Application Note ハムサイレンサーは、信号の歪みを引き起こすことなく、
電気的なハムノイズを除去します

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ある。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）によって発生する。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。これらの疑問は、このアプリケーションノートで取り上げる。

実験デザイン

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を用いて行った。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った。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た。

HumSilencerは電流誘導活動電位を歪めない

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（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。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る。

ヒュムサイレンサーは60Hzの生物製剤信号を除去するものではありません。

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る（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（図2、上図）。さらに偏光解消電流（500nA、0.5ms）（図3、下パネル）をセルに注入し、60Hzの活動電位を誘発した（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（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。

ハムサイレンサーは60Hzの干渉を除去しますが、60Hzの生物製剤の信号は除去しません。

ハムサイレンサーシステムが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の干渉は除去されたが、60Hzの生物製剤信号は除去されなかった（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。

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。我々の結果は、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するが、60Hzの生体信号は除去しないということである。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ある。

参考文献

ハムサイレンサー： スマートでシンプルな Axon Digidata 1550 シリーズのライン周波数ノイズ除去機能。Molecular Devicesアプリケーションノート

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