Combined in Vivo Amperometric Oximetry and Electrophysiology in a Single Sensor: A Tool for Epilepsy Research

用于癲癇研究的單一傳感器結(jié)合體內(nèi)安培測氧法和電生理學(xué)

來源：Analytical Chemistry, Volume 89, 2017, Pages 12383-12390

《分析化學(xué)》，第89卷，2017年，頁碼12383-12390

 

摘要

摘要說了這篇論文開發(fā)了一種使用陶瓷基鉑微電極陣列的單傳感器方法，能在癲癇發(fā)作期間同時(shí)記錄局部氧分壓和局部場電位相關(guān)電流。該方法通過高頻采樣（100 Hz）的安培測量技術(shù)，在自由活動大鼠的海馬體中監(jiān)測匹羅卡品誘導(dǎo)的癲癇持續(xù)狀態(tài)，觀察到氧分壓的雙相變化（初始下降和后續(xù)高氧期），并通過信號分解同時(shí)獲取化學(xué)和電生理信息，展示了其在癲癇研究中的潛力。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一種單傳感器平臺，能夠同步記錄大腦中的電生理活動（如局部場電位）和化學(xué)變化（如氧分壓），以改進(jìn)癲癇發(fā)作起始區(qū)的識別，并為理解癲癇的神經(jīng)病理機(jī)制提供多模態(tài)數(shù)據(jù)。

 

研究思路

研究思路是先使用陶瓷基鉑微電極陣列，在自由活動大鼠的海馬體等腦區(qū)進(jìn)行慢性植入；然后通過安培測量技術(shù)（工作電位-0.6 V vs. Ag/AgCl）高頻采樣（100 Hz）記錄局部氧分壓；利用快速傅里葉變換將原始信號分解為低頻（<1 Hz，對應(yīng)氧分壓）和高頻成分（1-49 Hz，對應(yīng)局部場電位相關(guān)電流）；最后在匹羅卡品誘導(dǎo)的癲癇持續(xù)狀態(tài)模型中驗(yàn)證同時(shí)記錄能力，并與應(yīng)激范式（如夾尾）對比，確保傳感器的可靠性和多功能性。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測量了不同腦區(qū)的靜息氧分壓水平，包括海馬齒狀回、CA1區(qū)、紋狀體和皮層，來自圖1。研究意義是建立基線氧水平，顯示齒狀回氧分壓最低（6.6±0.7μM），表明區(qū)域代謝差異，為癲癇相關(guān)氧變化提供比較基準(zhǔn)。

 

2 測量了夾尾應(yīng)激范式引起的海馬體氧分壓變化，顯示增加15±4% from baseline，來自圖2。研究意義是驗(yàn)證傳感器在活體中的響應(yīng)能力，確認(rèn)神經(jīng)血管耦合機(jī)制，即神經(jīng)元活動增加導(dǎo)致血流和氧分壓升高。

 

3 測量了癲癇持續(xù)狀態(tài)期間氧分壓的雙相變化，包括初始下陷（癲癇性下降，-4.5±0.7μM）和后續(xù)高氧期（+10.4±2.9μM），來自圖3A和表2。研究意義是揭示癲癇發(fā)作的代謝動態(tài)，初始下降反映代謝需求激增，高氧期反映代償性血流增加，支持癲癇性下降的預(yù)測價(jià)值。

4 測量了高頻成分（局部場電位相關(guān)電流）的功率譜變化，來自圖3B和3C。研究意義是通過信號分解證明單傳感器能同時(shí)捕獲電生理活動（如癲癇發(fā)作的節(jié)律放電），為多模態(tài)監(jiān)測提供基礎(chǔ)，減少對獨(dú)立設(shè)備的需求。

 

 

5 測量了四通道鉑電極的信號一致性，顯示低頻氧信號高度一致，高頻電信號趨勢相似。研究意義是確認(rèn)傳感器冗余性可靠，支持其在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性。

 

結(jié)論

得出了結(jié)論是鉑微電極陣列通過高頻安培測量能同時(shí)記錄氧分壓和電生理信號，在癲癇模型中成功捕獲雙相氧變化和癲癇放電，為癲癇研究提供了高效的多模態(tài)工具，有望應(yīng)用于臨床植入式設(shè)備以改進(jìn)發(fā)作區(qū)定位和預(yù)測。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量出來的數(shù)據(jù)的研究意義在于作為關(guān)鍵對比基準(zhǔn)，驗(yàn)證本研究中間接提到的氧測量方法的可靠性。在論文中，Unisense電極的測量數(shù)據(jù)被引用在表1中，作為文獻(xiàn)報(bào)告的腦氧分壓值的參考標(biāo)準(zhǔn)（例如，通過Clark型微電極或EPR測氧法）。這些數(shù)據(jù)幫助確認(rèn)本研究中鉑微電極陣列所測靜息氧分壓（如圖1所示）的準(zhǔn)確性，例如皮層22.1±4.9μM與文獻(xiàn)值一致。這種意義在于，Unisense電極作為廣泛認(rèn)可的氧測量工具，其數(shù)據(jù)提供了外部驗(yàn)證，確保本研究的傳感器在活體環(huán)境中的性能可信。此外，Unisense電極在癲癇研究中的既往應(yīng)用（如表2引用）支持了癲癇性下降現(xiàn)象的普遍性，間接強(qiáng)化了本研究發(fā)現(xiàn)的雙相氧變化的有效性。因此，Unisense電極的數(shù)據(jù)不僅增強(qiáng)了本研究的科學(xué)性，還突出了新方法的優(yōu)勢，即單傳感器實(shí)現(xiàn)多模態(tài)監(jiān)測，超越傳統(tǒng)單一功能設(shè)備的局限。