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 neuronalnej, a także poprawa jakości rejestracji i długoterminowej funkcjonalności. Osiąga się to poprzez codzienne gromadzenie danych z elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej oraz danych z rejestracji neuronalnej. Dane z telemetrii CV (woltamperometrii cyklicznej) 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 przykłada się korygujące napięcie polaryzacyjne o wartości 1,5 V. Po tym następuje dalsza akwizycja danych oraz dodatkowa polaryzacja napięciowa w razie potrzeby. Ostatecznie, zastosowanie tych metod umożliwia uzyskanie niższej impedancji oraz poprawę lub przywrócenie rejestrowanej 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 aktywności neuronalnej od kilkudziesięciu do kilkuset dni po implantacji. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie inżynierii neuronalnej, na przykład w kwestii tego, jak wydłużyć funkcjonalny czas 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. Na meth auto lab. PG stat dostosowany z dodatkami FA two oraz channel mucks. Zbuduj adapter stopnia głowicy, aby połączyć channel mucks ze stopniem głowicy.

Następnie podłącz elektrody robocze i pomiarowe do modułu dodatkowego kanałów. Następnie podłącz elektrody odniesienia i pomocnicze 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 przebiegów sinusoidalnych o wielu częstotliwościach, z których każdy składa się z 15 sinusoid w zakresie od 10 hertz do 30 kilohertz, emitowanych jednocześnie.

Należy również upewnić się, że przyłożone napięcie wynosi 25 millivolts lub mniej. Teraz należy otworzyć i edytować plik projektu. Projekt wykorzystuje plik procedury, który przechodzi w pętli przez każdy kanał i zapisuje wynik.

Połącz zwierzę z pasywną przystawką głowową bez wzmocnienia. Aktywne przystawki głowowe 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 utwórz wykres Nyquista lub Bode'a.

Zależne od częstotliwości przesunięcia fazowe wskazują na odpowiedź tkanki. Uruchom oprogramowanie ogólnego systemu elektrochemicznego. Zweryfikuj, czy ustawienia pliku procedury są skonfigurowane na zmianę napięcia z szybkością 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 pasywnego modułu głowicowego i uruchom plik projektu z prędkością jednego volta 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 jest określana poprzez całkowanie pola prądu cewnika w obrębie CV E. Najważniejszą decyzją w tym protokole jest ustalenie momentu przyłożenia napięcia polaryzującego. Jest to możliwe dzięki cyklicznej telemetrii impedancji oraz zarejestrowanym danym.

Uruchom oprogramowanie ogólnego systemu elektrochemicznego i sprawdź, czy w pliku procedury ustawiono metodę kroków i sweepów. Zastosuj skok napięcia do 1,5 volts na czas czterech sekund. Następnie otwórz i edytuj plik projektu, który wykorzystuje plik procedury do zapętlenia każdego kanału i zapisania wyniku.

Połącz zwierzę z pasywnym modułem głowicowym i przeprowadź nagrania zgodnie z plikiem projektu dla każdego kanału. Odczekaj około 10 sekund, a następnie zbierz dane z EIS, CV oraz nagrania i zinterpretuj wyniki w typowym schemacie analizy. Nagrania i pomiary EIS są zbierane codziennie lub co tydzień we wszystkich kanałach, natomiast CV i procedura regeneracji mogą być stosowane w razie potrzeby.

Jeśli aktywność impulsowa (spiking) nie jest już wykrywalna, EIS zmienia się w ciągu dni lub tygodni po implantacji elektrody. Dane zaznaczone na niebiesko zostały zebrane bezpośrednio po implantacji, a dane na zielono cztery miesiące później. Gdy dane EIS są przedstawione w formie wykresu Nyquista, półokrąg przy wyższych częstotliwościach w pobliżu początku układu współrzędnych wskazuje na odpowiedź tkankową w miejscu implantacji elektrody.

Analiza CV pozwala na uzyskanie krzywej prądowo-napięciowej wykazującej pewną histerezę. Najistotniejszym parametrem statystycznym CV jest pojemność ładunkowa, definiowana jako pole powierzchni wewnątrz krzywej IV znormalizowane przez powierzchnię miejsca elektrody. W mikrostymulacji preferowane są elektrody o dużej pojemności ładunkowej.

Podczas procesu odmładzania przykładany jest impuls napięcia. Zazwyczaj skutkuje to zwiększeniem pojemności ładunkowej oraz zmniejszeniem wartości impedancji; w kanałach, w których wcześniej występowały impulsy (spikes), mogą one zostać przywrócone. Chociaż odmładzanie ma jedynie krótkotrwały wpływ na impedancję i stosunek sygnału do szumu, technikę tę można stosować codziennie.

W danych gromadzonych codziennie od świnki morskiej z wszczepioną macierzą 16 kanałów, regeneracja miała silny wpływ na obniżenie modułu impedancji przy częstotliwości 1 kHz o rząd wielkości po każdym zastosowaniu. W wyniku odzyskania sygnałów i obniżenia impedancji, SNR zwiększał się po każdej sesji regeneracji. Ostatecznie wszystkie sygnały zostały utracone 160 dni po implantacji, a regeneracja przestała być skuteczna.

Po opanowaniu techniki, procedura ta zajmuje około jednej godziny. Podczas jej wykonywania ważne jest upewnienie się, że połączenia zostały wykonane prawidłowo oraz że wyniki spektroskopii impedancyjnej wskazują na znaczną odpowiedź tkanki przed rozpoczęciem zabiegów bioelektrycznych.