettroscopia di impedenza elettrica per interfacce neurali
24 febbraio 2012
L'elettrodo-tessuto interfaccia di elettrodi di registrazione neurali può essere caratterizzato con spettroscopia di impedenza elettrica (EIS) e voltammetria ciclica (CV). Applicazione di tensione capacità di registrazione di polarizzazione modifiche delle proprietà elettrochimiche della elettrodo-tessuto interfaccia e può migliorare. Tensione di polarizzazione, EIS, CV, e le registrazioni neurali sono complementari.
L'obiettivo generale di questa procedura è monitorare la qualità dell'interfaccia tra l'elettrodo e il tessuto nei sistemi protesici impiantati per la registrazione neurale, nonché migliorare la qualità della registrazione e la funzionalità a lungo termine. Ciò viene ottenuto innanzitutto raccogliendo quotidianamente dati di spettroscopia di impedenza elettrochimica e registrazioni neurali. Vengono raccolti dati di telemetria ciclica di voltammetria (CV) per ottenere ulteriori dettagli sulla qualità delle interfacce tra elettrodo e tessuto che non mostrano attività neurale e presentano un'alta impedenza.
Successivamente, viene applicata una tensione correttiva di 1,5 volt per quattro secondi. Segue la prosecuzione della raccolta dati e ulteriori applicazioni di tensione, se necessario. In definitiva, è possibile ottenere un'impedenza inferiore e un miglioramento o il ripristino dell'attività neurale registrata utilizzando questi metodi.
Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come la somministrazione di farmaci o la modifica del rivestimento, è che l'applicazione di un bias di tensione può avere un effetto robusto nel migliorare la funzionalità e le prestazioni dei sistemi protesici per la registrazione neurale dopo decine o centinaia di giorni dall'impianto. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo dell'ingegneria neurale, ad esempio su come migliorare la durata funzionale dei sistemi di elettrodi impiantabili. Le implicazioni di questa tecnica si estendono alla terapia o alla diagnosi di numerose alterazioni neurologiche.
Questo è importante poiché la prevalenza e le opzioni di trattamento di questi deficit aumentano sul meth auto lab. Adattare il PG stat con FA due e gli add-on channel mucks. Costruire un adattatore per la testata per collegare gli channel mucks alla testata.
Ora collegare l'elettrodo di lavoro e quello di riferimento al modulo aggiuntivo del canale. Successivamente, collegare l'elettrodo di riferimento e l'elettrodo controstante fissati al soggetto animale alla parte dell'adattatore della testata collegata al percorso di ritorno della corrente. Avviare il software dell'analizzatore di risposta in frequenza e verificare che il file della procedura sia impostato per testare due forme d'onda multisine, ciascuna costituita da 15 segnali simultanei con frequenze comprese tra 10 hertz e 30 kilohertz.
Inoltre, assicurarsi che la tensione applicata sia di 25 millivolt o inferiore. Aprire ora il file del progetto e modificarlo. Il progetto utilizza il file di procedura che esegue un ciclo attraverso ogni canale e salva il risultato.
Collegare il soggetto animale a una testata passiva priva di amplificazione. Le testate attive non trasmetteranno i segnali in ingresso. Eseguire il file del progetto in base alle impostazioni.
Le registrazioni da ogni canale richiedono da 10 secondi a pochi minuti. Visualizza ora il risultato e interpretalo. Importa i file di testo di output con MATLAB e crea un diagramma di Nyquist o un diagramma di Bode.
Spostamenti della fase dipendenti dalla frequenza indicano una risposta del tessuto. Avviare il software del sistema elettrochimico per usi generali. Verificare che le impostazioni del file di procedura siano configurate per scansionare la tensione a 50 millivolt al secondo e che rientrino nei limiti dell'elettrolisi.
Eseguire almeno tre scansioni affinché il sistema raggiunga l'equilibrio e salvare i risultati dell'ultima scansione. La velocità di scansione può essere aumentata fino a un volt al secondo per ridurre il tempo di misurazione. Tuttavia, la forma della curva IV probabilmente cambierà se la velocità di scansione è più rapida delle reazioni di trasferimento di carica che avvengono all'interfaccia tra l'elettrodo e il tessuto.
Successivamente, aprire e modificare il file del progetto. Il progetto utilizza il file di procedura per scorrere ogni canale e salvare i risultati. Collegare il soggetto animale con una testa passiva e eseguire il file del progetto a un volt al secondo.
La raccolta richiede 10 secondi per canale utilizzando una velocità di scansione di 50 millivolt al secondo. Richiede circa tre minuti per canale. Infine, visualizzare e interpretare i risultati.
Passare i file di testo di output a MATLAB e tracciare la relazione corrente-tensione (IV). La capacità di trasporto di carica viene quantificata integrando l'area della corrente del catetere all'interno del CV E. La decisione più critica in questo protocollo è stabilire quando applicare un bias di tensione. Questo è reso possibile dai dati ciclici di telemetria e registrazione dell'impedenza.
Avviare il software del sistema elettrochimico universale e verificare che il file di procedura sia impostato per utilizzare il metodo a passi e scansioni. Applicare una tensione di 1,5 volt per una durata di quattro secondi. Successivamente, aprire e modificare il file del progetto, che utilizza il file di procedura per eseguire un ciclo su ogni canale e salvare il risultato.
Collegare il soggetto animale a uno stadio passivo della testa ed eseguire le registrazioni del file di progetto da ciascun canale. Attendere circa 10 secondi, quindi raccogliere i dati di EIS, CV e delle registrazioni e interpretare i risultati in un flusso di lavoro tipico. Le registrazioni e l'EIS vengono raccolti quotidianamente o settimanalmente su tutti i canali, mentre CV e il ringiovanimento possono essere utilizzati.
Se l'attività di scarica non è più rilevabile, le variazioni dell'EIS si verificano nell'arco di giorni o settimane dopo l'impianto di un elettrodo. I dati blu sono stati raccolti immediatamente dopo l'impianto, mentre quelli verdi quattro mesi dopo. Quando i dati dell'EIS sono rappresentati in un diagramma di Nyquist, un semicerchio alle alte frequenze vicino all'origine indica la risposta del tessuto in corrispondenza del sito dell'elettrodo.
L'analisi CV produce una curva corrente-tensione che mostra un certo isteresi. La statistica CV più rilevante è la capacità di trasporto di carica, ovvero l'area all'interno della curva IV normalizzata rispetto all'area del sito dell'elettrodo. Per la microstimolazione si preferiscono elettrodi con elevata capacità di carica.
Durante il ringiovanimento, viene applicato un impulso di tensione. Questo di solito comporta un aumento della capacità di carica e una diminuzione dei valori di impedenza; inoltre, gli impulsi possono essere ripristinati in canali in cui precedentemente erano presenti picchi. Sebbene il ringiovanimento abbia effetti a breve termine sull'impedenza e sul rapporto segnale-rumore, questa tecnica può essere applicata quotidianamente.
Nel dati raccolti quotidianamente da un criceto della Guinea impiantato con un array a 16 canali, il ringiovanimento ha avuto un effetto robusto sulla riduzione del modulo dell'impedenza a un chilohertz di un ordine di grandezza dopo ogni applicazione. Come risultato del recupero dei segnali e di una minore impedenza, il rapporto segnale-rumore (SNR) è aumentato dopo ogni sessione di ringiovanimento. Alla fine, tutti i segnali sono andati persi 160 giorni dopo l'implantazione e il ringiovanimento non è più risultato efficace.
Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in circa un'ora. Durante il tentativo di questa procedura, è importante assicurarsi che siano state effettuate le connessioni corrette e che i risultati della spettroscopia di impedenza indichino una risposta significativa del tessuto prima dei trattamenti bioelettrici con tensione.
Panoramica
Questo studio si concentra sull'interfaccia elettrodo-tessuto dei dispositivi per la registrazione neurale, utilizzando la spettroscopia di impedenza elettrica (EIS) e la voltammetria ciclica (CV) per migliorare le capacità di registrazione. Applicando un polarizzazione in tensione, i ricercatori mirano a migliorare le proprietà elettrochimiche dell'interfaccia, aumentando così la qualità delle registrazioni neurali.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Ingegneria Neurale
- Elettrofisiologia
Sfondo
- Comprendere l'interfaccia elettrodo-tessuto è fondamentale per il funzionamento delle protesi neurali.
- Un'elevata impedenza all'interfaccia può portare a una scarsa qualità del segnale neurale.
- La polarizzazione in tensione è un approccio innovativo per rigenerare le registrazioni neurali.
- Il monitoraggio quotidiano delle proprietà elettrochimiche può fornire informazioni sullo stato di salute dell'interfaccia.
Scopo dello studio
- Monitorare e migliorare la qualità dell'interfaccia tra elettrodo e tessuto.
- Migliorare la funzionalità a lungo termine dei sistemi di registrazione neurale.
- Studiare gli effetti del polarizzazione elettrica sull'attività neurale.
Metodi Utilizzati
- Raccolta giornaliera di dati di spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS).
- Raccolta di dati di voltammetria ciclica (CV) per valutare le prestazioni dell'elettrodo.
- Applicazione di una tensione correttiva per migliorare l'impedenza e l'attività neurale.
- Analisi dei dati mediante MATLAB per l'interpretazione dei risultati di EIS e CV.
Risultati principali
- La polarizzazione in tensione ha notevolmente ridotto l'impedenza e migliorato la qualità del segnale neurale.
- Le tecniche di ringiovanimento hanno ripristinato l'attività di spiking in canali precedentemente inattivi.
- L'applicazione giornaliera della polarizzazione in tensione ha determinato miglioramenti costanti nel rapporto segnale-rumore (SNR).
- Il monitoraggio a lungo termine ha rivelato una riduzione dell'efficacia del ringiovanimento dopo 160 giorni.
Conclusioni
- L'applicazione di una tensione polare è un metodo efficace per migliorare le prestazioni degli elettrodi di registrazione neurale.
- Questa tecnica può estendere la durata funzionale dei sistemi di elettrodi impiantabili.
- Sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare i protocolli di ringiovanimento per applicazioni a lungo termine.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Contenuto
Il monitoraggio e il miglioramento dell'interfaccia elettrodo-tessuto sono fondamentali per estendere la durata funzionale dei sistemi di registrazione neurale nella scoperta preclinica. La polarizzazione in tensione abbinata alla EIS e alla CV consente una riduzione dei rischi meccanicistici dei dispositivi impiantabili identificando il degrado dell'interfaccia e applicando interventi correttivi. Questo approccio supporta una previsione affidabile nello sviluppo di protesi neurali collegando i cambiamenti elettrochimici al recupero del segnale neurale, fornendo indicazioni per decisioni di avanzamento o interruzione nei flussi di lavoro precoci delle neurotecnologie.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione dell'Obiettivo
- Valore scientifico: Verificare ipotesi terapeutiche correlando le variazioni di impedenza con la formazione della cicatrice gliale e la perdita di segnali neurali.
- Valore operativo: Convalidare l'interazione con il bersaglio mediante il ripristino dell'attività di scarica a seguito dell'applicazione di un potenziale elettrico.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Preparare sistemi biologici validati per flussi di lavoro successivi monitorando giornalmente l’impedenza elettrochimica (EIS) come indicatore della risposta tissutale.
- Valore operativo: Consentire una valutazione affidabile dei composti mediante misurazioni della capacità di trasporto di carica ottenute dalla voltammetria ciclica (CV), che quantificano la funzionalità dell’elettrodo.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Sostenere la modellizzazione di sistemi rilevanti per le malattie monitorando il decadimento dell'efficacia degli elettrodi per 160 giorni in modelli impiantati.
- Valore operativo: Facilitare decisioni di avanzamento proporzionate al rischio determinando quando il ringiovanimento perde efficacia, fornendo indicazioni sulle aspettative di durata del dispositivo.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nel percorso della scoperta, dalla verifica delle ipotesi all'identificazione dei composti promettenti, fornendo metriche quantitative e longitudinali dell'interfaccia che precedono la validazione funzionale.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi collegando le variazioni di impedenza elettrochimica alle risposte dei tessuti biologici nel sito di impianto.
- Screening: Garantisce la prontezza del saggio mediante il monitoraggio giornaliero con EIS e la quantificazione basata su CV della capacità di trasferimento di carica.
- Analisi: Fornisce letture quantitative, inclusi il modulo dell'impedenza a 1 kHz e la capacità di trasporto di carica normalizzata ottenuta da curve CV, per confrontare le condizioni dell'interfaccia.
- Ricerca traslazionale: Collega la scoperta alla continuità preclinica dimostrando come il ringiovanimento dell'interfaccia prolunghi l'utilizzabilità della registrazione nei modelli di impianto cronico.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma riutilizzabile per il monitoraggio longitudinale delle interfacce neurali attraverso diverse iterazioni di dispositivi e bersagli terapeutici.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Affidabilità predittiva nelle prestazioni del dispositivo, riduzione dell'ambiguità meccanicistica nelle modalità di guasto e convalida degli obiettivi mediante ripristino del segnale.
- Valore operativo: Standardizzazione dei protocolli di impedenza e voltammetria, riproducibilità tra canali e scalabilità a matrici multicanale.
- Valore strategico: Decisioni più accurate sul proseguimento o meno dello sviluppo del dispositivo, efficienza del capitale grazie a durate funzionali prolungate e riduzione del rischio biologico in fase avanzata negli impianti neurali.
- Impatto sul portafoglio: Prioritizzazione corretta del rischio dei design degli elettrodi in base alla risposta al ringiovanimento e alla previsione dell'andamento dell'impedenza.
Considerazioni sull'implementazione
- È richiesta un'esperienza scientifica specifica in elettrochimica, interfacciamento neurale ed elettrofisiologia per un'interpretazione accurata dei dati.
- Le attrezzature necessarie includono analizzatori di risposta in frequenza, potenziostati/galvanostati e adattatori per testa di registrazione, per applicare polarizzazioni di tensione precise ed effettuare misurazioni spettrali accurate.
- La standardizzazione tra gruppi di lavoro richiede protocolli sincronizzati per la raccolta di dati di spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS), voltammetria ciclica (CV) e registrazioni neurali, al fine di garantire set di dati longitudinali confrontabili.
- Le considerazioni relative all'adattamento includono la regolazione dei parametri di polarizzazione di tensione (ampiezza, durata) in diversi sistemi modello e materiali degli elettrodi, per evitare fenomeni di elettrolisi o danni ai tessuti.
- I limiti pratici comprendono un rendimento decrescente del processo di ringiovanimento dopo circa 160 giorni dal posizionamento dell'impianto, rendendo necessarie strategie complementari per applicazioni croniche.
