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¿Cómo se distribuye la diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos estimulantes?

¿Cómo se distribuye la diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos estimulantes?


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Supongamos que establezco el valor de voltaje de un estimulador aislado con tierra flotante. Coloco un electrodo sobre la médula espinal (positivo) y el otro colocado subcutáneamente lejos de la médula espinal (negativo). El circuito dentro del estimulador funcionará de tal manera que la diferencia de potencial eléctrico entre estos dos electrodos es el valor que especifico.

El estimulador puede corregir la diferencia de potencial eléctrico entre los dos electrodos de varias formas:

  1. Mantenga constante el potencial del electrodo positivo mientras cambia el potencial del electrodo negativo.
  2. Mantenga constante el potencial del electrodo negativo mientras cambia el potencial del electrodo positivo.
  3. Ajuste de los potenciales de ambos electrodos mediante una regla.

Aunque cada una de estas formas puede fijar el voltaje entre los electrodos, no tienen los mismos efectos en el entorno biológico en el que se colocan los electrodos. Volviendo a mi ejemplo, si el estimulador obedece 1, esperaría que se produjera un efecto mayor. inducida local a la médula espinal, en contraste con 2, que tendría un mayor efecto en la zona subcutánea. Esto se debe a que existe una distribución de carga heterogénea inicial.

¿Cómo debo asumir que mi estimulador está arreglando la diferencia de potencial entre mis electrodos?


Electrocardiografia

Electrocardiografia es el proceso de producir un electrocardiograma (ECG o Electrocardiograma [a] ). Es un gráfico de voltaje versus tiempo de la actividad eléctrica del corazón [4] usando electrodos colocados en la piel. Estos electrodos detectan los pequeños cambios eléctricos que son consecuencia de la despolarización del músculo cardíaco seguida de la repolarización durante cada ciclo cardíaco (latido del corazón). Los cambios en el patrón de ECG normal ocurren en numerosas anomalías cardíacas, que incluyen alteraciones del ritmo cardíaco (como fibrilación auricular y taquicardia ventricular), flujo sanguíneo de arterias coronarias inadecuado (como isquemia de miocardio e infarto de miocardio) y alteraciones de electrolitos (como hipopotasemia e hiperpotasemia). ).

En un ECG convencional de 12 derivaciones, se colocan diez electrodos en las extremidades del paciente y en la superficie del tórax. Luego, se mide la magnitud general del potencial eléctrico del corazón desde doce ángulos diferentes ("derivaciones") y se registra durante un período de tiempo (generalmente diez segundos). De esta manera, la magnitud y la dirección generales de la despolarización eléctrica del corazón se capturan en cada momento a lo largo del ciclo cardíaco. [5]

Hay tres componentes principales en un ECG: la onda P, que representa la despolarización de las aurículas, el complejo QRS, que representa la despolarización de los ventrículos y la onda T, que representa la repolarización de los ventrículos. [6]

Durante cada latido, un corazón sano tiene una progresión ordenada de despolarización que comienza con las células marcapasos en el nódulo sinoauricular, se disemina por la aurícula y pasa a través del nódulo auriculoventricular hacia el haz de His y hacia las fibras de Purkinje, extendiéndose hacia abajo y hacia la izquierda a lo largo de los ventrículos. [6] Este patrón ordenado de despolarización da lugar al trazado de ECG característico. Para el médico capacitado, un ECG transmite una gran cantidad de información sobre la estructura del corazón y la función de su sistema de conducción eléctrica. [7] Entre otras cosas, un ECG se puede utilizar para medir la frecuencia y el ritmo de los latidos del corazón, el tamaño y la posición de las cámaras del corazón, la presencia de cualquier daño en las células del músculo del corazón o el sistema de conducción, los efectos de los medicamentos para el corazón, y la función de los marcapasos implantados. [8]


Potenciales bioeléctricos en relación con el movimiento de las amebas *

Se presenta evidencia para demostrar que, en Amoeba proteus, el potencial de membrana (-72 mV) y la velocidad de flujo (40 micrones / seg) se ven afectados por cambios en la composición iónica del medio.

El potencial de membrana y la velocidad de flujo son funciones inversas del logaritmo de la concentración externa de cloruro de potasio en un amplio rango. El agua destilada disminuye la velocidad de flujo, aunque aumenta el potencial de membrana.

Las penetraciones únicas en diferentes partes de la celda y las mediciones directas utilizando dos microelectrodos internos proporcionan evidencia de un gradiente de potencial eléctrico en el citoplasma a lo largo del eje de movimiento que se acerca a 1 voltio / cm. La punta de un pseudópodo parece ser positiva con respecto a la parte posterior de la celda y negativa con respecto al medio externo.

Los potenciales eléctricos, positivos o negativos, aplicados a la parte posterior de la celda, se pueden utilizar para redirigir la transmisión en una dirección elegida. La transmisión se aleja de un electrodo negativo y se dirige a uno positivo.

Se discuten las relaciones entre el potencial de membrana, el gradiente de potencial interno y la fuerza motriz del flujo. Se propone una nueva teoría para el control bioeléctrico del movimiento ameboide.


La ley define la relación entre corriente eléctrica, voltaje y resistencia. Corriente = voltaje / resistencia

  • El flujo de corriente es directamente proporcional al voltaje: AUMENTAR el voltaje = AUMENTAR la corriente, DISMINUIR el voltaje = DISMINUIR la corriente
  • El flujo de corriente es inversamente proporcional a la resistencia: AUMENTAR la resistencia = DISMINUIR la corriente, DISMINUIR la resistencia = AUMENTAR la corriente

Los tejidos biológicos, como los nervios y las membranas musculares, tienen la capacidad de almacenar simultáneamente una carga eléctrica y oponerse al cambio en el flujo de corriente. Esta característica se llama capacidad. La piel y el tejido adiposo actúan como resistencias o se oponen a la corriente lenta. La corriente siempre toma el "camino de menor resistencia" cuando se enfrenta a múltiples resistencias.

La corriente fluirá bajo 2 condiciones:

  1. Existe una fuente de energía que crea una diferencia en el potencial eléctrico.
  2. Existe una vía conductora entre los dos potenciales.

Flujo iónico Ocurre en el cuerpo porque las cargas iguales REPELEN y las cargas opuestas ATRAEN.

Ánodo = electrodo positivo (+)

Anión = ion negativo (-)

Cátodo = electrodo negativo (-), a menudo denominado electrodo & quotactivo & quot

Catión = ion positivo (+)

Tenga en cuenta que los nombres están emparejados por atracción

En reposo, un nervio tiene una carga positiva en el interior y negativa en el exterior.

Reacciones químicas que ocurren debajo de cada electrodo (Figuras de los hermanos 8-2 y 8-3)

Cátodo: los iones de sodio Nan + positivos migran al polo negativo y se combinan con agua para formar hidróxido de sodio Nao Base = mayor alcalinidad, promueve la licuación de proteínas y el ablandamiento de los tejidos

Ánodo: Los iones negativos de cloro (Cl-) migran al polo positivo y se combinan con el agua para formar ácido clorhídrico (HCL) = mayor acidez, promueve la coagulación de proteínas y el endurecimiento de los tejidos.

La circulación mejora a medida que el cuerpo intenta equilibrar la homeostasis y el nivel de pH neutro.


Introducción

La estimulación eléctrica no invasiva de los ojos se ha estudiado como una herramienta terapéutica prometedora para recuperar las funciones visuales en pacientes que padecen diversas enfermedades oculares 1. Hay dos métodos bien conocidos que administran la corriente eléctrica al ojo de forma no invasiva. Uno es la estimulación eléctrica transcorneal que administra las corrientes a través de un electrodo tipo lente de contacto colocado justo encima de la córnea 2,3. Estudios previos informaron que la estimulación eléctrica transcorneal tiene efectos beneficiosos sobre la mejora de las funciones visuales en pacientes con neuropatía óptica 2 y retinosis pigmentaria (RP) 4,5,6. Según los estudios que utilizaron modelos animales con enfermedades oculares, la mejora de las funciones visuales resultante de la estimulación eléctrica transcorneal se asoció estrechamente con la supervivencia de las células ganglionares de la retina (RGC) y los fotorreceptores preservados de la degeneración, lo que sugiere que el efecto neuroprotector sobre las células de la retina determina el resultado de la estimulación eléctrica transcorneal 7. Además, se encontró que el aumento en la supervivencia de las RGC después de la estimulación eléctrica transcorneal está relacionado con un aumento en el factor de crecimiento similar a la insulina 1 (IGF-1), el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) y el factor neurotrófico ciliar ( CNF), que se liberan de las células de Müller en la retina 8,9.

El otro método es la estimulación eléctrica transorbital (tES) que suministra una corriente eléctrica débil al ojo a través de electrodos adheridos a la piel alrededor del ojo. Los parámetros de estimulación, como las configuraciones de los electrodos, las formas de onda de la corriente y las intensidades de la corriente de inyección, difirieron entre los estudios. Generalmente, se aplicaron pulsos cuadrados en ráfagas con un rango de frecuencia de 5–30 Hz para tES 10. En comparación con la estimulación eléctrica transcorneal, la tES es menos invasiva sin efectos secundarios como ojo seco y queratitis punteada y más fácil de aplicar 11. Se ha informado que la tES repetitiva, aplicada a pacientes con daño del nervio óptico, mejora el tamaño del campo visual, la agudeza visual y la capacidad de detección 12,13. El tES repetitivo también ha fortalecido la conectividad funcional de la banda alfa en pacientes con daño crónico del sistema visual prequiasmático 14. Otro estudio ha demostrado que el grupo tratado con tES mostró una mejora significativa en los campos visuales y los tiempos de reacción durante la tarea relacionada con el campo visual en comparación con el grupo de estimulación simulada 15. Además, tES también ha sido eficaz para mejorar la función visual en pacientes con RP 16. Un estudio anterior informó que la eficacia de tES estaba relacionada con la sincronización de las actividades corticales después de que se estimularon las células de la retina 10. Otro estudio insistió en que la mejora de las funciones visuales junto con los cambios en la potencia de la banda alfa del EEG espectral y la conectividad en el lóbulo occipital después de tES podrían ser causadas por un arrastre retinofugal a través del disparo de RGCs 15. De hecho, un estudio experimental in vivo previo con ratas también demostró que las respuestas inducidas por tES evocadas eléctricamente provenían de la retina [17]. Esta serie de hallazgos sugiere que se debe administrar un campo eléctrico más fuerte a las células de la retina para aumentar el efecto terapéutico de tES.

Generalmente, la configuración de electrodo convencional utilizada para tES comprende dos electrodos activos unidos a la piel cerca de la cavidad orbital y un único electrodo de referencia colocado en el polo occipital o regiones extracefálicas como la muñeca y el cuello 10, 12, 18. Según un estudio de simulación numérica con el montaje de electrodos convencional, la mayoría de los campos eléctricos se enviaron a la parte anterior del ojo 15. Por tanto, el tES convencional estimulaba de forma dominante la parte anterior de la retina a pesar de que un gran número de células retinianas, incluidas las RGC y las células de Müller, estaban densamente distribuidas en la parte posterior de la retina, particularmente alrededor de la fóvea 19. Por lo tanto, considerando los mecanismos de acción mencionados anteriormente de ambos tES, se debe entregar un campo eléctrico más fuerte a la parte posterior de la retina para aumentar la efectividad de tES. En el tES convencional, sin embargo, el campo eléctrico suministrado al lado periférico de la retina (retina anterior) alcanza un umbral individual de fosfeno 20, que representa la corriente de inyección máxima permitida en tES que no evoca fosfenos en un individuo, antes de una cantidad suficiente de corriente de estimulación se envía a la retina posterior. Por lo tanto, es necesario reducir el campo eléctrico suministrado a la retina anterior en relación con el suministrado a la retina posterior para maximizar los efectos terapéuticos generales de tES.

Este estudio propone un novedoso montaje de tES con ocho electrodos activos, con un diámetro de 1 cm, colocados alrededor del ojo (aproximadamente a 2 cm del centro de la córnea) y un electrodo de referencia en el polo occipital para reducir la diferencia en la tensión eléctrica. intensidades de campo entregadas a la retina anterior y posterior. En otras palabras, el estudio tiene como objetivo maximizar el campo eléctrico entregado a la retina posterior cuando el entregado a la retina anterior alcanza el umbral de fosfeno individual. Como se mencionó anteriormente, los pulsos cuadrados de corta duración a una frecuencia específica se emplean generalmente para tES. Aunque los valores de conductividad eléctrica de los tejidos dependen de la frecuencia de la corriente inyectada 21,22,23, empleamos valores de conductividad eléctrica de los tejidos a una frecuencia de CC y resolvimos una ecuación de Laplace cuasiestática porque el rango de frecuencia utilizado para tES (5 - 30 Hz ) fue lo suficientemente bajo para la aproximación cuasi-estática. De hecho, se informó que no había diferencia entre los campos eléctricos calculados asumiendo CC y CA con una frecuencia relativamente alta (

1 kHz) 24. Se determinaron las corrientes de inyección óptimas de los electrodos activos para maximizar el campo eléctrico entregado a la retina posterior, cerca de la fóvea, mediante el empleo de un enfoque de optimización convexa restringida. La eficacia de las nuevas condiciones de estimulación se evaluó comparándola con el montaje de electrodos convencional.


Filtros

Si la frecuencia de muestreo es inferior a la mitad de la frecuencia de la señal, la grabación está distorsionada. Este fenómeno se denomina "aliasing". Los electrodos de EEG pueden captar ruido eléctrico a alta frecuencia, p.ej., de los músculos del cuero cabelludo, lo que resulta en la inducción de artefactos, etc. Para evitar la distorsión de las grabaciones debido a estos componentes de frecuencia más alta, las señales se filtran utilizando un filtro analógico o un filtro anti-aliasing antes de la conversión de analógico a digital (figura 5). El efecto de este filtro es permanente.

Después de la conversión de analógico a digital, las señales digitales se pueden filtrar aún más, utilizando filtros digitales selectivos. Sin embargo, el efecto de los filtros digitales no es permanente, ya que se trata simplemente de un posprocesamiento de las grabaciones digitales. Muchas de las señales no deseadas se encuentran dentro de rangos de frecuencia que difieren de las de las señales de EEG generadas desde el cerebro y, por lo tanto, pueden eliminarse o atenuarse utilizando filtros digitales cuando se revisan las grabaciones. Sin embargo, existen varios errores importantes al utilizar filtros digitales. Si se filtra un componente dentro del rango de 0,1 a 70 Hz, se pueden perder potencialmente los datos relevantes del EEG. Los componentes de frecuencia dentro del rango de los valores del filtro, y cercanos a ellos, se distorsionan.

Los filtros de alta frecuencia o de paso bajo atenúan los componentes de frecuencia más altos que el valor del filtro. Los filtros atenúan la amplitud de las señales en el valor de corte del filtro entre un 20% y un 30%, e incluso las frecuencias más altas se atenúan en mayor grado, incluso hasta la eliminación completa. Los artefactos musculares, incluidas las señales de EMG de superficie de los músculos del cuero cabelludo, tienen componentes de frecuencia más alta que la mayoría de las señales de EEG. Sin embargo, filtrarlos también puede eliminar una ráfaga de alta frecuencia de señales de EEG, como picos. El otro problema es que filtrar la actividad muscular solo atenúa estas señales, y lo que queda puede parecerse a un estallido de picos / ondas agudas y conducir a una interpretación errónea.

Los filtros de paso alto o de baja frecuencia atenúan los componentes lentos. El rango de baja frecuencia incluye artefactos de movimiento y sudoración, que pueden atenuarse en gran medida con el uso de estos filtros. La desventaja de un filtrado excesivo de baja frecuencia es una pérdida o atenuación de la actividad patológica focal o generalizada real. En un caso extremo, como un registro de hipsarritmia, casi se puede hacer que el EEG parezca relativamente normal. La influencia del filtro de baja frecuencia está determinada por la constante de tiempo que se define como el tiempo necesario para que la amplitud de una onda cuadrada disminuya al 37% de su valor original (Sharbrough, 1997). La frecuencia de corte se puede calcular dividiendo 0.16 (1 / 2π) por el valor numérico de la constante de tiempo. Por ejemplo, con una frecuencia de corte de 0,16 Hz, la constante de tiempo es de 1 segundo. Aumentar demasiado el valor del filtro de baja frecuencia puede eliminar algunas ondas lentas clínicamente importantes o distorsionar la forma del patrón EEG lento. Un ejemplo sería la distorsión de un artefacto de parpadeo hasta tal punto que la interpretación correcta se vuelve difícil.

Los filtros de muesca afectan solo a un rango de frecuencia estrecho y se utilizan principalmente para eliminar el ruido eléctrico causado por la corriente de la línea eléctrica de 60 Hz en América del Norte y 50 Hz en Europa. Es importante comenzar todas las grabaciones con el filtro de muesca desactivado para que el técnico pueda ser alertado de "electrodos defectuosos" con contactos débiles entre el electrodo, la pasta y el cuero cabelludo. Cuando uno comienza a revisar una grabación de EEG, la configuración de filtro recomendada es de 0,5 Hz a 1 Hz para el filtro de paso alto y 70 Hz para el filtro digital de paso bajo, con el filtro selectivo de 60 Hz o 50 Hz desactivado (Sinha et al., 2016 ).


Tipos de electrodo: 4 tipos (con diagrama)

Este artículo arroja luz sobre los cuatro tipos de electrodos utilizados en técnicas electroquímicas.

Los cuatro tipos de electrodo son: (1) El electrodo de pH (2) Electrodos de detección de gas y selectivos de iones (3) El electrodo de oxígeno Clark y (4) El electrodo de disco de hoja.

Tipo # 1. El electrodo de pH:

Principios:

Quizás la forma más conveniente y precisa de determinar el pH es utilizando un electrodo de vidrio. El electrodo de pH depende del intercambio de iones en las capas hidratadas formadas en la superficie del electrodo de vidrio.

El vidrio consta de una red de silicatos entre los que se encuentran los iones metálicos coordinados con el átomo de oxígeno, y son los iones metálicos los que se intercambian con H +. El electrodo de vidrio actúa como una batería cuyo voltaje depende de la actividad H + de la solución en la que está sumergido.

El tamaño del potencial (E) debido a H + viene dado por la ecuación:

donde [H +] y [H +]o son las concentraciones molares de H + dentro y fuera del electrodo de vidrio respectivamente. En la práctica, [H +] es generalmente 10 -1, porque el electrodo contiene 0,1 M HCL. Dado que pH = & # 8211 log [H +], se deduce que el potencial desarrollado es directamente proporcional al pH de la solución fuera del electrodo. Los electrodos de vidrio son particularmente útiles debido a la falta de interferencia de los componentes de la solución.

En general, estas moléculas no se contaminan fácilmente con moléculas en solución, y si hay otros iones presentes, no causan ninguna interferencia significativa. Sin embargo, a pH alto, responden al sodio. También se producen inexactitudes en condiciones muy ácidas.

Un electrodo de vidrio consiste en una membrana de vidrio suave y delgada que se encuentra al final de un tubo de vidrio duro o, a veces, un cuerpo de epoxi. También está presente en el electrodo de vidrio un electrodo de referencia interno de plata / cloruro de plata (Ag / AgCL) rodeado por un electrolito de 0.1 M HCL. Este electrodo de referencia interno da lugar a un potencial estable.

Por tanto, el potencial variable del electrodo de vidrio se puede comparar con un potencial estable producido por un electrodo de referencia externo, como el electrodo de calomelanos estándar, uniendo el electrodo de referencia interno y externo.

El electrodo de referencia externo puede ser una sonda separada o estar construido alrededor de un electrodo de vidrio dando un electrodo combinado. Si se usa un electrodo combinado, el nivel de la solución de prueba debe ser lo suficientemente alto para cubrir el tapón poroso (unión líquida) pero no tan alto como el nivel de solución de puente salino (KCL) en el electrodo externo porque es esencial para el KCl. para difundir lentamente en la solución de prueba.

Cualquiera que sea el electrodo de referencia que se utilice, el voltaje medido es el resultado de la diferencia entre el de referencia y el de los electrodos de vidrio. En la práctica, sin embargo, existen otros potenciales presentes en el sistema. Estos incluyen el llamado potencial asimétrico, que se comprende poco pero que está presente a través de la membrana de vidrio incluso cuando la concentración de H + es la misma en ambos lados.

También se incluyen los potenciales debidos a Ag / AgCl y a la unión líquida al electrodo de referencia, que da el potencial porque el K + y el CI & # 8211 no se difunden exactamente a la misma velocidad y, por lo tanto, generan un pequeño potencial en el límite entre la muestra y el KCl en el electrodo de referencia. El potencial medido para el electrodo de vidrio también debe incluir constantes para tener en cuenta el potencial adicional dentro del dispositivo.

Por lo tanto, la ecuación se convierte en:

donde E * incluye el potencial de electrodo estándar para el electrodo de vidrio y el potencial de unión constante presente en el sistema.

A 25 ° C, esta ecuación se convierte en:

donde E * ahora también incluye un término para dar cuenta de la concentración interna de H +. Como ya se sabe, hay un cambio de 59 mV para un cambio de 10 veces en la actividad de un ion monovalente, esto significa que un cambio de una unidad de pH produce un cambio de 59 mV.

Se utiliza un electrodo de pH junto con un medidor de pH. Esto registra el potencial debido a la concentración de H + pero está diseñado para tomar un poco de corriente del circuito. Un gran flujo de corriente provocará cambios en la concentración de iones y, por lo tanto, cambios en el pH, esto se evita al tener una alta resistencia presente. El medidor de pH, el electrodo de vidrio y el electrodo de calomelanos de referencia están diseñados para que el pH dé un potencial cero.

Operación del electrodo / medidor de pH:

Los electrodos de pH están disponibles en una variedad de formas y tamaños diferentes para muchas aplicaciones diferentes. El pH intracelular también se puede medir utilizando sondas en miniatura (microelectrodos). Sin embargo, la mayoría de ellos se basan en el mismo principio y funcionan de manera similar.

Es importante que la capa exterior de vidrio sobre el electrodo de vidrio permanezca hidratada, por lo que normalmente se sumerge en una solución. Por lo tanto, la fina capa de vidrio es frágil y, por lo tanto, se debe tener cuidado de no romperla o rayarla, o causar una acumulación de carga eléctrica estática al frotarla. No se debe permitir que las soluciones gelatinosas y que contienen proteínas se sequen sobre la superficie del vidrio, ya que inhibirían la respuesta.

Como se desprende de las ecuaciones anteriores, el potencial producido depende de la temperatura (cada cambio de unidad de pH representa 54,2 mV a 0 ° C y 61,5 mV a 37 ° C). Este efecto es predecible y puede compensarse. Por lo tanto, el medidor de pH tendrá un dial de compensación de temperatura que debe configurarse correctamente antes de calibrar el medidor.

La calibración requerirá el uso de dos soluciones de pH muy diferentes. Por lo general, la calibración se realiza primero con un tampón de pH 7, seguido de un tampón de pH 4 (si se espera que la muestra sea un ácido) o un tampón de pH 9 (si se espera que la muestra sea básica). Una vez que el electrodo de pH está calibrado, simplemente se puede sumergir en la solución que se va a medir y se puede realizar una estimación rápida y precisa de la medición del pH.

Tipo # 2. Electrodos de detección de gas y selectivos de iones:

El electrodo de vidrio para pH es en realidad una especie de electrodo selectivo de iones (ISE) que es sensible al H +. Se han desarrollado electrodos potenciométricos similares que responden a otros iones, por ejemplo, Na +, NH + 4, Cl & # 8211 y NO & # 8211 3. El material activo dentro de estos dispositivos puede ser vidrio, una sal orgánica insoluble o un material de intercambio iónico.

El vidrio es el material activo dentro del electrodo de pH, pero también se pueden usar vidrios de silicato de aluminio modificado para producir una variedad de electrodos sensibles a cationes monovalentes. Se pueden usar sales inorgánicas insolubles como el sulfito de plata para producir electrodos que respondan al Cu 2+, Pb 2+ y Cd 2+, mientras que el fluoruro de lantano se puede usar para producir electrodos que respondan al F & # 8211.

El electrodo selectivo de iones responde a la actividad de un ión particular. Sin embargo, si el instrumento se calibra con un estándar de concentración conocida, siempre que la fuerza iónica de la solución sea similar, se registrará la concentración de la solución de prueba. Si algunos de los iones no están libres y existen en forma compleja o en un precipitado insoluble, estos electrodos darán una lectura mucho más baja que con un método que detecte todos los iones presentes. Los electrodos selectivos de iones de uso general son Ca 2+, K + y NO & # 8211 3.

Un electrodo puede ser selectivo de iones pero no específico de iones. Al igual que con los electrodos de vidrio, estos pueden ensuciarse con proteínas que forman una película superficial. También se necesita un electrodo de referencia con estos ISE para que el potencial variable de estos ISE se pueda comparar con el potencial estable producido por el electrodo de referencia.

Electrodos de detección de gas:

Se utilizan generalmente para estimar la concentración de gas mediante su interacción en una capa delgada que rodea un electrodo sensible a iones, comúnmente un electrodo de pH. El dióxido de carbono, el dióxido de azufre y el amoníaco se pueden medir mediante su disolución en una capa delgada que rodea el electrodo de pH y midiendo el pH resultante de la capa.

Miniaturización y aplicaciones de electrodos sensibles a iones:

La miniaturización de los electrodos selectivos de iones se ha logrado mediante la modificación del transistor de efecto de campo para responder a iones específicos. Es probable que dichos transistores de efecto de campo selectivo de iones (ISFET) tengan un gran valor clínico. Ya hay disponibles ISFET multifuncionales que se utilizan para medir pH, Na +, K + y Ca 2+.

Tipo # 3. El electrodo de oxígeno Clark:

Consiste en un cátodo de platino y un ánodo de plata, ambos sumergidos en la misma solución de cloruro de potasio saturado y separados de la solución de prueba por una membrana permeable al oxígeno. Cuando se aplica una diferencia de potencial de -0,6 V a través de los electrodos de manera que el cátodo de platino se vuelve negativo con respecto al ánodo de plata, se generan electrones en el ánodo y luego se utilizan para reducir el oxígeno en el cátodo.

La tensión de oxígeno en el cátodo cae y, por lo tanto, para hacer este déficit, más oxígeno se mueve hacia el cátodo. Dado que la velocidad de difusión del oxígeno desde la membrana es el paso limitante en el proceso de reducción, la corriente producida por el electrodo es proporcional a la tensión de oxígeno en la muestra.

Estas reacciones de electrodos se pueden resumir en:

En el ánodo de plata 4Ag + CI - → 4AgCl + 4e & # 8211

En el cátodo de platino O2 + 4H + + 4e y # 8211 → 2H2O

Funcionamiento del electrodo de oxígeno de rango (electrodo Clark):

Estos permiten colocar la muestra en la cámara de reacción superior mediante una membrana permeable al oxígeno e impermeable a los iones. El teflón es la opción habitual, aunque se han utilizado celofán, polietileno, caucho de silicona y film transparente con distintos grados de éxito. Se debe tener cuidado de que la membrana no se contamine.

Las membranas más delgadas dan más respuesta pero son más frágiles. La membrana cubre los electrodos y permite que el oxígeno se difunda hacia ellos mientras evita que otros elementos de reacción alcancen el electrodo y los envenenen. Los electrodos se mantienen en continuidad eléctrica con solución de cloruro de potasio.

El electrodo de oxígeno está montado sobre un motor de agitación, que puede hacer girar un seguidor magnético (pulga) cuando se inserta en el recipiente de reacción, lo cual es importante ya que el cátodo de platino reduce el oxígeno para producir la corriente eléctrica. Una configuración correcta mostrará una reducción en la corriente cuando el agitador se apague debido al agotamiento de oxígeno en la cámara del electrodo llena de cloruro de potasio.

La reanudación de la agitación dará como resultado un retorno de la corriente (tensión de oxígeno en cloruro de potasio) a su nivel anterior antes de que se apague el agitador. Dado que tanto la solubilidad como la velocidad de difusión se ven afectadas por la temperatura, es necesaria alguna forma de control de la temperatura para obtener mejores resultados que se obtienen mediante un baño de agua circulante.

La calibración del instrumento debe realizarse a la misma temperatura que la del experimento. Muchos productos químicos se adsorben en la superficie de la membrana y el recipiente de reacción, por lo que es importante que el aparato se limpie a fondo después de cada experimento.

Aplicaciones del electrodo de oxígeno de rango:

Debido a su capacidad para dar trazas continuas, los electrodos de oxígeno han reemplazado en gran medida a las técnicas manométricas en el estudio de reacciones que involucran la absorción y evolución de oxígeno.

I. Estudios mitocondriales:

El estudio del control respiratorio y el efecto de los inhibidores sobre la respiración mitocondrial y la medición de las relaciones de fosforilación: oxidación (P: O) se realizan mejor con electrodos de oxígeno.

ii. Los sitios de acción de los inhibidores del transporte de electrones también se pueden determinar usando un electrodo de oxígeno.

iii. El microorganismo que utiliza oxígeno como aceptor de electrones terminal del transporte de electrones respiratorio se puede estudiar utilizando un electrodo de oxígeno y se puede determinar el efecto de los inhibidores del transporte de electrones.

Las enzimas se estudian fácilmente utilizando un electrodo de oxígeno Clark, siempre que el oxígeno esté involucrado en la reacción. La glucosa oxidasa, la D-aminoácido oxidasa y la catalasa son ejemplos cuyas propiedades pueden estudiarse de esta manera.

Tipo de sonda Electrodo Clark:

Estos se basan en el mismo principio de funcionamiento que el electrodo de rango. Sin embargo, el cátodo y la membrana de retención están dispuestos en el extremo de la sonda para permitir la inserción en una fase líquida. Tiene la desventaja de que no tiene dispositivos de agitación. Tiene una variedad de usos.

Medición de oxígeno en líquidos a granel:

Las concentraciones de oxígeno se controlan de forma rutinaria en los procesos de fermentación, tratamiento de aguas residuales y residuos industriales y en aguas continentales, costeras y oceánicas. Esto implica la variación del electrodo de Clark llamado sensor superior al ras.

El uso clínico temprano del electrodo de oxígeno es medir las máquinas de circulación extracorpórea durante la cirugía a corazón abierto. También se utilizan para realizar pruebas a pacientes que fueron tratados con oxígeno. Se toman pequeñas muestras de sangre del paciente y se mide el contenido de oxígeno en un pequeño pO tipo Clark2 electrodo.

Tipo # 4. El electrodo de disco de hoja:

Si bien el electrodo de oxígeno de rango es ideal para muchas aplicaciones que requieren una medición de oxígeno en muestras acuosas, un electrodo de disco de hoja como el Hanasatech LD2 es más útil si se requiere la medición de oxígeno gaseoso. Dado que la medición de la evolución de oxígeno es una de las formas más fáciles de seguir el proceso fotosintético en las hojas, este instrumento ha encontrado mucha aplicación biológica.

Este dispositivo mide el oxígeno amperométricamente utilizando el mismo principio que el electrodo de rango. Sin embargo, en lugar de ser un recipiente de reacción lleno de líquido, la cámara de reacción está diseñada para permitir que una hoja se mantenga en su lugar y se le proporcione dióxido de carbono saturado (o bicarbonato como fuente de dióxido de carbono). Por lo general, la iluminación la proporciona una serie de diodos emisores de luz (que producen poco calor) y se puede medir el oxígeno emitido por la hoja durante la fotosíntesis.

La calibración de este electrodo es un poco compleja en comparación con el electrodo de rango. Se puede producir una señal de oxígeno cero pasando nitrógeno a través de la cámara de reacción. Una vez que esto se detiene y el aire pasa a través de la cámara, se puede determinar la señal correspondiente al 21% del oxígeno. Sin embargo, en el sistema de cámara cerrada, la cantidad de oxígeno está relacionada con la concentración de oxígeno y con el volumen de la cámara.

En la práctica, debido a que el propio disco de la hoja puede reducir el volumen efectivo de la cámara, la calibración implica inyectar volúmenes conocidos de aire en la cámara y medir la respuesta de voltaje para obtener el volumen efectivo de la cámara y, por lo tanto, una calibración precisa del electrodo.

The leaf disc electrode has been used extensively for the study of the relationship between photosynthetic oxygen evolution under saturating carbon dioxide and the intensity of illumination, enabling calculation of quantum yield, the inclusion of probes to measure emitted fluorescence from the leaf disc at the same time as the oxygen evolutions measurement are made has resulted in a device that provides variety of information.

Applications of these devices are diverse, ranging from studies of micro-propagated plants to those plants suffering from atmospheric pollution. Though leaf disc electrode is clearly designed for whole leaf studies, photosynthetic rates of microalgae have also been studied using theses electrodes.


3 Physarum Neuronas

We represent a Physarum neuron by a physically localized and almost everywhere isolated locus of Physarum, such as the blobs of agar colonized by Physarum in Figure 2a. There is no difference between axons and dendrites in the Physarum analogue models of a neural network, so we use a general term “connection” or “pathway.” A connection is a protoplasmic tube linking two Physarum neuronas. An example is shown in Figure 2a, and the key elements are enhanced in the drawing in Figure 2b. The protoplasmic tube is conductive [9], propagating patterns of calcium waves, electrical potential, and peristaltic waves from one neuron to another.

An undisturbed Physarum exhibits periodic changes, or oscillations, of its surface electrical potential see the example in Figure 2b and further below. A typical normal oscillation of a surface potential has amplitude of 0.1 to 5 mV (sometimes less, depending on the location of the electrodes) and period 1–4 min [39, 41, 43]. The exact pattern of electric potential oscillations depends on the physiological state and age of the Physarum culture and the details of the experimental setup [1]. In 1939 Heilbrunn and Daugherty discovered that the peristaltic activity of protoplasmic tubes is governed by oscillations of electrical potential propagating along the tubes [35]. The exact nature of the correlation between electrical and contractile oscillation of plasmodium is still unclear there is a view that these two oscillations are governed by the same mechanism but may occur independently of each other [59].

The oscillations can be tuned by external electrical stimulation. In the example shown in Figure 3 we stimulated Physarum with triangular waveforms, frequency 0.009 Hz. Physarum oscillations were irregular before stimulation with average amplitude 0.42 mV. After ≈18 min of stimulation with the waveforms, Physarum's oscillatory activity regularized and its average amplitude almost doubled, increasing to 0.74 mV (Figure 3).

Stimulation of Physarum neuron with triangular waveforms. The stimulating waveforms on the graph look distorted due to the low frequency of sampling during recording.

Stimulation of Physarum neuron with triangular waveforms. The stimulating waveforms on the graph look distorted due to the low frequency of sampling during recording.

The oscillatory pattern of a single Physarum neuron is stable, apart from some possible drifts in the baseline potential due to mass transfer of the propagating Physarum. Physarum neurons linked electrically may exhibit high-amplitude spikes. An example of such very low-frequency irregular high-amplitude spikes is shown in Figure 4. Three petri dishes (a single dish is shown in Figure 2a) were connected with electrodes in series, and the potential difference was measured between the two most distant electrodes. Esta Physarum neural network shows a low amplitude of electrical potential oscillations, about 1 mV. High-amplitude spikes were observed at ≈1800 s (13.2 mV), ≈5500 s (16.9 mV), ≈11,500 s (16.7 mV), ≈1200 s (17.6 mV), ≈13,300 s (36.3 mV), ≈14,100 s (44.6 mV), and ≈17,200 s (27.2 mV).

Large-amplitude spiking activity in three pairs of Physarum blobs (Figure 2a) connected in series. Zoomed are domains of normal oscillatory activity.

Large-amplitude spiking activity in three pairs of Physarum blobs (Figure 2a) connected in series. Zoomed are domains of normal oscillatory activity.

Physarum neural networks do not have synapses represented as discrete structural elements. Synaptic-like morphological contacts could not be formed: When two pieces of Physarum are inoculated at a distance from each other, they start exploring the space around them and form branching networks of protoplasmic tubes. When two networks grown from different sites of inoculation come into contact, they usually fuse, forming a single united network. However, there is a functional analogue of synapses that is an intrinsic feature of Physarum protoplasmic tubes and makes any locus of a Physarum network a synapse. This is the memristive property.

A memristor is a resistor with a memory, whose resistance depends on how much current has flowed through the device. Postulated theoretically by Chua in 1971 [25] and implemented practically by Strukov et al. [64], memristors have influenced the recent development of computing circuits [64, 70, 30] and neuromorphic architectures [60, 40, 52, 37, 27, 28].

In laboratory experiments [29] we demonstrated that protoplasmic tubes of acellular slime mold P. polycephalum show current-versus-voltage profiles consistent with memristive systems. Experimental laboratory studies show pronounced hysteresis and memristive effects exhibited by the slime mold. The memristor is an analogue of a synaptic connection [52, 23], and in fact is capable of direct emulation of the temporal dynamics of real-life synapses [38]. As a living memristor, each protoplasmic tube of Physarum is a synaptic element with memory, whose state is modified depending on its presynaptic and postsynaptic activities. As with memristors, several protoplasmic tubes in a Physarum network can form an associative memory network [52]. The synapses shown in Figure 1 correspond to protoplasmic tubes with memristive properties.


Attention-Deficit Hyperactivity Disorder

ADHD is also a developmental disorder characterized by two types of symptoms: (i) inattentiveness and (ii) hyperactivity/impulsiveness. Most cases are diagnosed at the ages of 6� years. Symptoms become particularly noticeable when circumstances change. Moreover, ADHD is commonly comorbid with other psychiatric disorders (e.g., depression and anxiety disorder), causing a substantial burden for patients and their families. Thus far, the medication-based intervention can achieve short-term effects, and the long-term effects of treatment for ADHD remain uncertain (Posner et al., 2020). It is essential to develop novel alternative strategies for treating ADHD.

There are four ADHD-related articles listed in Table 4, and all the studies used EEG for neuroimaging. Event-related potentials (P200 and P300) were employed in two of the papers and were used to evaluate the effects of tDCS (Breitling et al., 2020) and tACS (Dallmer-Zerbe et al., 2020), respectively. The remaining studies extracted functional brain connectivity (Cosmo et al., 2015b), power spectra (Dallmer-Zerbe et al., 2020), and statistical analysis (Cosmo et al., 2015a) as features for examining the neurological changes following tDCS. In all investigations, 20 min of tES therapy at low current intensity (1 mA) was applied. In the tACS study (Dallmer-Zerbe et al., 2020), the authors applied a stimulation with a mean frequency of 3 Hz, delivered from multiple electrodes (anodes: C3, C4, CP3, CP4, P3, and P4) and returned by cathodes at T7, T8, TP7, TP8, P7, and P8 (the distribution of electrodes following the international 10� EEG system). The neurological results following tACS demonstrated that the P300 amplitude significantly increased, accompanied by a decrease in omission errors compared to pre-tACS. Both tDCS studies share the same experimental paradigm (current intensity, duration, and stimulation location), but the results were reversed. The first study (Cosmo et al., 2015b) indicated that resting-state brain connectivity increased in individuals after DLPFC stimulation. The authors of the second study (Cosmo et al., 2015a) found no evidence supporting the capability of tDCS to improve inhibitory control by stimulating the left DLPFC in patients with ADHD performing the go/no–go task. A recent investigation (Breitling et al., 2020) compared the effectiveness of conventional (with one anodal electrode) and high-definition tDCS (with four anodal electrodes) for improving working memory performance, with the anode located near the right inferior frontal gyrus and the cathode placed over the contralateral supraorbital region. The results for working memory behavior were not generally influenced by conventional and high-definition tDCS (HD-tDCS). However, elevated P300 and N200 were observed after conventional and HD-tDCS since the current intensity differed between conventional tDCS (1 mA) and HD-tDCS (0.5 mA). The conclusion, which may be difficult to accept, is that HD-tDCS is equally suitable as conventional tDCS for improving the working memory performance of patients with ADHD. Therefore, comprehensive investigations are required to assess the effectiveness of tES for treating ADHD in the future.

Table 4. Studies and experimental characteristics of tES literature for ADHD.


Action Potential Generation

All living cells generate an electrical potential across their membranes, with the intracellular region relatively negative compared with the extracellular region. 28 This potential difference across the cell membrane is referred to as the resting membrane potential. The development and maintenance of the resting membrane potential can be explained by a simple model.

We can partition a beaker into right and left halves with an impermeable membrane containing multiple closed potassium channels. Assume this membrane separates two different concentrations of a potassium chloride (KCl) solution with a 10-mM concentration on one side and 100-mmol/L concentration on the other (Figure 9-1). 17 Potassium chloride in solution exists as positive potassium (K + ) ions (cations) and negative chloride (Cl – ) ions (anions). A voltmeter (a device that detects potential differences) measuring the two solutions fails to detect a potential difference because there is a lack of physical continuity between the left and right halves of the beaker when the partition’s potassium channels are closed. In other words, the two solutions are electrically independent.

(Redrawn from Dumitru D, Amato AA, Zwarts MJ: Electrodiagnostic medicine, ed 2, Philadelphia, 2002, Hanley & Belfus, with permission.)

If we now open the membrane’s potassium channels, K + cations will flow “down” their concentration gradient from the high (100 mm/L) to low (10 mm/L) ion concentration side of the beaker (see Figure 9-1). The potassium ions will continue this directional flow until there is a balance between (1) the forces of the physical concentration gradient difference driving potassium to the lower-concentration region, and (2) the electrical gradient opposing this directional ion flow. Because there are only potassium channels, the negative chloride ions cannot pass through the membrane and remain on their respective sides of the beaker. As more and more positive potassium ions leave one side of the beaker, there begins to develop an unbalanced or “excess” amount of negative charges (Cl – ) on the high-concentration side of the beaker, with an equal buildup of “excess” positive charges (K + ) on the other side of the beaker. The increasing net negative charge of the beaker half with the increasing number of unbalanced chloride ions begins to make it increasingly difficult for the positive potassium charges to leave the high-concentration side of the beaker. This is because the progressively building net negative charge increasingly attracts those remaining positive potassium ions. Similarly, a growing amount of positive potassium ions on the formerly low potassium concentration side of the beaker begin to increasingly repel additional potassium ions attempting to enter this side of the beaker.


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