Application Note HumSilencerは、信号の歪みを引き起こすことなく
電気的ハムノイズを除去します

  • 取得した信号に歪みがありません
  • 50/60Hzの生体信号を除去しません
  • 50/60Hzのノイズと50/60Hzの生体信号を区別可能
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はじめに

電気ハムノイズは、電気生理実験におけるバックグラウンドノイズの最も一般的な原因です。このノイズは、電源コンセントから供給される電気本管の交流電流（AC）によって発生します。このバックグラウンドノイズは、目的の生物学的シグナルを妨害します。当社では、Axon™ Digidata® 1550シリーズデジタイザのHumSilencer™アダプティブノイズキャンセレーション機能が、様々な電気生理アプリケーションにおいて、50 Hzまたは60 Hzのライン周波数のハムノイズとそれに関連する高周波の高調波を除去することに成功していることを以前に実証しています *1。HumSilencer アルゴリズムが、(a) 取得された生物学的信号を何らかの形で歪ませるのか、(b) 生物学的信号の一部である 50/60 Hz 周波数を除去するのか、(c) 背景干渉に起因する 50/60 Hz 周波数と、生物学的信号内の 50/60 Hz 周波数を区別し、前者のみを除去するのか、という疑問をお持ちのお客様もいらっしゃいます。これらの疑問について、このアプリケーションノートで取り上げます。

実験計画

ハムサイレンサー機能が取得した生物学的信号を歪めるかどうかを調べるため、マウスの屈筋または骨間筋線維から記録したエンドプレート電位と活動電位に対する影響を調べました。2電極ボルテージクランプ記録は、Axon™ Axoclamp™ 900A Microelectrode Amplifierを用いて行いました。エンドツーエンド電位と活動電位は、筋細胞に偏光解消電流パルスをプレーティングすることで誘発しました。得られた信号はDigidata 1550Aの2つのアナログ入力チャンネルに送られ、そのうちの1つはHumSilencer機能を使ってデジタル化されました。これにより、ローデータとHumSilencer機能が使用されたデータとの比較が可能となりました。取得されデジタル化された信号は、エピソード刺激モードを使用して記録され、pCLAMP™ソフトウェアバージョン10.5を使用して解析されました。いくつかの実験条件では、外部ノイズ発生器をヘッドステージの近くに設置し、外来性のライン周波数ノイズを導入しました。誘発されたエンドツーエンド電位と活動電位は、pCLAMPソフトウェアのEvent Detectionプログラムを用いて解析しました。

HumSilencerは電流誘導活動電位を歪めません

偏光解消電流パルス（100nA、100ms）の注入（図1、下パネル）により活動電位列が誘発されました（図1、中パネル）。HumSilencerを有効にすると、スパイクの頻度と振幅の点で、誘発された活動電位トレインの歪みは観察されなかったです（図1、上パネル）。さらに、活動電位列の各スパイクのピーク振幅とピーク振幅の時間を測定しました。ピーク振幅は、ベースライン（静止膜電位）に対するスパイクのピークから測定しました。ピーク振幅の時間は、トレースの始まりに対するスパイクの発生時間から測定しました。表1に示すように、HumSilencerを有効にした場合としなかった場合で得られた活動電位のトレインの各スパイクのピーク振幅とピーク振幅の時間に有意差はなかったです。これらのデータを合わせると、HumSilencer が生物学的信号を歪めないことを示唆しています。

図1. HumSilencer（HS）は電流誘発活動電位を歪めません。一連の活動電位は、記録された筋細胞に偏光解消電流パルスを注入することにより誘発されました（上段はHumSilencer有効データ、中段はローデータ）。注入された電流パルスの大きさは100 nAで、持続時間は100 msです（下のパネル）。筋細胞の静止膜電位は-71mVでした。データ提供：Andrew Voss, PhD., Wright State University。

  1st スパイク

2ndスパイク

 3rdスパイク

4thスパイク

  5thスパイク
  ローデータ HSデータ ローデータ  HSデータ ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ ローデータ  
ピークアンプ (mV)   112.8 112.9 105.3 105.3 103.9 104.0 102.9 103.0 102.2 102.2
ピーク時間(ms) 78.8 78.8 86.9 86.9 95.8 95.8 105.2 105.2 114.9 114.9
  6thスパイク 7thスパイク 8thスパイク 9thスパイク 10thスパイク
  ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ
ピークアンプ (mV) 112.8 112.9 105.3 105.3 103.9 104.0 102.9 103.0 102.2 102.2
ピーク時間(ms) 78.8 78.8 86.9 86.9 95.8 95.8 105.2 105.2 114.9 114.9

表1：ローデータトレースからの各スパイクのピーク振幅とピーク振幅時間の比較と、図1に示したHumSilencer（HS）有効トレースからのスパイクの比較。

HumSilencerは、60 Hzの生体信号を除去しません

HumSilencerアルゴリズムによる60Hz信号/干渉の除去をさらに調べるために、60Hzの終板電位と60Hzの活動電位を、記録した筋細胞に60Hzの一連の偏光解消電流パルスをプレーティングすることによって誘発しました。図2の中段は、周波数60Hzの偏光解消電流パルス（300nA、0.5ms）をプレーティングすることにより、60Hzの終板電位が誘発されたことを示しています（図2下段）。ハムサイレンサーを有効にした場合、誘発された60Hz終板電位の周波数と振幅は変化しなかったです（図2、上図）。さらに偏光解消電流（500nA、0.5ms）（図3、下パネル）を細胞に注入し、60Hzの活動電位を誘発しました（図3、中パネル）。HumSilencerを有効にしても、誘発された60Hzの活動電位に変化は見られなかったです（図3、上パネル）。各イベントのピーク振幅、ピーク振幅の時間、半値幅、立ち上がりタウ、減衰タウ、最大立ち上がり勾配、最大減衰勾配、10％-90％立ち上がり時間、10％-90％立ち上がり勾配、90％-10％減衰時間、90％-10％減衰勾配を測定しました。誘発エンドプレート電位（表2）および活動電位（表3）の測定パラメータには、HumSilencerを有効にしている場合と有効にしていない場合とで有意差はなかったです。

図2：HumSilencer（HS）は60Hzエンドプレート電位を除去しません。記録された細胞に60 Hzの偏光解消電流パルスを連続してプレーティングすることにより、60 Hzの終板電位トレインを誘導しました（上段はHumSilencer有効データ、中段はローデータ）。注入された電流パルスの大きさは300 nAで、持続時間は0.5 msでした（下のパネル）。筋細胞の静止膜電位は-71mVでした。データ提供：Andrew Voss, PhD., Wright State University

  1stスパイク 2ndスパイク 3thスパイク 4thスパイク 5thスパイク
   ローデータ HSデータ  ローデータ HSデータ  ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ
ピークアンプ (mV) 112.2 112.3 112.2 112.3 111.9 112.0 112.0 112.1 111.8 111.9 111.6 111.7
ピーク時間(ms) 76.1 76.1 92.6 92.6 109.2 109.2 125.9 125.8 142.5 142.5 159.2 159.2
半値幅 (ms) 1.5 1.5 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7
立ち上がりタウ (ms) 0.2 0.2 0.3 0.3 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.3 0.2
減衰タウ (ms) 0.9 0.9 1.0 1.0 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1
最大立ち上がり勾配（mV/ms） 476.8 477.7 464.1 465.9 448.2 450.0 444.9 445.5 429.3 429.6 433.9

435.1
最大減衰スロープ（mV/ms） -91.3 -92.2 -75.7 -74.8 -70.8 -70.2 -70.8 -70.2 -68.6 -68.0 -65.6 -66.0
立ち上がり時間 10%-90% (ms) 0.8 0.8 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7
立ち上がり勾配10%～90%（mV/ms） 78.6 78.3 87.3 86.9 93.0 92.6 98.9 98.5 100.3 99.9 97.0 102.9
減衰時間 90%-10% (ms) 4.8 4.8 5.3 5.3 5.7 5.7 6.1 6.1 6.4 6.5 6.5 6.5
減衰スロープ 90～10% (mV/ms) -13.4 -13.3 -12.6 -12.6 -11.2 -11.3 -10.3 -10.3 -9.6 -9.5 -9.3 -9.3

表3：ローデータトレースからの各スパイクの特性と、図3に示すHumSilencer（HS）有効トレースからのスパイクの特性の比較。

HumSilencerは、60 Hzの干渉ノイズは除去しますが、60 Hzの生体信号は除去しません

HumSilencerシステムが60Hz信号を除去することなく60Hzのライン周波数ノイズを除去できるかどうかをテストするために、ヘッドステージの近くにノイズ発生器を置いて、外来性の60Hz干渉を記録システムに導入しました。導入された60Hzの干渉はヘッドステージによってピッキングされ、60Hzの一連の電流パルス（50nA、0.5ms）をプレーティングすることによって誘発された60Hzのエンドプレート電位（図4、中央のパネル）とともに取得されました（図4、下のパネル）。HumSilencerを有効にすると、60Hzの干渉は除去されましたが、60Hzの生物製剤信号は除去されなかったです（図4上段）。誘発エンドプレート電位の各スパイクのピーク振幅の時間を測定したところ、表4に示すように、HumSilencerを有効にした場合としなかった場合で有意差は認められなかったです。

図4：HumSilencer（HS）は60Hzのライン周波数ノイズを除去しますが、60Hzのエンドプレート電位は除去しません。記録された細胞に60 Hzの偏光解消電流パルス（50 nA、0.5 ms）を連続してプレーティングすることで、60 Hzの終板電位を誘発しました（下図）。60Hzエンドプレート電位は、外部ノイズ発生器をヘッドステージの近くにプレーティングすることで、意図的に60Hzの外来ライン周波数干渉で汚染しました（中央パネル）。HumSilencerシステムにより、60Hz信号ではなく、混入した60Hz干渉を除去しました（上段）。筋細胞の静止膜電位は-80mVであった。HumSilencerは全記録中、トップパネルで有効になっていました。データ提供：Andrew Voss, PhD., Wright State University。

  1stスパイク 2ndスパイク 3rdスパイク 4thスパイク 5thスパイク 6thスパイク
  ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ ローデータ HSデータ
ピーク時間(ms) 75.5 75.5 92.1 92.1 108.7 108.7 125.4 125.4 142.1 142.1 158.7 158.7

表4：ローデータトレースからの各スパイクのピーク振幅の時間と、図4に示すHumSilencer（HS）有効トレースからのスパイクの比較。

結論

このアプリケーションノートでは、HumSilencer を使用して、データ取得中に生物学的信号を歪めることなくライン周波数干渉を除去することに関する多くの疑問や懸念にお答えしています。私達の結果は、HumSilencer 自体が取得された生体信号を一切歪めないことを示しています。さらに重要なことは、60Hzのライン周波数干渉は除去しますが、60Hzの生体信号は除去しないということです。これらの結果は、HumSilencer 機能がフィルタリングではなく、取得信号にフィルタリング効果を与えないこと、また Humsilencer システムが周波数変化、振幅減衰、位相シフト、DC 電圧変化などの信号歪みを引き起こさないことを確認するものです。

参考文献

HumSilencer: A smart and simple Axon Digidata 1550 Series feature for eliminating line-frequency noise. Molecular Devices Application Note

Axon Digidata1550B 低ノイズハムサイレンサー付きデータ取得システムについて詳しくはこちら >>

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