Polaryzacja napięciowa, woltametria cykliczna i spektroskopia impedancyjna dla interfejsów neuronalnych

Ogólnym celem niniejszej procedury jest monitorowanie jakości interfejsu między elektrodą a tkanką w implantowanych protetycznych systemach rejestracji aktywności neuronalnej, a także poprawa jakości rejestracji i długoterminowej funkcjonalności. Jest to realizowane poprzez codzienne gromadzenie danych z elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej oraz danych z rejestracji aktywności neuronalnej. Dane z telemetrii woltamperometrii cyklicznej (CV) są zbierane w celu uzyskania szczegółowych informacji o jakości interfejsów elektroda-tkanka, które nie wykazują aktywności neuronalnej i charakteryzują się wysoką impedancją.

Następnie przez cztery sekundy przykładane jest korygujące napięcie polaryzacyjne 1,5 V. Po tym następuje dalsze gromadzenie danych oraz dodatkowa polaryzacja napięciowa w razie potrzeby. Ostatecznie, stosując te metody, możliwe jest uzyskanie niższej impedancji oraz poprawa lub przywrócenie zarejestrowanej aktywności neuronalnej.

Główną zaletą tej techniki w stosunku do istniejących metod, takich jak dostarczanie leków czy modyfikacja powierzchni, jest fakt, że polaryzacja napięciowa może wywierać trwały wpływ na poprawę funkcjonalności i wydajności protetycznych systemów rejestracji neuronowej od kilkudziesięciu do kilkuset dni po implantacji. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z dziedziny inżynierii neuronowej, takie jak sposób poprawy funkcjonalnego czasu życia implantowalnych systemów elektrodowych. Zastosowania tej techniki rozciągają się na terapię lub diagnostykę wielu deficytów neurologicznych.

Jest to istotne, ponieważ rozpowszechnienie oraz opcje leczenia tych deficytów zwiększają się w On the meth auto lab. PG stat dostosowany do FA two oraz dodatków channel mucks. Zbuduj adapter do etapu głowicy, aby połączyć channel mucks z etapem głowicy.

Teraz podłącz elektrody roboczą i pomiarową do modułu rozszerzającego kanałów (channel mucks add on). Następnie podłącz elektrody odniesienia i przeciwelektrodę przymocowane do zwierzęcia do części adaptera głowicy podłączonej do ścieżki powrotnej prądu. Uruchom oprogramowanie analizatora odpowiedzi częstotliwościowej i upewnij się, że plik procedury jest ustawiony na testowanie dwóch sygnałów wielosinusoidalnych, z których każdy składa się z 15 sinusoid w zakresie od 10 hertz do 30 kilohertz, emitowanych jednocześnie.

Upewnij się również, że przyłożone napięcie wynosi 25 millivolts lub mniej. Teraz otwórz i edytuj plik projektu. Projekt wykorzystuje plik procedury, który przechodzi w pętli przez każdy kanał i zapisuje wynik.

Połącz obiekt zwierzęcy z pasywną głowicą pomiarową bez wzmocnienia. Aktywne głowice pomiarowe nie przepuszczą sygnałów wejściowych. Uruchom plik projektu zgodnie z ustawieniami.

Nagrania z każdego kanału trwają od 10 sekund do kilku minut. Teraz wyświetl i zinterpretuj wynik. Prześlij wyjściowe pliki tekstowe do programu MATLAB i wykonaj wykres Nyquista lub wykres Bodego.

Zależne od częstotliwości przesunięcia fazy wskazują na odpowiedź tkanki. Uruchom oprogramowanie ogólnego systemu elektrochemicznego. Upewnij się, że ustawienia pliku procedury są skonfigurowane na sweep napięcia z prędkością 50 mV/s i mieszczą się w granicach hydrolizy.

Przeprowadź co najmniej trzy skanowania, aby układ osiągnął stan równowagi, a następnie zapisz wyniki z ostatniego skanowania. Szybkość skanowania można zwiększyć do 1 V/s w celu skrócenia czasu pomiaru. Należy jednak pamiętać, że kształt krzywej IV prawdopodobnie ulegnie zmianie, jeśli szybkość skanowania będzie wyższa niż szybkość reakcji przeniesienia ładunku zachodzących na granicy faz elektroda-tkanka.

Następnie otwórz i edytuj plik projektu. Projekt wykorzystuje plik procedury, który przechodzi w pętli przez każdy kanał i zapisuje wyniki. Podłącz zwierzę za pomocą pasywnej głowicy i uruchom plik projektu z szybkością jednego wolta na sekundę.

Akwizycja danych trwa 10 sekund na kanał przy zastosowaniu szybkości skanowania 50 millivolts per second. Cały proces zajmuje około trzech minut na kanał. Na koniec wyświetl i zinterpretuj wyniki.

Przetwórz wyjściowe pliki tekstowe za pomocą programu MATLAB i wykreśl zależność IV. Pojemność przenoszenia ładunku określa się poprzez całkowanie pola powierzchni prądu katody w funkcji CV E. Najważniejszą decyzją w tym protokole jest określenie momentu przyłożenia napięcia polaryzującego. Jest to możliwe dzięki cyklicznej telemetrii impedancji oraz zarejestrowanym danym.

Uruchom oprogramowanie ogólnego systemu elektrochemicznego i sprawdź, czy plik procedury jest ustawiony na metodę kroków i sweepów. Ustaw napięcie skokowo na 1,5 volts na czas cztery seconds. Następnie otwórz i edytuj plik projektu, który wykorzystuje plik procedury do zapętlenia każdego kanału i zapisania wyniku.

Połącz zwierzę z pasywną głowicą i przeprowadź rejestrację z każdego kanału zgodnie z plikiem projektu. Odczekaj około 10 s, a następnie zbierz dane z EIS, CV i rejestracji, a wyniki zinterpretuj w standardowym schemacie postępowania. Rejestracje i EIS są zbierane codziennie lub co tydzień we wszystkich kanałach, natomiast CV i rejuvenacja mogą być stosowane w razie potrzeby.

Jeśli aktywność impulsowa nie jest już wykrywalna, EIS zmienia się w ciągu dni lub tygodni po implantacji elektrody. Dane niebieskie zostały zebrane bezpośrednio po implantacji, a dane zielone cztery miesiące później. Gdy dane EIS są przedstawione na wykresie Nyquista, półokrąg przy wyższych częstotliwościach w pobliżu początku układu wskazuje na odpowiedź tkankową w miejscu umieszczenia elektrody.

Analiza CV pozwala uzyskać krzywą prądowo-napięciową, która wykazuje pewną histerezę. Najważniejszym parametrem statystycznym CV jest pojemność ładunkowa, czyli pole powierzchni wewnątrz krzywej IV znormalizowane przez powierzchnię miejsca elektrody. W mikrostymulacji preferowane są elektrody o dużej pojemności ładunkowej.

Podczas procesu odświeżania (rejuwenacji) przykłada się impuls napięcia. Zazwyczaj skutkuje to zwiększeniem pojemności ładunkowej i zmniejszeniem wartości impedancji; w kanałach, w których wcześniej występowały impulsy (spiki), mogą one zostać przywrócone. Chociaż odświeżanie ma jedynie krótkotrwały wpływ na impedancję i stosunek sygnału do szumu, technikę tę można stosować codziennie.

W danych gromadzonych codziennie od świnki morskiej z implantowanym 16-kanałowym układem macierzowym, odmładzanie (rejuvenation) miało silny wpływ na obniżenie modułu impedancji przy częstotliwości 1 kHz o rząd wielkości po każdym zastosowaniu. W wyniku odzyskania sygnałów i obniżenia impedancji, stosunek sygnału do szumu (SNR) wzrastał po każdej sesji odmładzania. Ostatecznie wszystkie sygnały zostały utracone po 160 dniach od implantacji, a odmładzanie przestało być skuteczne.

Po opanowaniu techniki, procedura ta może zostać wykonana w ciągu około jednej godziny. Podczas przeprowadzania tej procedury ważne jest upewnienie się, że wykonano prawidłowe połączenia oraz że wyniki spektroskopii impedancyjnej wskazują na znaczną odpowiedź tkankową przed rozpoczęciem bioelektrycznych zabiegów napięciowych.