Стабилизатор напряжения, циклической вольтамперометрии, и электрического сопротивления спектроскопии для нейронных интерфейсов
24 февраля 2012 г.
Электрод-ткань интерфейс нейронных электродами записи можно охарактеризовать с электрическим сопротивлением спектроскопия (EIS) и циклической вольтамперометрии (CV). Применение напряжения смещения изменения электрохимических свойств электродов ткани интерфейс и может улучшить возможность записи. Напряжение смещения, EIS, CV, и нервные записи друг друга.
Общая цель данной процедуры заключается в мониторинге качества интерфейса «электрод — ткань» имплантированных нейропротезных систем регистрации, а также в повышении качества записи и обеспечении долгосрочного функционирования. Это достигается путем ежедневного сбора данных электрохимической импедансной спектроскопии и данных нейронной регистрации. Телеметрия циклической вольтамперометрии или данные CV собираются для получения более подробной информации о качестве интерфейсов «электрод — ткань», в которых не наблюдается нейронной активности и фиксируется высокий импеданс.
Затем в течение четырех секунд подается корректирующее смещение напряжения 1,5 volt. После этого продолжается сбор данных и, при необходимости, подается дополнительное смещение напряжения. В конечном итоге использование этих методов позволяет снизить импеданс, а также улучшить или восстановить регистрируемую нейронную активность.
Основное преимущество данного метода по сравнению с существующими подходами, такими как доставка лекарственных средств или модификация поверхности, заключается в том, что подача смещающего напряжения может оказывать устойчивое влияние на улучшение функциональности и характеристик нейропротезных систем регистрации спустя десятки или сотни дней после имплантации. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области нейроинженерии, например, о том, как увеличить функциональный срок службы имплантируемых электродных систем. Значение данной методики распространяется на терапию или диагностику множества неврологических нарушений.
Это важно, так как распространенность и варианты лечения этих дефицитов увеличиваются. На meth auto lab. PG stat, адаптированном с помощью FA two и дополнительных модулей channel mucks. Изготовьте адаптер головки для подключения channel mucks к головке.
Теперь подключите рабочий и сенсорный электроды к надстройке канала mucks. Затем подключите электрод сравнения и вспомогательный электрод, закрепленные на животном, к той части адаптера головного блока, которая соединена с путем возврата тока. Запустите программное обеспечение анализатора частотных характеристик и убедитесь, что в файле процедуры установлено одновременное тестирование двух многосинусоидальных сигналов, каждый из которых состоит из 15 синусоид в диапазоне от 10 hertz до 30 kilohertz.
Также убедитесь, что приложенное напряжение составляет 25 millivolts или меньше. Теперь откройте и отредактируйте файл проекта. В проекте используется файл процедуры, который перебирает каждый канал и сохраняет результат.
Подключите животное с помощью пассивного головного модуля без усиления. Активные головные модули не пропускают входные сигналы. Запустите файл проекта в соответствии с настройками.
Запись с каждого канала занимает от 10 секунд до нескольких минут. Теперь отобразите и интерпретируйте результат. Обработайте выходные текстовые файлы с помощью MATLAB и постройте диаграмму Найквиста или Боде.
Частотно-зависимые сдвиги фазы указывают на ответ ткани. Запустите программное обеспечение электрохимической системы общего назначения. Убедитесь, что в настройках файла процедуры установлена скорость развертки напряжения 50 millivolts в секунду и что значения находятся в пределах гидролиза.
Выполните не менее трех сканирований для достижения системой равновесия и сохраните результаты последнего сканирования. Скорость сканирования можно увеличить до одного вольта в секунду для сокращения времени измерения. Однако форма ВАХ, скорее всего, изменится, если скорость сканирования будет превышать скорость реакций переноса заряда, происходящих на границе раздела электрод-ткань.
Затем откройте и отредактируйте файл проекта. В проекте используется файл процедуры, который циклически проходит по каждому каналу и сохраняет результаты. Подключите подопытное животное с помощью пассивного головного модуля и запустите файл проекта со скоростью изменения напряжения 1 В/с.
Сбор данных занимает 10 секунд на канал при скорости сканирования 50 millivolts per second. Общее время составляет около трех минут на канал. В завершение отобразите и интерпретируйте результаты.
Обработайте выходные текстовые файлы с помощью MATLAB и постройте график зависимости I-V. Зарядная емкость количественно определяется путем интегрирования площади тока катетера в пределах окна CV E. Самым важным решением в данном протоколе является определение момента подачи смещения напряжения. Это становится возможным благодаря данным циклической телеметрии и записям импеданса.
Запустите программное обеспечение системы общего назначения для электрохимических исследований и убедитесь, что в файле процедуры выбран метод ступенчатого изменения напряжения и разверток. Установите ступенчатое напряжение 1.5 volts с длительностью каждого шага четыре секунды. Затем откройте и отредактируйте файл проекта, который использует файл процедуры для циклического опроса каждого канала и сохранения результатов.
Подключите подопытное животное к пассивному головному модулю и выполните запись данных из каждого канала согласно файлу проекта. Подождите около 10 секунд, затем соберите данные EIS CV и записи и интерпретируйте результаты в рамках стандартного рабочего процесса. Записи и данные EIS собираются ежедневно или еженедельно по всем каналам; также могут быть использованы CV и процедура восстановления.
Если спайковая активность больше не обнаруживается, показатели EIS изменяются в течение нескольких дней или недель после имплантации электрода. Синие данные были собраны сразу после имплантации, а зеленые — спустя четыре месяца. При отображении данных EIS в виде годографа Найквиста полукруг на более высоких частотах вблизи начала координат указывает на тканевой ответ в месте установки электрода.
Циклический вольтамперометрический анализ позволяет получить кривую зависимости тока от напряжения, которая демонстрирует определенный гистерезис. Наиболее значимым статистическим показателем ЦВА является зарядная емкость, представляющая собой площадь внутри вольтамперометрической кривой, нормированную по площади поверхности электрода. Для микростимуляции предпочтительны электроды с большой зарядной емкостью.
В процессе омоложения подается импульс напряжения. Обычно это приводит к увеличению емкости заряда и снижению величины импеданса; также могут быть восстановлены спайки в каналах, в которых они ранее отсутствовали. Несмотря на то, что омоложение оказывает лишь краткосрочное влияние на импеданс и отношение сигнал/шум, этот метод можно применять ежедневно.
В данных, ежедневно собираемых с морской свинки с имплантированной 16-канальной матрицей, омоложение оказывало выраженный эффект, снижая величину импеданса на частоте 1 kHz на порядок после каждого применения. В результате восстановления сигналов и снижения импеданса отношение сигнал/шум (SNR) увеличивалось после каждого сеанса омоложения. В конечном итоге, спустя 160 дней после имплантации, все сигналы были потеряны, и омоложение перестало быть эффективным.
После освоения эта методика может быть выполнена примерно за один час. При проведении данной процедуры важно убедиться в правильности всех соединений и в том, что результаты импедансной спектроскопии указывают на значительный ответ ткани перед началом биоэлектрического воздействия.
Обзор
Данное исследование посвящено интерфейсу «электрод-ткань» нейронных регистрирующих электродов с использованием электрохимической импедансной спектроскопии (EIS) и циклической вольтамперометрии (CV) для расширения возможностей регистрации. Путем применения смещения напряжения исследователи стремятся улучшить электрохимические свойства интерфейса, тем самым повышая качество нейронных записей.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Нейроинженерия
- Электрофизиология
Теоретическая часть
- Понимание интерфейса «электрод-ткань» имеет решающее значение для функционирования нейропротезов.
- Высокий импеданс на границе раздела может привести к низкому качеству нейронного сигнала.
- Смещение напряжения представляет собой новый подход к восстановлению качества нейронных записей.
- Ежедневный мониторинг электрохимических свойств позволяет судить о состоянии интерфейса.
Цель исследования
- Для мониторинга и повышения качества интерфейса электрод-ткань.
- Для улучшения долгосрочного функционирования систем нейронной регистрации.
- Для исследования влияния смещения напряжения на нейронную активность.
Используемые методы
- Ежедневный сбор данных электрохимической импедансной спектроскопии (EIS).
- Сбор данных циклической вольтамперометрии (CV) для оценки характеристик электрода.
- Приложение корректирующего напряжения смещения для улучшения импеданса и нейрональной активности.
- Анализ данных с использованием MATLAB для интерпретации результатов EIS и CV.
Основные результаты
- Подача смещения по напряжению значительно снизила импеданс и улучшила качество нейронных сигналов.
- Методы омоложения восстановили спайковую активность в ранее неактивных каналах.
- Ежедневное применение смещения по напряжению привело к стабильному улучшению отношения сигнал/шум (SNR).
- Долговременный мониторинг выявил снижение эффективности омоложения через 160 дней.
Выводы
- Смещение напряжения является эффективным методом повышения характеристик электродов для регистрации нейронной активности.
- Данный метод позволяет продлить функциональный срок службы имплантируемых электродных систем.
- Необходимы дальнейшие исследования для оптимизации протоколов восстановления для долгосрочного применения.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Мониторинг и улучшение интерфейса между электродом и тканью имеют решающее значение для продления функционального срока службы систем нейронной регистрации в доклинических исследованиях. Смещение напряжения в сочетании с ЭИС и ЦВ позволяет снизить механистические риски при использовании имплантируемых устройств путем выявления деградации интерфейса и применения корректирующих мер. Данный подход повышает прогностическую уверенность при разработке нейропротезов, связывая электрохимические изменения с восстановлением нейронного сигнала, что позволяет принимать решения о целесообразности дальнейшей разработки на ранних этапах создания нейротехнологий.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Научная ценность: Проверка терапевтических гипотез путем корреляции изменений импеданса с формированием глиального рубца и потерей нейронного сигнала.
- Практическая ценность: Подтверждение взаимодействия с мишенью посредством восстановления спайковой активности после приложения смещения напряжения.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Подготовка валидированных биологических систем для последующих рабочих процессов путем ежедневного мониторинга ЭИС в качестве индикатора реакции ткани.
- Операционная ценность: Обеспечение надежной оценки соединений с помощью измерений емкости переноса заряда на основе циклической вольтамперометрии для количественной оценки функциональности электродов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Поддержка моделирования систем, релевантных для изучения заболеваний, путем отслеживания снижения эффективности электродов в течение 160 дней в имплантированных моделях.
- Практическая ценность: Облегчение принятия решений по развитию проекта с учетом рисков путем определения момента потери эффективности омоложения, что позволяет уточнить ожидания относительно срока службы устройства.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в непрерывный процесс поиска — от проверки гипотезы до идентификации перспективных соединений (лидов), обеспечивая количественные лонгитюдные показатели интерфейса, которые предшествуют функциональной валидации.
- Открывающая биология: Поддерживает проверку гипотез, связывая сдвиги электрохимического импеданса с ответами биологических тканей в месте имплантации.
- Скрининг: Обеспечивает готовность анализа за счет ежедневного мониторинга EIS и количественного определения способности к переносу заряда на основе CV.
- Аналитика: Предоставляет количественные данные, включая величину импеданса при 1 kHz и нормализованную емкость переноса заряда по кривым CV для сравнения состояния интерфейса.
- Трансляционные исследования: Обеспечивают преемственность между фундаментальными открытиями и доклиническими исследованиями, демонстрируя, как омоложение интерфейса продлевает срок использования записи в моделях хронической имплантации.
- Корпоративное повторное использование: Создает возможность многократного использования платформы для лонгитюдного мониторинга нейроинтерфейсов в различных итерациях устройств и терапевтических целях.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Повышение прогностической уверенности в работе устройства, снижение механистической неопределенности режимов отказа и валидация мишеней посредством восстановления сигнала.
- Операционная ценность: Стандартизация протоколов импедансометрии и вольтамперометрии, воспроизводимость между каналами и масштабируемость для многоканальных матриц.
- Стратегическая ценность: Обоснование более точных решений о целесообразности дальнейшей разработки устройства, эффективность использования капитала за счет продления срока функционального использования и снижение биологических рисков на поздних стадиях при создании нейронных имплантатов.
- Влияние на портфель разработок: Приоритизация конструкций электродов с учетом рисков на основе их отклика на омоложение и прогнозирования траектории изменения импеданса.
Особенности реализации
- Для точной интерпретации данных требуются специальные научные знания в области электрохимии, нейронных интерфейсов и электрофизиологии.
- Необходимое оборудование включает анализаторы частотного отклика, потенциостаты/гальваностаты и адаптеры головного блока для точного смещения напряжения и спектральных измерений.
- Стандартизация между исследовательскими группами требует синхронизированных протоколов сбора данных EIS, CV и нейронных записей для обеспечения сопоставимости лонгитюдных наборов данных.
- При адаптации метода необходимо корректировать параметры смещения напряжения (амплитуду, длительность) для различных модельных систем и материалов электродов, чтобы избежать гидролиза или повреждения тканей.
- Практические ограничения включают снижение эффективности омоложения примерно через 160 дней после имплантации, что требует применения дополнительных стратегий для долгосрочного использования.
