एकल-इकाई रिकॉर्डिंग

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तंत्रिका विज्ञान में, एकल-इकाई रिकॉर्डिंग (भी, एकल-न्यूरॉन रिकॉर्डिंग) माइक्रोइलेक्ट्रोड सिस्टम का उपयोग करके एक न्यूरॉन के इलेक्ट्रो-फिजियोलॉजिकल प्रतिक्रियाओं को मापने की विधि प्रदान करती है। जब एक न्यूरॉन संभावित कार्रवाई उत्पन्न करता है, तो सिग्नल न्यूरॉन के नीचे धारा के रूप में फैलता है जो पेरिकेरियन और अक्षतंतु में उत्तेजनीय झिल्ली क्षेत्रों के माध्यम से कोशिका के अंदर और बाहर प्रवाहित होता है। माइक्रोइलेक्ट्रोड को मस्तिष्क में डाला जाता है, जहां यह समय के साथ वोल्टेज में बदलाव की दर को रिकॉर्ड कर सकता है। ये माइक्रोइलेक्ट्रोड ठीक-टिप वाले, उच्च-प्रतिबाधा वाले कंडक्टर होने चाहिए; [1] वे मुख्य रूप से ग्लास माइक्रो-पिपेट, प्लेटिनम, टंगस्टन, इरिडियम या यहां तक ​​कि इरिडियम ऑक्साइड से बने धातु माइक्रोइलेक्ट्रोड हैं। [2] [3] [4] माइक्रोइलेक्ट्रोड को सावधानीपूर्वक कोशिका झिल्ली के करीब रखा जा सकता है, जिससे बाह्य रूप से रिकॉर्ड करने की क्षमता मिलती है।

एकल-इकाई रिकॉर्डिंग का व्यापक रूप से संज्ञानात्मक विज्ञान में उपयोग किया जाता है, जहां यह मानव अनुभूति और कॉर्टिकल नक्शा के विश्लेषण की अनुमति देता है। इसके बाद यह जानकारी ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस | ब्रेन-मशीन इंटरफेस (बीएमआई) प्रौद्योगिकियों पर बाहरी उपकरणों के मस्तिष्क नियंत्रण के लिए प्रयुक्त की जा सकती है।[5]


सिंहावलोकन

मस्तिष्क गतिविधि को रिकॉर्ड करने के लिए कई विधि उपलब्ध हैं- जिनमें इलेक्ट्रोएन्सेफलोग्राफी (ईईजी), मैग्नेटोएन्सेफलोग्राफी (एमईजी), और कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एफएमआरआई) सम्मिलित हैं-किन्तु ये एकल-न्यूरॉन रिज़ॉल्यूशन की अनुमति नहीं देते हैं। [6] मस्तिष्क में न्यूरॉन्स बुनियादी कार्यात्मक इकाइयां हैं; वे क्रिया क्षमता नामक विद्युत संकेतों का उपयोग करके शरीर के माध्यम से सूचना प्रसारित करते हैं। वर्तमान में, एकल-इकाई रिकॉर्डिंग एकल न्यूरॉन से सबसे त्रुटिहीन रिकॉर्डिंग प्रदान करती है। एकल इकाई को एक एकल, फायरिंग न्यूरॉन के रूप में परिभाषित किया गया है जिसकी स्पाइक क्षमता रिकॉर्डिंग माइक्रोइलेक्ट्रोड द्वारा स्पष्ट रूप से पृथक की जाती है। [3]

न्यूरॉन्स से संकेतों को रिकॉर्ड करने की क्षमता न्यूरॉन के माध्यम से विद्युत प्रवाह के आसपास केंद्रित होती है। एक क्रिया क्षमता के रूप में सेल के माध्यम से फैलता है, मेम्ब्रेन संभावित क्षेत्रों में सोमा और अक्षतंतु में विद्युत प्रवाह प्रवाहित होता है। यह करंट सेल के भीतर (और बाहर) मापने योग्य, बदलती वोल्टेज क्षमता बनाता है। यह दो बुनियादी प्रकार की एकल-इकाई रिकॉर्डिंग की अनुमति देता है। इंट्रासेल्युलर एकल-इकाई रिकॉर्डिंग न्यूरॉन के भीतर होती है और एक्शन पोटेंशिअल के समय झिल्ली के पार वोल्टेज परिवर्तन (समय के संबंध में) को मापती है। यह सोमा (या अक्षतंतु) के माध्यम से मेम्ब्रेन विराम विभव, पोस्टसिनेप्टिक पोटेंशिअल और स्पाइक्स के बारे में जानकारी के साथ ट्रेस के रूप में आउटपुट करता है। वैकल्पिक रूप से, जब माइक्रोइलेक्ट्रोड सेल की सतह के करीब होता है, तो बाह्य रिकॉर्डिंग सेल के बाहर वोल्टेज परिवर्तन (समय के संबंध में) को मापता है, केवल स्पाइक जानकारी देता है। [7] एकल-इकाई रिकॉर्डिंग के लिए विभिन्न प्रकार के माइक्रोइलेक्ट्रोड का उपयोग किया जा सकता है; वे सामान्यतः उच्च-प्रतिबाधा, ठीक-ठाक और प्रवाहकीय होते हैं। फाइन टिप्स सेल को व्यापक क्षति के बिना आसानी से प्रवेश करने की अनुमति देते हैं, किन्तु वे उच्च प्रतिबाधा के साथ भी सहसंबद्ध होते हैं। इसके अतिरिक्त, विद्युत और/या आयनिक चालकता दोनों गैर-ध्रुवीय और ध्रुवीकरण योग्य इलेक्ट्रोड से रिकॉर्डिंग की अनुमति देती है। <रेफरी नाम = गेस्टलैंड 1959 1856-1862 >गेस्टलैंड, आर. सी.; हौलेंड, बी. (1959). "माइक्रोइलेक्ट्रोड पर टिप्पणियाँ". आईआरई की कार्यवाही. 47 (11): 1856–1862. doi:10.1109/jrproc.1959.287156. S2CID 51641398.</ref> इलेक्ट्रोड के दो प्राथमिक वर्ग ग्लास माइक्रोपिपेट और मेटल इलेक्ट्रोड हैं। इलेक्ट्रोलाइट से भरे ग्लास माइक्रोपिपेट मुख्य रूप से इंट्रासेल्युलर एकल-इकाई रिकॉर्डिंग के लिए उपयोग किए जाते हैं; धातु इलेक्ट्रोड (सामान्यतः स्टेनलेस स्टील, प्लेटिनम, टंगस्टन या इरिडियम से बने होते हैं) और दोनों प्रकार की रिकॉर्डिंग के लिए उपयोग किए जाते हैं।[3]

एकल-इकाई रिकॉर्डिंग ने मस्तिष्क का पता लगाने और इस ज्ञान को वर्तमान विधि पर प्रयुक्त करने के लिए उपकरण प्रदान किए हैं। संज्ञानात्मक वैज्ञानिकों ने व्यवहार और कार्यों का अध्ययन करने के लिए जानवरों और मनुष्यों के दिमाग में एकल-इकाई रिकॉर्डिंग का उपयोग किया है। मिर्गी रोगियों के मस्तिष्क में मिर्गी के घावों की स्थिति निर्धारित करने के लिए इलेक्ट्रोड भी डाले जा सकते हैं। [6] हाल ही में, ब्रेन मशीन इंटरफेस (बीएमआई) में एकल-इकाई रिकॉर्डिंग का उपयोग किया गया है। बीएमआई मस्तिष्क संकेतों को रिकॉर्ड करते हैं और इच्छित प्रतिक्रिया को डीकोड करते हैं, जो तब बाहरी डिवाइस (जैसे कंप्यूटर कर्सर या कृत्रिम अंग) के आंदोलन को नियंत्रित करता है। [5]


इतिहास

एकल इकाइयों से रिकॉर्ड करने की क्षमता इस खोज से प्रारंभ हुई कि तंत्रिका तंत्र में विद्युत गुण होते हैं। तब से, तंत्रिका तंत्र के तंत्र और कार्यों को समझने के लिए एकल इकाई रिकॉर्डिंग महत्वपूर्ण विधि बन गया है। इन वर्षों में, एकल इकाई रिकॉर्डिंग ने प्रांतस्था के स्थलाकृतिक मानचित्रण पर अंतर्दृष्टि प्रदान करना जारी रखा। माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणियों के अंतिम विकास ने एक समय में कई इकाइयों से रिकॉर्डिंग की अनुमति दी।

  • 1790 का दशक: तंत्रिका तंत्र में विद्युत गतिविधि का पहला प्रमाण 1790 के दशक में लुइगी गलवानी द्वारा विच्छेदित मेंढकों पर अपने अध्ययन के साथ देखा गया था। उन्होंने पता लगाया कि आप मृत मेंढक के पैर को चिंगारी से मरोड़ने के लिए प्रेरित कर सकते हैं। [8]
  • 1888: सैंटियागो रेमन वाई काजल, स्पेनिश न्यूरोसाइंटिस्ट, ने तंत्रिका तंत्र की संरचना और बुनियादी कार्यात्मक इकाइयों-न्यूरॉन्स की उपस्थिति का वर्णन करते हुए अपने न्यूरॉन सिद्धांत के साथ तंत्रिका विज्ञान में क्रांति ला दी। उन्होंने 1906 में इस काम के लिए फिजियोलॉजी या मेडिसिन में नोबेल पुरस्कार जीता।[9]
  • 1928: एडगर एड्रियन ने अपने 1928 के प्रकाशन द बेसिस ऑफ सेंसेशन में तंत्रिका तंत्र से रिकॉर्ड करने में सक्षम होने के प्रारंभिक खातों में से था। इसमें, वह लिपमैन इलेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके एकल तंत्रिका तंतुओं में विद्युत निर्वहन की अपनी रिकॉर्डिंग का वर्णन करता है। उन्होंने न्यूरॉन्स के कार्य को प्रकट करने वाले अपने काम के लिए 1932 में नोबेल पुरस्कार जीता। [10]
  • 1940: रेनशॉ, फोर्ब्स और मॉरिसन ने बिल्लियों में ग्लास माइक्रोइलेक्ट्रोड का उपयोग करके समुद्री घोड़ा में पिरामिड कोशिकाओं के डिस्चार्ज को रिकॉर्ड करते हुए मूल अध्ययन किया। [11]
  • 1950: वोल्ड्रिंग और डर्कन ने प्लेटिनम तारों के साथ सेरेब्रल कॉर्टेक्स की सतह से स्पाइक गतिविधि प्राप्त करने की क्षमता की रिपोर्ट दी। [12]
  • 1952: ली और जैस्पर ने बिल्ली के सेरेब्रल कॉर्टेक्स में विद्युत गतिविधि का अध्ययन करने के लिए रेनशॉ, फोर्ब्स और मॉरिसन पद्धति को प्रयुक्त किया। [13] हॉजकिन-हक्सले मॉडल सामने आया, जहां उन्होंने ऐक्शन पोटेंशिअल के त्रुटिहीन तंत्र को निर्धारित करने के लिए विद्रूप विशाल अक्षतंतु का उपयोग किया। [14]
  • 1953: रिकॉर्डिंग के लिए इरिडियम माइक्रोइलेक्ट्रोड विकसित किए गए। [15]
  • 1957: जॉन कैरव एक्लस ने मोटोन्यूरॉन्स में सिनैप्टिक तंत्र का अध्ययन करने के लिए इंट्रासेल्युलर एकल-इकाई रिकॉर्डिंग का उपयोग किया (जिसके लिए उन्होंने 1963 में नोबेल पुरस्कार जीता)।
  • 1958: रिकॉर्डिंग के लिए स्टेनलेस स्टील माइक्रोइलेक्ट्रोड विकसित किए गए। [16]
  • 1959: डेविड एच. हबेल और टॉर्स्टन वीज़ल द्वारा अध्ययन। उन्होंने टंगस्टन इलेक्ट्रोड का उपयोग करके असंबद्ध, अनियंत्रित बिल्लियों में दृश्य प्रांतस्था को मैप करने के लिए एकल न्यूरॉन रिकॉर्डिंग का उपयोग किया। दृश्य प्रणाली में सूचना प्रसंस्करण के लिए इस काम ने उन्हें 1981 में नोबेल पुरस्कार जीता।
  • 1960: रिकॉर्डिंग के लिए ग्लास-इन्सुलेटेड प्लेटिनम माइक्रोइलेक्ट्रोड विकसित किए गए। [17]
  • 1967: रिकॉर्डिंग के लिए मल्टी-इलेक्ट्रोड ऐरे का पहला रिकॉर्ड मार्ग और एडम्स द्वारा प्रकाशित किया गया था। उन्होंने डायग्नोस्टिक और चिकित्सीय मस्तिष्क सर्जरी के लिए रोगी में एक ही समय में कई इकाइयों को रिकॉर्ड करने के लिए इस पद्धति को प्रयुक्त किया। [18]
  • 1978: श्मिट एट अल। बंदरों के कॉर्टेक्स में क्रॉनिक रिकॉर्डिंग माइक्रो-कॉर्टिकल इलेक्ट्रोड प्रत्यारोपित किए और दिखाया कि वे उन्हें न्यूरोनल फायरिंग दरों को नियंत्रित करना सिखा सकते हैं, न्यूरोनल सिग्नल रिकॉर्ड करने और बीएमआई के लिए उनका उपयोग करने की संभावना के लिए महत्वपूर्ण कदम। [19]
  • 1981: क्रुगर और बाख ने 5x6 विन्यास में 30 अलग-अलग माइक्रोइलेक्ट्रोड को इकट्ठा किया और कई इकाइयों की एक साथ रिकॉर्डिंग के लिए इलेक्ट्रोड को प्रत्यारोपित किया। [20]
  • 1992: यूटा इंट्राकॉर्टिकल इलेक्ट्रोड ऐरे (यूआईईए) का विकास, मल्टीइलेक्ट्रोड सरणी|मल्टीपल-इलेक्ट्रोड ऐरे जो न्यूरोफिज़ियोलॉजिकल या न्यूरोप्रोस्थेटिक अनुप्रयोगों के लिए सेरेब्रल कॉर्टेक्स की स्तंभ संरचना तक पहुंच सकता है। [21] [22]
  • 1994: मिशिगन सरणी, सिलिकॉन प्लानर इलेक्ट्रोड जिसमें कई रिकॉर्डिंग साइट हैं, को विकसित किया गया था। न्यूरो नेक्सस, निजी न्यूरो टेक्नोलॉजी कंपनी, इस विधि के आधार पर बनाई गई है। [23]
  • 1998: न्यूरोट्रॉफिक इलेक्ट्रोड के विकास के साथ कैनेडी और बाके द्वारा बीएमआई के लिए महत्वपूर्ण सफलता प्राप्त की गई। भेंटीशोषी पार्श्व काठिन्य (एएलएस) वाले रोगियों में, न्यूरोलॉजिकल स्थिति जो स्वैच्छिक आंदोलन को नियंत्रित करने की क्षमता को प्रभावित करती है, वे कंप्यूटर कर्सर को नियंत्रित करने के लिए माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणियों का उपयोग करके सफलतापूर्वक रिकॉर्ड करने में सक्षम थे। [24]
  • 2016: एलोन मस्क ने न्यूरालिंक के लिए $100 मिलियन की सह-स्थापना और निवेश किया, जिसका उद्देश्य अल्ट्रा-हाई बैंडविड्थ बीएमआई विकसित करना है। 2019 में, उन्होंने और न्यूरालिंक ने लाइव-स्ट्रीम प्रेस कॉन्फ्रेंस के बाद अपना काम प्रकाशित किया। [25]


इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी

एकल-इकाई रिकॉर्डिंग का आधार न्यूरॉन्स से विद्युत संकेतों को रिकॉर्ड करने की क्षमता पर निर्भर करता है।

तंत्रिका क्षमता और इलेक्ट्रोड

जब माइक्रोइलेक्ट्रोड को जलीय आयनिक घोल में डाला जाता है, तो इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस बनाने वाले इलेक्ट्रोड के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए धनायनों और आयनों की प्रवृत्ति होती है। इस परत के बनने को हेल्महोल्ट्ज़ परत कहा गया है। इलेक्ट्रोड में चार्ज वितरण होता है, जो क्षमता बनाता है जिसे संदर्भ इलेक्ट्रोड के विरुद्ध मापा जा सकता है। [3] न्यूरॉनल संभावित रिकॉर्डिंग की विधि प्रयुक्त इलेक्ट्रोड के प्रकार पर निर्भर है। गैर-ध्रुवीकरणीय इलेक्ट्रोड प्रतिवर्ती होते हैं (घोल में आयन चार्ज और डिस्चार्ज होते हैं)। यह इलेक्ट्रोड के माध्यम से बहने वाली धारा बनाता है, जिससे इलेक्ट्रोड के माध्यम से समय के संबंध में वोल्टेज माप की अनुमति मिलती है। सामान्यतः, गैर-ध्रुवीय इलेक्ट्रोड आयनिक समाधान या धातु से भरे ग्लास माइक्रोपिपेट होते हैं। वैकल्पिक रूप से, आदर्श ध्रुवीकृत इलेक्ट्रोड में आयनों का परिवर्तन नहीं होता है; ये सामान्यतः धातु इलेक्ट्रोड होते हैं। <रेफरी नाम = गेस्टलैंड 1959 1856-1862 /> इसके अतिरिक्त, धातु की सतह पर आयन और इलेक्ट्रॉन समाधान की क्षमता के संबंध में ध्रुवीकृत हो जाते हैं। चार्ज इलेक्ट्रिक डबल लेयर बनाने के लिए इंटरफ़ेस पर उन्मुख होते हैं; धातु तब संधारित्र की तरह कार्य करती है। समय के संबंध में समाई में परिवर्तन को ब्रिज सर्किट का उपयोग करके मापा और वोल्टेज में परिवर्तित किया जा सकता है। [26] इस विधि का उपयोग करते हुए, जब न्यूरॉन्स ऐक्शन पोटेंशिअल को सक्रिय करते हैं तो वे संभावित क्षेत्रों में परिवर्तन उत्पन्न करते हैं जिन्हें माइक्रोइलेक्ट्रोड का उपयोग करके रिकॉर्ड किया जा सकता है। कृंतक मॉडल के कॉर्टिकल क्षेत्रों से एकल इकाई रिकॉर्डिंग को उस गहराई पर निर्भर दिखाया गया है जिस पर माइक्रोइलेक्ट्रोड साइटें स्थित थीं। [27]

इंट्रासेल्युलर रूप से, इलेक्ट्रोड सीधे कार्रवाई की फायरिंग, आराम और पोस्टसिनेप्टिक क्षमता को रिकॉर्ड करते हैं। जब न्यूरॉन में आग लगती है, तो न्यूरॉन के अक्षतंतु और सेल बॉडी में उत्तेजनीय क्षेत्रों के माध्यम से करंट प्रवाहित होता है। यह न्यूरॉन के आसपास संभावित क्षेत्र बनाता है। न्यूरॉन के पास एक इलेक्ट्रोड एक नोकदार चीज़ बनाने, जो बाह्य संभावित क्षेत्रों का पता लगा सकता है। [3]


प्रायोगिक सेटअप

एकल इकाइयों को रिकॉर्ड करने के लिए आवश्यक बुनियादी उपकरण माइक्रोइलेक्ट्रोड, एम्पलीफायर, सूक्ष्म जोड़तोड़ और रिकॉर्डिंग डिवाइस हैं। उपयोग किए गए माइक्रोइलेक्ट्रोड के प्रकार माइक्रोइलेक्ट्रोड के अनुप्रयोग पर निर्भर करेगा। इन इलेक्ट्रोड का उच्च प्रतिरोध सिग्नल प्रवर्धन के समय समस्या उत्पन्न करता है। यदि यह कम इनपुट प्रतिरोध वाले पारंपरिक एम्पलीफायर से जुड़ा होता है, तो माइक्रोइलेक्ट्रोड में बड़ी संभावित गिरावट होगी और एम्पलीफायर केवल वास्तविक क्षमता के छोटे से हिस्से को मापेगा। इस समस्या को हल करने के लिए, कैथोड अनुयायी एम्पलीफायर को वोल्टेज एकत्र करने और इसे पारंपरिक एम्पलीफायर को खिलाने के लिए प्रतिबाधा मिलान डिवाइस के रूप में उपयोग किया जाना चाहिए। न्यूरॉन से रिकॉर्ड करने के लिए, मस्तिष्क में इलेक्ट्रोड को त्रुटिहीन रूप से सम्मिलित करने के लिए माइक्रोमैनिपुलेटर्स का उपयोग किया जाना चाहिए। यह इंट्रासेल्युलर एकल-इकाई रिकॉर्डिंग के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

अंत में, संकेतों को रिकॉर्डिंग डिवाइस में निर्यात किया जाना चाहिए। प्रवर्धन के बाद, संकेतों को विभिन्न विधि से फ़िल्टर किया जाता है। उन्हें आस्टसीलस्कप और कैमरे द्वारा रिकॉर्ड किया जा सकता है, किन्तु अधिक आधुनिक विधि एनॉलॉग से डिजिटल परिवर्तित करने वाला उपकरण और आउटपुट को सहेजे जाने वाले कंप्यूटर में परिवर्तित करती हैं। कंप्यूटर डेटा प्रोसेसिंग | डेटा-प्रोसेसिंग विधि एकल इकाइयों के पृथक्करण और विश्लेषण की अनुमति दे सकती हैं।[7]


माइक्रोइलेक्ट्रोड के प्रकार

एकल-इकाई रिकॉर्डिंग के लिए दो मुख्य प्रकार के माइक्रोइलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है: ग्लास माइक्रोपिपेट और मेटल इलेक्ट्रोड। दोनों उच्च-प्रतिबाधा इलेक्ट्रोड हैं, किन्तु ग्लास माइक्रोपिपेट अत्यधिक प्रतिरोधी हैं और धातु इलेक्ट्रोड में आवृत्ति-निर्भर प्रतिबाधा है। ग्लास माइक्रोपिपेट आराम करने के लिए आदर्श होते हैं- और क्रिया-संभावित माप, जबकि धातु इलेक्ट्रोड बाह्य कोशिकीय स्पाइक माप के लिए सबसे अच्छा उपयोग किया जाता है। प्रत्येक प्रकार के अलग-अलग गुण और सीमाएँ होती हैं, जो विशिष्ट अनुप्रयोगों में लाभकारी हो सकती हैं।

ग्लास माइक्रोपिपेट्स

ग्लास माइक्रोपिपेट उन्हें प्रवाहकीय बनाने के लिए आयनिक घोल से भरे होते हैं; सिल्वर क्लोराइड इलेक्ट्रोड|सिल्वर-सिल्वर क्लोराइड (एजी-एजीसीेएल ) इलेक्ट्रोड को विद्युत टर्मिनल के रूप में भरने वाले घोल में डुबोया जाता है। आदर्श रूप से, आयनिक समाधानों में इलेक्ट्रोड के चारों ओर आयनिक प्रजातियों के समान आयन होने चाहिए; इलेक्ट्रोड और आसपास के तरल पदार्थ के अंदर एकाग्रता समान होनी चाहिए। इसके अतिरिक्त, इलेक्ट्रोड के भीतर विभिन्न आयनों की आणविक प्रसार विशेषताएँ समान होनी चाहिए। आयन भी प्रयोग की जरूरतों के लिए पर्याप्त वर्तमान वहन क्षमता प्रदान करने में सक्षम होना चाहिए। और महत्वपूर्ण रूप से, यह उस सेल में जैविक परिवर्तन का कारण नहीं होना चाहिए जिससे यह रिकॉर्डिंग कर रहा है। एजी-एजीसीेएल इलेक्ट्रोड मुख्य रूप से पोटेशियम क्लोराइड (केसीेएल ) समाधान के साथ प्रयोग किया जाता है। एजी-एजीसीएल इलेक्ट्रोड के साथ, आयन इसके साथ प्रतिक्रिया करते हैं जिससे समय के संबंध में वोल्टेज परिवर्तन बनाते हुए, इंटरफ़ेस पर विद्युत ग्रेडियेंट का उत्पादन किया जा सके। विद्युत रूप से, ग्लास माइक्रोइलेक्ट्रोड युक्तियों में उच्च प्रतिरोध और उच्च समाई होती है। उनके पास लगभग 10-50 एमΩ के प्रतिरोध के साथ लगभग 0.5-1.5 माइक्रोमीटर का टिप आकार होता है। छोटी युक्तियां इंट्रासेल्युलर रिकॉर्डिंग के लिए न्यूनतम क्षति के साथ कोशिका झिल्ली में प्रवेश करना आसान बनाती हैं। माइक्रोपिपेट आराम करने वाली झिल्ली क्षमता के मापन के लिए आदर्श हैं और कुछ समायोजन के साथ कार्रवाई क्षमता रिकॉर्ड कर सकते हैं। ग्लास माइक्रोपिपेट्स का उपयोग करते समय विचार करने के लिए कुछ मुद्दे हैं। ग्लास माइक्रोपिपेट्स में उच्च प्रतिरोध को ऑफसेट करने के लिए, कैथोड अनुयायी को पहले चरण के एम्पलीफायर के रूप में उपयोग किया जाना चाहिए। इसके अतिरिक्त, उच्च समाई पूरे कांच में विकसित होती है और समाधान का संचालन करती है जो उच्च-आवृत्ति प्रतिक्रियाओं को क्षीण कर सकती है। इन इलेक्ट्रोड और एम्पलीफायरों में निहित विद्युत हस्तक्षेप भी है। [7] [28]


धातु

धातु इलेक्ट्रोड विभिन्न प्रकार की धातुओं से बने होते हैं, सामान्यतः सिलिकॉन, प्लेटिनम और टंगस्टन। वे एक टपका हुआ इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर जैसा दिखता है, जिसमें बहुत अधिक निम्न-आवृत्ति प्रतिबाधा और निम्न उच्च-आवृत्ति प्रतिबाधा होती है। [28] वे बाह्य क्रिया क्षमता के मापन के लिए अधिक उपयुक्त हैं, यद्यपि ग्लास माइक्रोपिपेट का भी उपयोग किया जा सकता है। धातु इलेक्ट्रोड कुछ स्थितियों में फायदेमंद होते हैं क्योंकि उनके पास उच्च सिग्नल-टू-शोर अनुपात होता है। स्पाइक सिग्नल की आवृत्ति रेंज के लिए कम प्रतिबाधा के कारण सिग्नल-टू-शोर। मस्तिष्क के ऊतकों में छेद करने के लिए उनके पास बेहतर यांत्रिक कठोरता भी होती है। अंत में, वे बड़ी मात्रा में अलग-अलग टिप आकार और आकारों में अधिक आसानी से गढ़े जाते हैं। [3] प्लेटिनम इलेक्ट्रोड प्लैटिनम ब्लैक प्लेटेड होते हैं और ग्लास से इंसुलेटेड होते हैं। वे सामान्यतः स्थिर रिकॉर्डिंग, उच्च सिग्नल-टू-शोर अनुपात, अच्छा अलगाव प्रदान करते हैं, और वे सामान्य टिप आकारों में अधिक कठोर होते हैं। केवल सीमा यह है कि युक्तियाँ बहुत महीन और नाजुक हैं। [7] सिलिकॉन इलेक्ट्रोड मिश्र धातु इलेक्ट्रोड होते हैं जिन्हें सिलिकॉन और इन्सुलेट ग्लास कवर परत के साथ डोप किया जाता है। सिलिकॉन विधि बेहतर यांत्रिक कठोरता प्रदान करती है और इलेक्ट्रोड पर कई रिकॉर्डिंग साइटों की अनुमति देने के लिए अच्छा सहायक वाहक है। [29] टंगस्टन इलेक्ट्रोड बहुत कठोर होते हैं और बहुत स्थिर रिकॉर्डिंग प्रदान करते हैं। यह उच्च आवृत्तियों को अलग करने के लिए बहुत छोटी युक्तियों के साथ टंगस्टन इलेक्ट्रोड के निर्माण की अनुमति देता है। टंगस्टन, तथापि, कम आवृत्तियों पर बहुत शोर है। स्तनधारी तंत्रिका तंत्र में जहां तेजी से संकेत होते हैं, उच्च-पास फिल्टर के साथ शोर को हटाया जा सकता है। फ़िल्टर किए जाने पर धीमे सिग्नल खो जाते हैं इसलिए इन संकेतों को रिकॉर्ड करने के लिए टंगस्टन अच्छा विकल्प नहीं है। [7]


अनुप्रयोग

एकल-इकाई रिकॉर्डिंग ने एकल-न्यूरॉन गतिविधि की निगरानी करने की क्षमता की अनुमति दी है। इसने शोधकर्ताओं को कार्य और व्यवहार में मस्तिष्क के विभिन्न भागों की भूमिका की खोज करने की अनुमति दी है। अभी हाल ही में, एकल न्यूरॉन्स से रिकॉर्डिंग का उपयोग मन-नियंत्रित उपकरणों को इंजीनियर करने के लिए किया जा सकता है।

संज्ञानात्मक विज्ञान

सीएनएस का अध्ययन करने के लिए गैर-आक्रामक उपकरण संरचनात्मक और कार्यात्मक जानकारी प्रदान करने के लिए विकसित किए गए हैं, किन्तु वे बहुत उच्च रिज़ॉल्यूशन प्रदान नहीं करते हैं। इस समस्या को ऑफसेट करने के लिए इनवेसिव रिकॉर्डिंग विधियों का उपयोग किया गया है। एकल इकाई रिकॉर्डिंग विधियाँ मस्तिष्क संरचना, कार्य और व्यवहार के बीच संबंधों का आकलन करने वाली जानकारी के लिए अनुमति देने के लिए उच्च स्थानिक और लौकिक संकल्प देती हैं। न्यूरॉन स्तर पर मस्तिष्क गतिविधि को देखकर, शोधकर्ता मस्तिष्क गतिविधि को व्यवहार से जोड़ सकते हैं और मस्तिष्क के माध्यम से सूचना के प्रवाह का वर्णन करने वाले न्यूरोनल मानचित्र बना सकते हैं। उदाहरण के लिए, बोराउड एट अल। पार्किंसंस रोग के रोगियों में बेसल गैन्ग्लिया के संरचनात्मक संगठन को निर्धारित करने के लिए एकल इकाई रिकॉर्डिंग के उपयोग की रिपोर्ट करें। [30] विकसित क्षमता मस्तिष्क के कार्य करने के लिए युगल व्यवहार के लिए विधि प्रदान करती है। विभिन्न प्रतिक्रियाओं को उत्तेजित करके, कोई कल्पना कर सकता है कि मस्तिष्क का कौन सा भाग सक्रिय है। इस पद्धति का उपयोग धारणा, स्मृति, भाषा, भावनाओं और मोटर नियंत्रण जैसे संज्ञानात्मक कार्यों का पता लगाने के लिए किया गया है। [5]


ब्रेन-मशीन इंटरफेस

ब्रेन-मशीन इंटरफेस (बीएमआई) पिछले 20 वर्षों के भीतर विकसित किए गए हैं। एकल इकाई पोटेंशियल रिकॉर्ड करके, ये डिवाइस कंप्यूटर के माध्यम से सिग्नल को डिकोड कर सकते हैं और इस सिग्नल को बाहरी डिवाइस जैसे कंप्यूटर कर्सर या जोड़ के नियंत्रण के लिए आउटपुट कर सकते हैं। बीएमआई में पक्षाघात या न्यूरोलॉजिकल रोग वाले रोगियों में कार्य को बहाल करने की क्षमता होती है। इस विधि में रोगियों की विस्तृत विविधता तक पहुँचने की क्षमता है, किन्तु समय के साथ रिकॉर्डिंग संकेतों में विश्वसनीयता की कमी के कारण अभी तक नैदानिक ​​रूप से उपलब्ध नहीं है। इस विफलता के बारे में प्राथमिक परिकल्पना यह है कि इलेक्ट्रोड के चारों ओर पुरानी भड़काऊ प्रतिक्रिया न्यूरोडीजेनेरेशन का कारण बनती है जो न्यूरॉन्स की संख्या को कम करती है जो इसे रिकॉर्ड करने में सक्षम है (निकोलिस, 2001)। [31] 2004 में, इंट्राकॉर्टिकल 100-इलेक्ट्रोड सिलिकॉन रिकॉर्डिंग सरणी के आधार पर न्यूरल इंटरफ़ेस सिस्टम की सुरक्षा और व्यवहार्यता का परीक्षण करने के लिए ब्रेनगेट पायलट क्लिनिकल परीक्षण प्रारंभ किया गया था। यह पहल बीसीआई की उन्नति में सफल रही है और 2011 में, टेट्राप्लाजिया (सिमरल, 2011) के रोगी में दीर्घकालिक कंप्यूटर नियंत्रण दिखाते हुए प्रकाशित डेटा है। [32]


यह भी देखें


टिप्पणियाँ

  1. ↑ Cogan, Stuart F. (2008). "Neural Stimulation and Recording Electrodes". Annual Review of Biomedical Engineering. 10: 275–309. doi:10.1146/annurev.bioeng.10.061807.160518. PMID 18429704.
  2. ↑ Cogan, Stuart F.; Ehrlich, Julia; Plante, Timothy D.; Smirnov, Anton; Shire, Douglas B.; Gingerich, Marcus; Rizzo, Joseph F. (2009). "Sputtered iridium oxide films for neural stimulation electrodes". Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 89B (2): 353–361. doi:10.1002/jbm.b.31223. PMC 7442142. PMID 18837458.
  3. ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Boulton, A. A. (1990). Neurophysiological techniques: applications to neural systems. Clifton, New Jersey: Humana Press.
  4. ↑ Maeng, Jimin; Chakraborty, Bitan; Geramifard, Negar; Kang, Tong; Rihani, Rashed T.; Joshi‐Imre, Alexandra; Cogan, Stuart F. (2019). "High‐charge‐capacity sputtered iridium oxide neural stimulation electrodes deposited using water vapor as a reactive plasma constituent". Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 108 (3): 880–891. doi:10.1002/jbm.b.34442. PMID 31353822.
  5. ↑ 5.0 5.1 5.2 Cerf, M (2010). "Human Intracranial Recordings and Cognitive Neuroscience". Nature. 467 (7319): 1104–1108. doi:10.1038/nature09510. PMID 20981100.
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संदर्भ


बाहरी संबंध

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