Diseño modular de instrumentación virtual para la manipulación y el ...

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<ul><li><p>Revista Mexicana de Ingeniera Biomdica volumen XXVII nmero 2 Diciembre 200682</p><p>edigraphic.com</p><p>ARTCULO DE INVESTIGACIN ORIGINALSOMIB</p><p>REVISTA MEXICANA DEINGENIERA BIOMDICA</p><p>Vol. XXVII, Nm. 2Diciembre 2006</p><p>pp 82 - 92</p><p>RESUMEN</p><p>El inters de la electrofisiologa por estudiar las propiedades elctri-cas de las neuronas radica en descubrir cmo se realiza la transfe-rencia y el almacenamiento de la informacin en el cerebro, mien-tras que el inters de la ingeniera busca utilizar a la neurona comoun patrn a imitar en la arquitectura de las computadoras y de lasredes neuronales. Existen diferentes tcnicas para dilucidar las pro-piedades elctricas de las neuronas as como la forma en la cual secomunican unas con otras. Las ms comunes son las tcnicas de: elregistro intracelular, el registro de campo, el registro en fijacin decorriente y el registro en fijacin de voltaje en clula entera. La ten-dencia comercial es la de desarrollar sistemas compuestos por hard-ware y software, con los cuales slo es posible utilizar una de estastcnicas. Esta tendencia incrementa el costo de la investigacin. Elproyecto presentado en este trabajo, llamado DENDRON, es unaherramienta flexible que se puede utilizar con todas las tcnicasmencionadas. Cuenta con dos generadores de funciones y cuatrocanales de entrada, adems de que permite realizar el anlisis enlnea de distintos protocolos usados en la electrofisiologa. Los datosadquiridos y los resultados de los anlisis pueden ser almacenadosdirectamente en el disco duro. El diseo modular del software, haceque ste pueda adaptarse a los requerimientos especficos del usua-rio sin la necesidad de hacer modificaciones drsticas ni de adquirirequipo nuevo.</p><p>Palabras clave:Registros electrofisiolgicos, instrumentacin virtual, anlisis en lnea,diseo modular.</p><p>ABSTRACT</p><p>The electrophysiology interest in the electrical properties of neurons isbased on discover the way in which the brain stores and transfers theinformation, while the engineering interest tries to use the neuron as apattern for the creation of neural networks and computer design. The-re are different techniques for studying the neuronal intrinsic proper-ties as well as the form in which neurons establish connections bet-ween them. The more common are: the intracellular recording, thefield recording, and the voltage-clamp and current-clamp whole cellrecording techniques. There is a commercial tendency for develophardware and software systems, which only use one of these techni-ques, increasing the cost of basic research. The present project: ca-</p><p>Diseo modular de instrumentacin virtual para lamanipulacin y el anlisis de sealeselectrofisiolgicas</p><p>Lemus-Aguilar I.,* Bargas J.,*Tecuapetla F.,* Galrraga E.,*</p><p>Carrillo-Reid L.*</p><p>* Departamento de Biofsica,Instituto de Fisiologa Celular,Universidad Nacional Autnoma deMxico, Mxico D.F., Mxico.</p><p>Correspondencia:Carrillo-Reid L.Instituto de Fisiologa Celular, UNAM.Departamento de Biofsica.PO Box 70-253, Mxico D.F., 04510.Tel: 56 22 56 15.Fax: 56 22 57 47.E-mail: carrillo@ifc.unam.mx</p><p>Artculo recibido: 11/agosto/2006Artculo aceptado: 27/noviembre/2006</p><p>Artemisamedigraphic en lnea</p><p>http://www.medigraphic.com/espanol/e1-indic.htmhttp://www.medigraphic.com/medi-artemisa</p></li><li><p>83Lemus-Aguilar I. y cols. Diseo modular de instrumentacin virtual para la manipulacin y el anlisis de seales electrofisiolgicas</p><p>edigraphic.com</p><p>SUSTRADODE-M.E.D.I .G.RSUSTRADODE-M.E.D.I .G.RSUSTRADODE-M.E.D.I .G.RSUSTRADODE-M.E.D.I .G.RSUSTRADODE-M.E.D.I .G.R.A.P.A.P.A.P.A.P.A.P.H.H.H.H.H. I .C.I .C.I .C.I .C.I .C</p><p>:ROP ODAROBALE FDP:ROP ODAROBALE FDP:ROP ODAROBALE FDP:ROP ODAROBALE FDP:ROP ODAROBALE FDP</p><p>VC ED AS, CIDEMIHPVC ED AS, CIDEMIHPVC ED AS, CIDEMIHPVC ED AS, CIDEMIHPVC ED AS, CIDEMIHPARGARGARGARGARG</p><p>ARAPARAPARAPARAPARAP</p><p>AAAAACIDMOIB ARUTCIDMOIB ARUTCIDMOIB ARUTCIDMOIB ARUTCIDMOIB ARUTARETIL :CIHPARETIL :CIHPARETIL :CIHPARETIL :CIHPARETIL :CIHPARGIDEMARGIDEMARGIDEMARGIDEMARGIDEM</p><p>INTRODUCCIN</p><p>El estudio de las clulas, y sus relaciones dinmi-cas con el medio ambiente es el objetivo funda-mental de la biologa experimental. Las clulas sen-sor ia les son los receptores de las sealesprocedentes del exterior y del interior del cuerpode los sistemas vivos pluricelulares. Las vas de con-duccin y los centros de descodificacin que pro-cesan estas seales constan tambin de clulasespecializadas conocidas como clulas nerviosaso neuronas1.</p><p>Para conocer las propiedades elctricas y fisiol-gicas de las neuronas se han desarrollado diversosmtodos electrofisiolgicos tales como: el registrointracelular, el registro de campo, el registro unitarioextracelular, as como el registro en fijacin de co-rriente y en fijacin de voltaje de la clula entera2 ode regiones subcelulares tales como las terminalessinpticas o las dendritas. La importancia de enten-der la maquinaria fina de las neuronas, esto es, lascorrientes que dictan su comportamiento y la for-ma en la cual se conectan unas con otras, radicaen que ahora existe la posibilidad, gracias al desa-rrollo de supercomputadoras, de realizar modelosbiolgicos ms realistas del cerebro, lo cual nospermitir comprender la funcin cerebral en condi-ciones normales y patolgicas3.</p><p>El mtodo de registro en clula entera sirve paramedir la actividad elctrica intrnseca de las neuro-nas, es decir, los potenciales de accin o las dife-rentes corrientes transmembranales que se gene-ran en las clulas durante la actividad elctrica oexcitabilidad. Para ello se utiliza una micropipeta devidrio que contiene una solucin salina similar al l-quido intracelular y un filamento de plata cubiertocon una capa de cloruro de plata que conectadicha solucin con los instrumentos electrnicos. Lamicropipeta conecta a la neurona fsicamente conel sistema de registro. Un preamplificador se encar-ga de acondicionar la seal biolgica para que</p><p>pueda ser registrada de manera conveniente. steest conectado a un amplificador.</p><p>Los amplificadores que se utilizan comnmenteen el registro electrofisiolgico son comerciales. Hayamplificadores para realizar: fijacin de voltaje, fija-cin de corriente4 o ambas. Cabe resaltar que los</p><p>lled DENDRON is a flexible tool that can be used with all the abovetechniques. It has two function generators and four input channels,even it allows the user to realize the on-line analysis of different proto-cols used commonly in electrophysiology. The acquired data andthe analysis results are stored in the hard disk. The modular design ofthe software makes it easy adaptable for specific user requirementswithout drastic modifications nor new hardware.</p><p>Key Words:Electrophysiological recordings, Virtual instrumentation, On-line analy-sis, Modular design.</p><p>Figura 1. Registro en clula entera. A. Fotografa de unaneurona mientras est siendo registrada. B. Representa-cin esquemtica del mtodo de registro: la punta de unapipeta de vidrio es puesta en contacto con la membranacelular, se aplica presin negativa con lo cual se obtieneun sello de alta resistencia entre la neurona y la micropipe-ta, finalmente al aplicar ms succin se establece un con-tacto fsico entre el sistema de registro y el interior de laneurona. C. Registro en fijacin de corriente de una neuro-na de proyeccin del neoestriado de la rata. D. Protocolode estimulacin utilizando la tcnica de registro en clulaentera en fijacin de corriente. E. Protocolo de estimula-cin utilizando la tcnica de registro en clula entera enfijacin de voltaje.</p><p>A B</p><p>C20 mV</p><p>2 sec</p><p>D E20 mV50 ms</p><p>100 pA</p><p>50 ms</p><p>100 pA 20 mV</p></li><li><p>Revista Mexicana de Ingeniera Biomdica volumen XXVII nmero 2 Diciembre 200684</p><p>edigraphic.com</p><p>amplificadores de fijacin de corriente o de fijacinde voltaje slo manejan comandos de voltaje, esdecir, las entradas que pueden recibir y las salidasque pueden generar son nicamente seales devoltaje, las cuales pueden ser interpretadas comocorrientes por medio de factores especificados porel fabricante. Por lo tanto siempre que se hable deinyeccin de corriente en el presente trabajo, esnecesario pensar en que se genera un comandode voltaje (por medio de un dispositivo externo co-nectado al amplificador) que el amplificador con-vierte a corriente; as mismo cuando se hable deregistro de corriente, habr que tener en cuentaque el amplificador convierte dicha corriente en unaseal de voltaje a travs de un factor de salida.</p><p>Cuando las neuronas a registrar se mantienen enel tejido nervioso para preservar sus circuitos (e.g.,preparacin de rebanadas de cerebro), es nece-sario el uso de la microscopia con iluminacin infra-rroja e interferencia de fase para poder observarlasa travs del tejido. As, son visualizadas en un moni-tor por medio de una cmara de video acopladaal microscopio (Figura 1A). Con ayuda de un mani-pulador mecnico de precisin, la punta de la mi-cropipeta es acercada a la neurona hasta estar encontacto con su membrana. Aplicando presinnegativa, el vidrio se adhiere a la membrana celu-lar hasta generar un sello de alta resistencia entre lamembrana y la micropipeta. Una vez que se ha rea-lizado el sello entre el electrodo y la neurona, seaplica ms presin negativa para romper una pe-quea parte de la membrana con lo cual se obtie-ne comunicacin directa con el lquido intracelular,esto es, el registro en clula entera. Es entoncescuando la neurona es estimulada por medio depulsos de corriente o comandos de voltaje paramedir su actividad electrofisiolgica5 (Figura 1B).</p><p>Utilizando el mtodo de fijacin de corriente pue-de registrarse la actividad espontnea de una neu-rona (Figura 1C) o pueden aplicarse pulsos de co-rriente con una amplitud y una duracin conocidaspara medir los cambios del potencial transmem-branal causado por las corrientes inyectadas (Figu-ra 1D). Este tipo de experimento permite conocerel comportamiento fisiolgico de las neuronas.</p><p>En un experimento de fijacin de voltaje se con-trola el potencial de membrana de la neurona y semide la corriente necesaria para mantener dichopotencial. Tambin pueden aplicarse comandos devoltaje con una amplitud y una duracin determi-nadas, con lo que se logran registrar las corrientesque se activan y pasan a travs de la membranacelular a los diferentes voltajes de membrana (Figu-</p><p>ra 1E), denominadas corrientes dependientes devoltaje. Idealmente, la fijacin de voltaje elimina lacorriente capacitiva generada por las propiedadesdielctricas de la membrana celular, y permite ob-tener directamente las corrientes transmembrana-les que pasan por los canales inicos situados en lamembrana de la neurona. La corriente que fluye esnicamente proporcional a la conductancia de lamembrana, esto es, al nmero de canales activosen ese momento, por lo que se tiene un controlsobre la llave que determina la apertura y el cierrede los canales inicos6. Esto permite dilucidar qucorrientes inicas, subumbrales y supraumbralescontrolan el disparo y la actividad neuronal en con-diciones fisiolgicas (Figuras 1C, D).</p><p>En muchos laboratorios que no cuentan con losrecursos necesarios para comprar un sistema deadquisicin de datos comercial, los registros obte-nidos son desplegados en un osciloscopio de doscanales donde se muestran el potencial de mem-brana y las corrientes inicas, respectivamente. Deesta forma pueden ser visualizadas las respuestasde las clulas ante los diferentes estmulos. Estosregistros generalmente son digitalizados y grabadosen cintas de video para su anlisis posterior5.</p><p>Los instrumentos tradicionales como osciloscopioso generadores de funciones estn diseados ni-camente para realizar tareas especficas, debido aello los usuarios deben adaptarse a los parmetrosestablecidos y no tienen la oportunidad de exten-der o modificar las capacidades del sistema. Lasperillas y los botones del instrumento, los circuitosque lo forman, y las funciones disponibles son es-pecficas para las caractersticas intrnsecas del apa-rato, adems de que deben ser desarrollados com-ponentes costosos y tecnologa especial paraconstruirlos, lo cual hace de ellos instrumentos ca-ros y de difcil adaptacin.</p><p>En contraste, los instrumentos virtuales, basadosen las computadoras, pueden tomar ventaja de losbeneficios de las crecientes tecnologas incorpora-das al software y al hardware tales como la capaci-dad de almacenamiento de datos o la velocidadde procesamiento, incluyendo los nuevos sistemasoperativos con todas las opciones de comunica-cin e intercambio de datos. Aunado a ello, unaaplicacin ejecutada en una computadora porttilpuede ser desplazada con gran facilidad7. Los ins-trumentos virtuales representan un gran avancedesde la instrumentacin basada en hardware ha-cia la instrumentacin basada en software, debidoa que esta ltima permite explotar todas las carac-tersticas de productividad, despliegue de datos y</p></li><li><p>85Lemus-Aguilar I. y cols. Diseo modular de instrumentacin virtual para la manipulacin y el anlisis de seales electrofisiolgicas</p><p>edigraphic.com</p><p>SUSTRADODE-M.E.D.I .G.RSUSTRADODE-M.E.D.I .G.RSUSTRADODE-M.E.D.I .G.RSUSTRADODE-M.E.D.I .G.RSUSTRADODE-M.E.D.I .G.R.A.P.A.P.A.P.A.P.A.P.H.H.H.H.H. I .C.I .C.I .C.I .C.I .C</p><p>:ROP ODAROBALE FDP:ROP ODAROBALE FDP:ROP ODAROBALE FDP:ROP ODAROBALE FDP:ROP ODAROBALE FDP</p><p>VC ED AS, CIDEMIHPVC ED AS, CIDEMIHPVC ED AS, CIDEMIHPVC ED AS, CIDEMIHPVC ED AS, CIDEMIHPARGARGARGARGARG</p><p>ARAPARAPARAPARAPARAP</p><p>AAAAACIDMOIB ARUTCIDMOIB ARUTCIDMOIB ARUTCIDMOIB ARUTCIDMOIB ARUTARETIL :CIHPARETIL :CIHPARETIL :CIHPARETIL :CIHPARETIL :CIHPARGIDEMARGIDEMARGIDEMARGIDEMARGIDEM</p><p>conectividad de las computadoras, adems de quelos sistemas desarrollados satisfacen exactamentelas necesidades definidas por el usuario a diferen-cia de los instrumentos tradicionales que tienen fun-ciones establecidas por el vendedor.</p><p>El nuevo sistema, presentado en este trabajo,busca obtener un mejor uso de los recursos, ascomo tener un mejor control sobre las seales deestimulacin y las respuestas adquiridas. Por otrolado, al sustituir el equipo usado comnmente en laelectrofisiologa se crear un sistema ms flexible yeconmico que permitir una adaptacin ms sen-cilla para satisfacer nuevos requerimientos, comoun mayor nmero de canales de entrada o la ge-neracin de seales definidas por el usuario. Con elnuevo sistema se elimina el uso del osciloscopio, elgenerador de funciones, el digitalizador y la graba-dora de video, sustituyendo todos estos elementospor una computadora, un programa ejecutabledesarrollado con LabVIEW MR: llamado DENDRON, yuna tarjeta comercial de adquisicin de datos.</p><p>Generalmente, el anlisis de los datos adquiridosse realiza das despus del experimento, cuandoya no es posible modificar ninguna condicin. Unade las ventajas de DENDRON es la realizacin dedistintos tipos de anlisis en lnea, lo cual permiteconocer en el instante en que se lleva a cabo elexperimento si el protocolo utilizado es el ptimo.</p><p>Existen varios sistemas comerciales que se utilizanpara el registro electrofisiolgico como: pClamp MR</p><p>y Brain wave MR, entre otros. Su costo oscila entre losocho y los veinte mil dlares, ya que es necesariocomprar software y hardware, adems de que es-tn diseados para utilizarse preferencialmente conuna determinada tcnica de registro. Pa...</p></li></ul>

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