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合體內安培測氧法和電生理學

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

《分析化學》，第89卷，2017年，頁碼12383-12390

 

摘要

摘要說了這篇論文開發了一種使用陶瓷基鉑微電極陣列的單傳感器方法，能在癲癇發作期間同時記錄局部氧分壓和局部場電位相關電流。該方法通過高頻采樣（100 Hz）的安培測量技術，在自由活動大鼠的海馬體中監測匹羅卡品誘導的癲癇持續狀態，觀察到氧分壓的雙相變化（初始下降和后續高氧期），并通過信號分解同時獲取化學和電生理信息，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）和化學變化（如氧分壓），以改進癲癇發作起始區的識別，并為理解癲癇的神經病理機制提供多模態數據。

 

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進行慢性植入；然后通過安培測量技術（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，對應氧分壓）和高頻成分（1-49 Hz，對應局部場電位相關電流）；最后在匹羅卡品誘導的癲癇持續狀態模型中驗證同時記錄能力，并與應激范式（如夾尾）對比，確保傳感器的可靠性和多功能性。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了不同腦區的靜息氧分壓水平，包括海馬齒狀回、CA1區、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），表明區域代謝差異，為癲癇相關氧變化提供比較基準。

 

2 測量了夾尾應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。研究意義是驗證傳感器在活體中的響應能力，確認神經血管耦合機制，即神經元活動增加導致血流和氧分壓升高。

 

3 測量了癲癇持續狀態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）和后續高氧期（+10.4±2.9μM），來自圖3A和表2。研究意義是揭示癲癇發作的代謝動態，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測價值。

4 測量了高頻成分（局部場電位相關電流）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捕獲電生理活動（如癲癇發作的節律放電），為多模態監測提供基礎，減少對獨立設備的需求。

 

 

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。研究意義是確認傳感器冗余性可靠，支持其在復雜環境中的穩定性。

 

結論

得出了結論是鉑微電極陣列通過高頻安培測量能同時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工具，有望應用于臨床植入式設備以改進發作區定位和預測。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量出來的數據的研究意義在于作為關鍵對比基準，驗證本研究中間接提到的氧測量方法的可靠性。在論文中，Unisense電極的測量數據被引用在表1中，作為文獻報告的腦氧分壓值的參考標準（例如，通過Clark型微電極或EPR測氧法）。這些數據幫助確認本研究中鉑微電極陣列所測靜息氧分壓（如圖1所示）的準確性，例如皮層22.1±4.9μM與文獻值一致。這種意義在于，Unisense電極作為廣泛認可的氧測量工具，其數據提供了外部驗證，確保本研究的傳感器在活體環境中的性能可信。此外，Unisense電極在癲癇研究中的既往應用（如表2引用）支持了癲癇性下降現象的普遍性，間接強化了本研究發現的雙相氧變化的有效性。因此，Unisense電極的數據不僅增強了本研究的科學性，還突出了新方法的優勢，即單傳感器實現多模態監測，超越傳統單一功能設備的局限。