يتحامل التيار الكهربائي، Voltammetry دوري، والتحليل الطيفي المعاوقة الكهربائية للواجهات العصبية

الهدف العام من هذا الإجراء هو مراقبة جودة الواجهة البينية بين القطب والأنسجة في أنظمة تسجيل النشاط العصبي التعويضية المزروعة، بالإضافة إلى تحسين جودة التسجيل والوظائف التشغيلية على المدى الطويل. ويتم تحقيق ذلك من خلال جمع بيانات مطيافية الممانعة الكهركيميائية وبيانات التسجيل العصبي بشكل يومي أولاً. كما يتم جمع بيانات القياس عن بُعد للجهد الدوري (Cyclic V telemetry) أو بيانات CV للحصول على تفاصيل إضافية حول جودة الواجهات البينية بين القطب والأنسجة التي لا تظهر أي نشاط عصبي وتعرض ممانعة عالية.

بعد ذلك، يتم تطبيق جهد انحياز تصحيحي بقيمة 1.5 volt لمدة أربع ثوانٍ. ويتبع ذلك الاستمرار في جمع البيانات وتطبيق جهد انحياز إضافي حسب الحاجة. وفي النهاية، تتيح هذه الطرق إمكانية خفض المعاوقة وتحسين أو استعادة النشاط العصبي المسجل.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية، مثل إيصال الأدوية أو تعديل السطح، في أن الانحياز الجهد يمكن أن يكون له تأثير قوي في تحسين الوظائف وأداء أنظمة تسجيل النشاط العصبي التعويضية بعد عشرات إلى مئات الأيام من الزرع. ويمكن لهذه الطريقة أن تساعد في الإجابة على أسئلة رئيسية في مجال الهندسة العصبية، مثل كيفية تحسين العمر الوظيفي لأنظمة الأقطاب الكهربائية القابلة للزرع. وتمتد تداعيات هذه التقنية لتشمل علاج أو تشخيص العديد من القصورات العصبية.

يُعد هذا الأمر مهماً نظراً لأن انتشار وخيارات علاج هذه العجوزات تزداد في مختبر الـ meth auto. تم تكييف PG stat باستخدام إضافات FA two و channel mucks. قم ببناء محول للمرحلة الرأسية (head stage adapter) لتوصيل الـ channel mucks بالمرحلة الرأسية.

قم الآن بتوصيل قطبي العمل والاستشعار بملحق القنوات. ثم قم بتوصيل قطبي المرجع والمضاد المثبتين في الحيوان الخاضع للتجربة بجزء محول مرحلة الرأس المتصل بمسار عودة التيار. ابدأ تشغيل برنامج محلل الاستجابة الترددية، وتحقق من ضبط ملف الإجراء لاختبار موجتين جيبتين متعددتين، تتكون كل منهما من 15 موجة جيبية في آن واحد، تتراوح تردداتها من 10 hertz إلى 30 kilohertz.

تأكد أيضاً من أن الجهد الكهربائي المطبق هو 25 millivolts أو أقل. والآن، قم بفتح ملف المشروع وتحريره. يستخدم المشروع ملف إجراء يقوم بالتكرار عبر كل قناة وحفظ النتيجة.

قم بتوصيل الحيوان الخاضع للتجربة بمرحلة رأس خاملة (passive head stage) تفتقر إلى التضخيم. علماً بأن مراحل الرأس النشطة (active head stages) لن تسمح بمرور إشارات الإدخال. قم بتشغيل ملف المشروع وفقاً للإعدادات.

تستغرق التسجيلات من كل قناة ما بين 10 ثوانٍ وبضع دقائق. الآن قم بعرض النتيجة وتفسيرها. قم بمعالجة ملفات النص المخرجة باستخدام MATLAB وإنشاء مخطط Nyquist أو مخطط Bode.

تشير الإزاحات المعتمدة على التردد في الطور إلى استجابة نسيجية. قم بتشغيل برنامج نظام الكيمياء الكهربائية للأغراض العامة. تحقق من ضبط إعدادات ملف الإجراء لمسح الجهد بمعدل 50 millivolts في الثانية وأنها تقع ضمن حدود التحلل المائي.

قم بإجراء ثلاثة مسوحات على الأقل حتى يصل النظام إلى حالة التوازن، ثم احفظ النتائج من المسح النهائي. يمكن زيادة معدل المسح إلى 1 V/s لتقليل وقت القياس. ومع ذلك، فمن المرجح أن يتغير شكل منحنى IV إذا كان معدل المسح أسرع من تفاعلات نقل الشحنة التي تحدث عند الواجهة البينية بين القطب والأنسجة.

بعد ذلك، قم بفتح ملف المشروع وتحريره. يستخدم المشروع ملف إجراء يقوم بالتكرار عبر كل قناة وحفظ النتائج. قم بتوصيل الحيوان الخاضع للتجربة بمرحلة رأس سلبية وقم بتنفيذ ملف المشروع بمعدل فولت واحد في الثانية.

تستغرق عملية الجمع 10 seconds لكل قناة عند استخدام معدل مسح يبلغ 50 millivolts per second. وتستغرق العملية حوالي ثلاث دقائق لكل قناة. وأخيراً، يتم عرض النتائج وتفسيرها.

قم بمعالجة ملفات النصوص المخرجة باستخدام MATLAB وارسم العلاقة بين التيار والجهد (IV). ويتم قياس سعة حمل الشحنة عن طريق تكامل مساحة تيار القسطرة ضمن منحنى الجهد الدوري (CV E). إن القرار الأكثر أهمية في هذا البروتوكول هو تحديد موعد تطبيق انحياز الجهد، وهو أمر يتم تفعيله من خلال بيانات القياس عن بُعد والتسجيلات الدورية للمعوقة.

قم بتشغيل برنامج نظام الكيمياء الكهربائية للأغراض العامة وتحقق من ضبط ملف الإجراء لاستخدام طريقة الخطوات والمسحات. قم بتغيير الجهد بخطوات قدرها 1.5 volts لفترات زمنية مدتها أربع ثوانٍ. بعد ذلك، افتح ملف المشروع وقم بتحريره، حيث يستخدم هذا الملف ملف الإجراء للتنقل عبر كل قناة وحفظ النتيجة.

قم بتوصيل الحيوان الخاضع للتجربة بمنصة رأس سلبية (passive head stage) وقم بتنفيذ تسجيلات ملف المشروع من كل قناة. استغرق حوالي 10 ثوانٍ، ثم اجمع بيانات EIS CV والبيانات المسجلة وفسر النتائج وفقاً لسير العمل المعتاد. يتم جمع التسجيلات و EIS إما يومياً أو أسبوعياً عبر جميع القنوات، بينما يمكن استخدام CV وعملية التجديد (rejuvenation).

إذا لم يعد نشاط الارتفاعات الحادة (spiking activity) قابلاً للكشف، فإن قياسات معاوقة الطيف الكهربائي (EIS) تتغير على مدار أيام إلى أسابيع بعد زراعة القطب الكهربائي. تم جمع البيانات الزرقاء مباشرة بعد الزراعة، والبيانات الخضراء بعد أربعة أشهر. عندما تُعرض بيانات EIS في شكل مخطط نايكويست (nyquist plot)، فإن وجود نصف دائرة عند الترددات الأعلى بالقرب من نقطة الأصل يشير إلى استجابة الأنسجة في موقع القطب الكهربائي.

ينتج تحليل فولتاميتريا الحلقة (CV) منحنى للجهد والتيار يظهر بعض التباطؤ. وتعد سعة شحن الشحنة هي الإحصائية الأكثر أهمية في تحليل فولتاميتريا الحلقة، وهي تمثل المساحة داخل منحنى (IV) مقسومة على مساحة موقع القطب الكهربائي. ويفضل استخدام الأقطاب الكهربائية ذات سعة الشحن العالية في عمليات التحفيز الدقيق.

خلال عملية التجديد، يتم تطبيق نبضة جهد كهربائي. يؤدي ذلك عادةً إلى زيادة سعة الشحن وانخفاض مقادير الممانعة، كما يمكن استعادة النبضات في القنوات التي كانت تفتقر إليها سابقاً. وبينما يكون للتجديد تأثيرات قصيرة المدى فقط على الممانعة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء، إلا أنه يمكن تطبيق هذه التقنية يومياً.

في البيانات التي تم جمعها يومياً من خنزير غينيا مزروع به مصفوفة مكونة من 16 قناة، كان لعملية التجديد تأثير قوي في خفض مقدار ممانعة التردد 1 kilohertz بمقدار رتبة عشرية واحدة بعد كل تطبيق. ونتيجة لاستعادة الإشارات وانخفاض الممانعة، زادت نسبة SNR بعد كل جلسة تجديد. وفي نهاية المطاف، فُقدت جميع الإشارات بعد 160 يوماً من الزرع، ولم تعد عملية التجديد فعالة.

بمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن تنفيذها في غضون ساعة واحدة تقريبًا. وأثناء محاولة إجراء هذا البروتوكول، من المهم التأكد من إجراء التوصيلات الصحيحة وأن تشير نتائج مطيافية الممانعة إلى استجابة نسيجية ملحوظة قبل البدء في علاجات الجهد الحيوي.