신경 인터페이스 전압 바이어스, 순환 Voltammetry, & 전기 임피던스 분광학

본 절차의 전반적인 목표는 이식된 신경 기록 보철 시스템의 전극-조직 인터페이스 품질을 모니터링하고, 기록 품질과 장기적인 기능을 향상시키는 것입니다. 이는 먼저 매일 전기화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy) 및 신경 기록 데이터를 수집함으로써 수행됩니다. 신경 활동이 나타나지 않고 높은 임피던스를 보이는 전극-조직 인터페이스의 품질에 대한 추가적인 세부 정보를 얻기 위해 Cyclic V 텔레메트리 또는 CV 데이터를 수집합니다.

그런 다음 1.5 volt의 보정 전압 바이어스를 4초 동안 인가합니다. 이어서 계속해서 데이터를 수집하며, 필요에 따라 추가적인 전압 바이어스를 인가합니다. 궁극적으로 이러한 방법들을 통해 임피던스를 낮추고 기록된 신경 활동의 개선 또는 회복이 가능합니다.

약물 전달이나 표면 개질과 같은 기존 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은, 전압 바이어싱이 임플란트 삽입 후 수십 일에서 수백 일이 지난 후에도 신경 기록 보철 시스템의 기능성과 성능을 향상시키는 데 강력한 효과를 나타낼 수 있다는 점입니다. 이 방법은 이식형 전극 시스템의 기능적 수명을 어떻게 향상시킬 것인가와 같은 신경 공학 분야의 핵심 질문에 답하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이 기술의 영향은 다양한 신경학적 결손의 치료 또는 진단으로 확대될 수 있습니다.

이러한 결손의 유병률과 치료 옵션이 증가함에 따라 이는 중요합니다. FA two 및 channel mucks 애드온이 장착된 PG stat 기반의 meth auto lab에서 진행하십시오. channel mucks를 헤드 스테이지에 연결하기 위한 헤드 스테이지 어댑터를 제작하십시오.

이제 작업 전극과 감지 전극을 채널 퍽(channel mucks) 애드온에 연결하십시오. 그런 다음 동물 피험체에 부착된 기준 전극과 상대 전극을 전류 귀환 경로에 연결된 헤드 스테이지 어댑터 부분에 연결하십시오. 주파수 응답 분석기 소프트웨어를 실행하고, 10 Hz에서 30 kHz 범위의 사인파 15개로 구성된 두 개의 멀티 사인 파형을 동시에 테스트하도록 프로시저 파일이 설정되었는지 확인하십시오.

또한, 인가 전압이 25 millivolts 이하인지 확인하십시오. 이제 프로젝트 파일을 열고 편집합니다. 이 프로젝트는 각 채널을 순회하며 결과를 저장하는 프로시저 파일을 사용합니다.

증폭 기능이 없는 수동형 헤드 스테이지를 동물 피험체에 연결하십시오. 능동형 헤드 스테이지는 입력 신호를 전달하지 않습니다. 설정에 따라 프로젝트 파일을 실행하십시오.

각 채널의 기록은 10초에서 수 분 정도 소요됩니다. 이제 결과를 표시하고 해석하십시오. MATLAB을 통해 출력 텍스트 파일을 전달하여 나이퀴스트(nyquist) 또는 보드(bode) 플롯을 작성하십시오.

위상에서 주파수 의존적 이동은 조직 반응을 나타냅니다. 범용 전기화학 시스템 소프트웨어를 시작하십시오. 절차 파일 설정이 전압을 50 millivolts per second로 스캔하도록 설정되어 있는지, 그리고 가수분해 한계 범위 내에 있는지 확인하십시오.

시스템이 평형 상태에 도달하도록 최소 3회 이상 스캔을 수행하고 최종 스캔의 결과를 저장하십시오. 측정 시간을 단축하기 위해 스캔 속도를 초당 1V로 높일 수 있습니다. 다만, 스캔 속도가 전극-조직 계면에서 발생하는 전하 전달 반응보다 빠를 경우 IV 곡선의 모양이 변할 가능성이 큽니다.

다음으로, 프로젝트 파일을 열어 편집하십시오. 이 프로젝트는 각 채널을 순회하며 결과를 저장하는 프로시저 파일을 사용합니다. 수동 헤드 스테이지를 사용하여 실험 동물을 연결하고, 초당 1V의 속도로 프로젝트 파일을 실행하십시오.

50 millivolts per second의 스캔 속도를 사용할 때 채널당 수집 시간은 10초가 소요됩니다. 채널당 약 3분이 소요됩니다. 마지막으로, 결과를 표시하고 해석합니다.

MATLAB을 사용하여 출력 텍스트 파일을 처리하고 IV 관계를 그래프로 나타내십시오. 전하 운반 용량은 CV E 내의 카테터 전류 면적을 적분하여 정량화합니다. 이 프로토콜에서 가장 중요한 결정은 전압 바이어스를 언제 적용할지 결정하는 것입니다. 이는 임피던스 주기적 텔레메트리 및 기록 데이터를 통해 가능해집니다.

범용 전기화학 시스템 소프트웨어를 시작하고, 프로시저 파일이 단계 및 스윕(steps and sweeps) 방법으로 설정되어 있는지 확인하십시오. 전압을 1.5 volts로 4초 동안 단계적으로 인가하십시오. 다음으로, 프로시저 파일을 사용하여 각 채널을 반복 실행하고 결과를 저장하는 프로젝트 파일을 열어 편집하십시오.

동물 피실험체를 패시브 헤드 스테이지에 연결하고 각 채널에서 프로젝트 파일 기록을 실행하십시오. 약 10초가 소요되며, 이후 EIS CV 및 기록 데이터를 수집하여 일반적인 워크플로우에 따라 결과를 해석합니다. 모든 채널에 대해 기록 및 EIS는 매일 또는 매주 수집하며, CV 및 회복(rejuvenation) 과정을 사용할 수 있습니다.

스파이킹 활성이 더 이상 검출되지 않는 경우, 전극 이식 후 수일에서 수주에 걸쳐 EIS가 변화합니다. 파란색 데이터는 이식 직후에 수집되었으며, 녹색 데이터는 4개월 후에 수집되었습니다. EIS 데이터를 나이퀴스트 선도(nyquist plot)로 표시하면, 원점 근처의 고주파수 영역에서 나타나는 반원은 전극 부위의 조직 반응을 나타냅니다.

CV 분석을 통해 약간의 이력 현상을 보이는 전류-전압 곡선을 얻을 수 있습니다. 가장 유의미한 CV 통계 값은 전하 운반 용량으로, 이는 IV 곡선 내부의 면적을 전극 부위 면적으로 정규화한 값입니다. 미세 자극에는 전하 용량이 큰 전극이 선호됩니다.

회춘(rejuvenation) 과정 동안 전압 펄스가 인가됩니다. 이는 일반적으로 전하 용량의 증가와 임피던스 크기의 감소라는 결과를 가져오며, 이전에 스파이크가 사라졌던 채널에서 스파이크가 다시 복원될 수도 있습니다. 회춘 작업이 임피던스와 신호 대 잡음비에 미치는 영향은 단기적이지만, 이 기술은 매일 적용할 수 있습니다.

16채널 어레이를 이식한 기니피그로부터 매일 수집한 데이터에서, 재생(rejuvenation) 처리를 할 때마다 1 kHz 임피던스 크기가 10배(an order of magnitude) 가량 감소하는 강력한 효과가 나타났습니다. 신호 회복과 임피던스 감소의 결과로, 매 재생 세션 이후 SNR이 증가했습니다. 최종적으로 이식 후 160일이 지나자 모든 신호가 소실되었으며, 더 이상 재생 처리가 효과적이지 않았습니다.

이 기술을 숙달하면 약 1시간 이내에 완료할 수 있습니다. 이 절차를 수행할 때는 적절한 연결이 이루어졌는지 확인하고, 전압 바이오 처리 전에 임피던스 분광법 결과가 유의미한 조직 반응을 나타내는지 확인하는 것이 중요합니다.