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

本手順の総合的な目的は、植込み型神経記録プロステティクスシステムの電極・組織界面の品質をモニタリングし、記録品質および長期的な機能性を向上させることです。これは、まず日次で電気化学インピーダンス分光法によるデータおよび神経記録データを収集することで達成されます。さらに、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データを収集します。

次に、補正用の1.5 voltの電圧バイアスを4秒間印加します。その後、必要に応じてデータの収集を継続し、追加の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または回復が可能になります。

この手法の、薬物送達や表面修飾などの既存の方法に対する主な利点は、電圧バイアスをかけることで、植込みから数十日から数百日経過した後でも、神経記録プロテーゼ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点にあります。この手法は、植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った、神経工学分野における重要な課題の解決に寄与します。本手法の応用により、多くの神経学的欠損の治療や診断への展開が期待されます。

これらの欠損の有病率および治療法の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 Muxsアドオンを適応させたPG stat付きのmeth auto labで実施します。Channel Muxs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作製します。

次に、作用電極とセンシング電極をチャンネルマルチプレクサのアドオンに接続します。その後、動物被験者に装着し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ーの部位に接続してください。周波数応答解析ソフトを起動し、プロシージャファイルが、10 Hzから30 kHz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設定されていることを確認します。

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体を接続してください。アクティブヘッドステージでは入力信号が通過しません。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。

各チャネルからの記録には、10秒から数分かかります。次に、結果を表示して解釈します。MATLABで出力テキストファイルを読み込み、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ソフトウェアを起動してください。プロシージャファイルの設定が、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で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まで、少なくとも3回のスキャンを行い、最終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き、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。動物被験者をパッシブヘッドステージで接続し、1 V/sでプロジェクトファイルを実行します。

走査速度 50 millivolts per second で使用した場合、1チャンネルあたりの収集時間は10秒です。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関係をプロットします。電荷保持容量は、CV E内におけるカテーテル電流の面積を積分することで定量化します。このプロトコルにおいて最も重要な判断は、いつ電圧バイアスを印加するかを決定することです。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よって可能になります。

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 Vに設定し、4秒間ずつステップさせます。次に、プロシージャファイルを用いて各チャネルをループ処理し、結果を保存するプロジェクトファイルを開き、編集します。

動物被験体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秒間時間を置き、EIS、CV、および記録データを収集して、標準的なワークフローに従って結果を解析します。記録とEISは、すべてのチャネルで毎日または毎週収集し、CVと若返り（rejuvenation）を適宜使用してください。

スパイク活動が検出できなくなった場合、電極の植込み後、数日から数週間にわたってEISが変化します。青色のデータは植込み直後に、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、原点に近い高周波数域における半円は、電極部位での組織反応を示しています。

CV解析では、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における最も重要な統計量は電荷注入容量であり、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。

若返り（リジュベネーション）の過程で、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、インピーダンス絶対値が減少します。また、以前にスパイクが検出され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。若返りがインピーダンスや信号対雑音比（S/N比）に及ぼす影響は短期的ですが、この手法は毎日適用することが可能です。

16チャンネルアレイを植え込んだ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（電極再生）を適用するたびに、1 kHzのインピーダンス大きさが1桁分大幅に低下するという顕著な効果が認められました。信号の回復とインピーダンスの低下に伴い、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、植込みから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。

この手法を習得すれば、約1時間で完了させることができます。この手順を行う際は、適切な接続がなされていることを確認し、電圧バイオ処理の前にインピーダンス分光法の結果で有意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。