ПРОСТОЙ ВСАСЫВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Казаков А.¹, Александров М.¹, Жиляков Н.В.², Хазиев Э.Ф.³, Самигуллин Д.В.⁴

¹Магистрант, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева, НИИ прикладной электродинамики, фотоники и живых систем, ²Магистрант, Казанский (Приволжский) федеральный университет, ³младший научный сотрудник, Учреждение Российской академии наук Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН, Казанский (Приволжский) федеральный университет, ⁴кандидат биологический наук, старший научный сотрудник, Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН, Казанский (Приволжский) федеральный университет, доцент, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева, НИИ прикладной электродинамики, фотоники и живых систем

Работа поддержана грантами: РФФИ № 13-04-00886 (СДВ), Президиума РАН "Фундаментальные исследования для разработки биомедицинских технологий" и Президента РФ, Ведущая научная школа НШ-5584.2014.4. Работа частично выполнена за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета в целях повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров.

ПРОСТОЙ ВСАСЫВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Аннотация

Для решения экспериментальных задач по изучению принципов передачи информации в живых системах часто возникает необходимость стимулировать биологические объекты электрическими импульсами. Для сопряжения стимулятора с биологическим объектом используют стимулирующие электроды. В статье подробно изложена методика изготовления всасывающего стимулирующего электрода, пригодного для стимуляции нервно-мышечных препаратов. Электрод изготовлен из недорогих, легкодоступных компонентов. Конструкция электрода проста и может быть адаптирована для других биологических объектов.

Ключевые слова: всасывающий электрод, стимуляция биологических объектов.

Kazakov A.¹, Alexandrov M.¹, Zhilyakov N.V.², Khaziev E.F.³, Samigullin D.V.⁴

¹Magistrant, Kazan National Research Technical University named after AN Tupolev, Institute of Applied Electrodynamics, photonics and living systems, ²Magistrant, Kazan (Volga) Federal University, ³Junior Researcher, Russian Academy of Sciences, Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, Kazan (Volga region) Federal University, ⁴PhD in Biology, Senior Researcher, Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, Kazan (Volga region) Federal University, associate professor, Kazan National Research Technical University named after AN Tupolev, Institute of Applied Electrodynamics, photonics and living systems

A SIMPLE SUCTION ELECTRODE FOR ELECTRICAL STIMULATION OF BIOLOGICAL OBJECTS

Abstract

When principles of signal transmission in nervous systems are studied, it is often necessary to stimulate biological objects with electrical pulses. Stimulating electrodes are used for a coupling of stimulator and object. The article details the technique of manufacturing of a suction electrode suitable for the stimulation of neuromuscular junction. The electrode is made of inexpensive readily available materials. The design of the electrode is simple and can be adapted to other biological objects.

Key words: suction electrode, stimulation of biological objects.

Введение

Для решения экспериментальных задач по изучению принципов передачи информации в живых системах возникает необходимость стимулировать биологические объекты. Для этих целей используют специальные стимуляторы, оснащенные изолированными выходами. Они коммерчески доступны, и на рынке представлены различные модели: как одноканальные, так и многоканальные, программируемые и аналоговые. Но для сопряжения стимулятора или усилителя с биологическим объектом необходим стимулирующий электрод. Иногда для стимуляции используют простые проволочки из неокисляющегося метала, например, серебра или платины. Но для ряда исследований электроды такого типа неприменимы из-за морфологических особенностей исследуемого образца. Для стимуляции и регистрации активности биологических объектов, имеющих малые размеры, используют так называемые «всасывающие» электроды [1]. Эти электроды обычно используются для регистрации потенциалов действия от изолированных нервов, поскольку они обеспечивают нетравматичный, но достаточно плотный контакт между концом электрода и препаратом, что обеспечивает хорошее соотношение сигнал–шум при записи электрофизиологической активности. Современные методы патч-клэмп регистрации были бы невозможны без применения всасывающих электродов [1]. Различные конструкции всасывающих электродов описаны в литературе и некоторые из них коммерчески доступны [2-7]. Большинство из них производятся из стеклянных микрокапилляров на специальных микрокузницах с последующим формированием кончика оплавлением. Стеклянные электроды имеют ряд недостатков: они легко ломаются, недолговечны, засоряются и требуют специального оборудования для изготовления. В нашей лаборатории разработана конструкция простого всасывающего электрода из пластиковых трубок вместо стеклянных микропипеток. Этот электрод с успехом используется для стимуляции нервно-мышечных препаратов холоднокровных и теплокровных животных. Он лишен недостатков, присущих стеклянным электродам – прост в изготовлении, долговечен, легко очищается, совместим со всеми видами оборудования и легко закрепляется на экспериментальной камере.

Материалы

Всасывающий электрод состоит из следующих компонентов: два провода в изоляции длиной около 1,5 м с разъемами, необходимых для соединения электрода со стимулятором; пластиковая трубка для всасывания нерва и крепления одного контакта (достаточной упругости); короткая пластиковая трубка для крепления второго контакта; контакты, изготовленные из отрезков серебряной проволоки; термообжимная трубка для герметизации и фиксации всей конструкции электрода; силиконовая трубка, соединённая со шприцом для всасывания нерва, наконечник для микропипетки на 200 мкл, одноразовый шприц объемом 1 мл (Рис. 1).

Рис. 1 - Составные части электрода. 1 – разъемы для соединения электрода со стимулятором; 2 – силиконовая трубка; 3 – короткая пластиковая трубка для крепления второго контакта; 4 – контакты из отрезков серебряной проволоки; 5 – два провода в изоляции, ~1,5 м; 6 – термообжимная трубка; 7 – пластиковая трубка для всасывания нерва и крепления одного контакта; 8 – наконечник для микропипетки, 200мкл; 9 – одноразовый шприц, 1 мл.

 

Изготовление электрода

На первом этапе изготовления подбирается пластиковая трубка длиной около 9 см. Внутренний диаметр трубки должен соответствовать морфологическим особенностям препарата - примерному диаметру культи нерва. В нашем случае это около 1 мм. В трубке на расстоянии около 2 см от одного конца делается отверстие тонкой шприцевой иглой. В него вводится один из контактов с припаянным изолированным проводом. Контакт вводится так, чтобы он не достигал конца трубки примерно на 1-2 мм. Место ввода контакта и место спайки можно изолировать лаком.

Затем изготавливается второй контакт. На его конце при помощи пинцета формируется кольцо, диаметром равное диаметру трубки. К нему припаивается второй изолированный провод. Затем этот контакт фиксируется на трубке при помощи второй трубки длиной 1 см, имеющей больший диаметр, так, чтобы кольцо плотно установилось на конец трубки как показано на Рис. 2.

Рис. 2 - Схема расположения элементов. 1 – первый контакт; 2 – второй контакт; 3 – силиконовая трубка; 4 – короткая трубка большего диаметра для крепления второго контакта.

Для герметизации и фиксации контактов на всю конструкцию надевается отрезок термообжимной трубки с диаметром 2,5 мм и длиной около 4 см и обжимается.

Необходимо иметь в виду, что термообжимная трубка должна плотно охватывать всю конструкцию, чтобы исключить утечку раствора. Без должной герметизации нерв не будет держаться в электроде. Для засасывания препарата полиэтиленовая трубка соединяется с силиконовой трубкой, которая, в свою очередь через переходник, сделанный из одноразового наконечника от микропипетки, соединяется со шприцем. Используется наконечник на 200 мкл с обрезанным концом, так, чтобы он плотно надевался на шприц. На свободные концы проводов длинной около 1,5 м (длина выбирается исходя из того на каком расстоянии стимулятор находится от рабочей камеры) припаиваются контакты, совместимые с выходом стимулятора (в зависимости от модели стимулятора). Провода свиваются между собой. Общий вид всасывающего электрода представлен на Рис. 3.

Рис. 3 - Готовый всасывающий электрод

 

Использование электрода

Изготовленный всасывающий электрод можно закреплять на экспериментальной камере при помощи пластилина или стоматологического воска. Также можно использовать для его фиксации микроманипулятор. Электрод подводится к свободной культе нерва и при помощи шприца отрезок нерва вместе с раствором всасывается в электрод. За счет вакуума образующегося в системе шприц–электрод нерв фиксируется  в электроде. Всасывание нужно проводить плавно, не прилагая излишних усилий, чтобы не повредить нерв. После фиксации нерва в электроде, коннекторы присоединяют к стимулятору и запускают стимуляцию нерва. После использования электрод необходимо промывать дистиллированной водой, всасывая и выталкивая ее при помощи шприца. Электрод желательно хранить в сухом состоянии для предотвращения загрязнения.

Обсуждение

Применение различного диаметра трубок позволяет изготавливать электроды разного диаметра для различных биологических образцов. В нашей лаборатории мы изготавливаем электроды для стимуляции диафрагмального нервно-мышечного препарата мыши, препарата кожно-грудинной мышцы лягушки и изолированного нервно-мышечного препарата m. levator auris longus мыши. Поскольку оба контакта электрода изолированы от заполняющего экспериментальную камеру раствора, утечки стимулирующего тока незначительны. Наш электрод обеспечивает надёжную стимуляцию экспериментального объекта при небольших значениях тока стимулирующего импульса. Это выгодно отличает его от конструкций, описанных ранее [1, 2]. Также данный всасывающий электрод можно использовать для экстраклеточной записи электрофизиологической активности нервов, как это описано в ряде работ [1, 2].

Литература

1. Sakmann B. Single-channel recording. / B Sakmann, E Neher. // New York: Plenum Press -1995- 700 P.
2. Bruce, R. J. Construction of a Simple Suction Electrode for Extracellular Recording and Stimulation / R. J. Bruce, A. H. Stephen, and H. B. Robert // The Journal of Undergraduate Neuroscience Education (JUNE). - 2007.-Vol. 6(1). - P. 21-26.
3. Bruce, R. L. Tools for physiology labs: an inexpensive high-performance amplifier and electrode for extracellular recording / R. L. Bruce, A. W. Robert, R. J Bruce // Journal of Neuroscience Methods. - 2001.-Vol. 106. - P. 47-55
4. Easton, D. M. Nerve-end recording in conducting volume / D. M. Easton // Science. - 1960.-132.- P. 1312–1313
5. Florey, E. A new suction-electrode system / E. A Florey M. E Kreibel. // Comp Biochem Physiol. -1966.-18- P.175–178.
6. Delcomyn, F. A simple system for suction electrodes / F. A Delcomyn // J Electrophysiol Tech. – 1974.-3-P.2 2–25.
7. Stys PK. Suction electrode recording from nerve and fiber tracts / In: Kettenmann H, Grantyn R, editors. Practical electrophysiological methods // New York: Wiley-Liss- 1992.-P. 189–194.