ニューラルインタフェースの電圧バイアス、サイクリックボルタンメトリー、＆電気インピーダンス分光法

この手順の全体的な目的は、埋込型神経記録プロステティックシステムの電極組織界面の品質をモニタリングし、記録品質と長期的な機能性を向上させることです。これは、まず、日次の電気化学インピーダンス分光法（EIS）および神経記録データを収集することによって達成されます。神経活動が見られず、高インピーダンスを示す電極組織界面の詳細な品質を把握するために、サイクリックボルタンメトリー（CV）テレメトリーまたはCVデータが収集されます。

次に、補正として1.5 voltの電圧バイアスを4秒間印加します。その後、継続的にデータを収集し、必要に応じてさらに電圧バイアスを印加します。最終的に、これらの手法を用いることで、インピーダンスの低下および記録された神経活動の改善や回復が可能となります。

薬物送達や表面修飾などの既存の手法と比較して、本手法の主な利点は、電圧バイアスを印加することで、植え込みから数十日から数百日経過した後でも、神経記録用義肢システムの機能性と性能を向上させる強力な効果が得られることです。この手法は、植え込み型電極システムの機能的寿命をどのように向上させるかという、神経工学分野における重要な問いへの答えを導き出すのに役立ちます。本手法の意義は、多種多様な神経学的欠損の治療や診断にまで及びます。

これらの欠損の有病率と治療選択肢が増加しているため、これは重要です。FA 2およびchannel mucksのアドオンを適応させたmeth auto lab. PG statを使用します。channel mucksをヘッドステージに接続するためのヘッドステージアダプターを構築します。

次に、作用電極とセンシング電極をチャンネルマルチクス・アドオンに接続します。その後、動物被験体に装着された参照電極と対極を、電流リターンパスに接続されているヘッドステージアダプタの該当部分に接続します。周波数応答解析ソフトを起動し、10 hertzから30 kilohertzの範囲で、それぞれ15個のサイン波で構成される2つのマルチサイン波形を同時にテストするようにプロシージャファイルが設定されていることを確認してください。

また、印加電圧が 25 millivolts 以下であることを確認してください。次に、プロジェクトファイルを開いて編集します。このプロジェクトでは、各チャンネルをループして結果を保存するプロシージャファイルを使用します。

増幅機能のないパッシブヘッドステージを用いて動物被験者を接続します。アクティブヘッドステージでは入力信号が通りません。設定に応じてプロジェクトファイルを実行してください。

各チャネルの記録には10秒から数分かかります。次に、結果を表示して解析します。出力テキストファイルをMATLABで読み込み、ナイキスト線図またはボード線図を作成してください。

位相の周波数依存的なシフトは、組織反応を示しています。汎用電気化学システムのソフトウェアを起動してください。手順ファイルの設定が、電圧を 50 millivolts per second でスイープするように設定されており、かつ加水分解の限界範囲内にあることを確認してください。

システムが平衡状態に達するように少なくとも3回のスキャンを行い、最後のスキャンの結果を保存します。測定時間を短縮するために、スキャン速度を1 V/sまで上げることができます。ただし、スキャン速度が電極と組織の界面で起こる電荷移動反応よりも速い場合、IV曲線の形状が変化する可能性があります。

次に、プロジェクトファイルを開いて編集します。このプロジェクトでは、各チャンネルをループして結果を保存するプロシージャファイルを使用します。被験動物をパッシブヘッドステージに接続し、1 V/sでプロジェクトファイルを実行してください。

走査速度を50 millivolts per secondに設定し、1チャンネルあたり10秒間で収集を行います。1チャンネルにつき約3分かかります。最後に、結果を表示し、解析します。

MATLABを用いて出力テキストファイルを読み込み、IV特性をプロットします。電荷保持容量は、CV曲線内のカテーテル電流の面積を積分することで定量化されます。本プロトコルにおいて最も重要な決定事項は、電圧バイアスを印加するタイミングの決定です。これは、インピーダンスのサイクルテレメトリおよび記録データに基づいて判断されます。

汎用電気化学システムソフトウェアを起動し、プロシージャファイルが「ステップおよびスイープ（steps and sweeps）」法を使用するように設定されていることを確認します。電圧を 1.5 volts に設定し、4 seconds ずつステップさせます。次に、各チャンネルをループして結果を保存するためにプロシージャファイルを使用するプロジェクトファイルを開き、編集します。

動物被験者をパッシブヘッドステージに接続し、各チャネルからプロジェクトファイルの記録を実行します。約10秒間待機した後、EIS、CV、および記録データを収集し、標準的なワークフローに従って結果を解釈します。記録とEISは全チャネルで毎日または毎週収集し、CVとリジュベネーション（若返り処理）を適宜使用します。

スパイク活動が検出されなくなった場合、電極の植え込み後、数日から数週間の経過とともにEISが変化します。青色のデータは植え込み直後に収集したものであり、緑色のデータは4ヶ月後に収集したものです。EISデータをナイキストプロットとして表示すると、原点付近の高周波領域における半円は、電極部位における組織反応を示しています。

CV分析により、ある程度のヒステリシスを示す電流-電圧曲線が得られます。CVにおいて最も重要な統計量は電荷担持容量であり、これはIV曲線の内部面積を電極部位の面積で正規化したものです。マイクロ刺激には、電荷容量が大きい電極が好まれます。

リジュベネーション（若返り処理）では、電圧パルスが印加されます。これにより、通常は電荷容量が増加し、インピーダンスの絶対値が減少します。また、以前にスパイクが消失していたチャネルにおいて、スパイクが回復する場合もあります。リジュベネーションによるインピーダンスおよび信号対雑音比（SNR）への効果は短期的ですが、この手法を毎日適用することが可能です。

16チャンネルアレイを移植したモルモットから毎日収集したデータにおいて、リジュベネーション（再活性化）は、適用後、1 kHzのインピーダンス大きさを1桁分低下させる強力な効果を示しました。信号の回復とインピーダンスの低下により、リジュベネーションセッションごとにSNRが向上しました。最終的に、移植から160日後にすべての信号が消失し、リジュベネーションは有効ではなくなりました。

この技術に習熟すれば、約1時間で完了できます。本手順を実施する際は、接続が適切になされていること、および電圧バイオ処理を行う前にインピーダンス分光法の結果で十分な組織反応が示されていることを確認することが重要です。