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Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on ...

University of Michigan 

Knowing of the spatial extent of neural activation around extracellular stimulating electrodes is necessary to ensure that only the desired neurons are activated or to determine which neurons are responsible for an observed response. Various approaches have been used to estimate the current-distance relationship and thereby the spatial extent of activation resulting from extracellular stimulation. However, these approaches all require underlying assumptions and simplifications, and since the actual extent of activation cannot be directly measured, the impact of deviations from these assumptions cannot be determined. We implemented a computer-based model of excitation of a population of nerve fibers and used the model to evaluate a range of approaches proposed for measuring the spatial extent of neural activation. The estimates with each method were compared with measurements of the true spatial extent of activation that were accessible in the simulations to quantify the accuracy of the estimates and to determine the dependence of accuracy on measurement parameters (interelectrode distance, stimulation amplitude, noise). A newly proposed method, based on the refractory interaction technique, provided the most accurate and most robust estimates of the spatial extent of neural activation.

Computational evaluation of methods for measuring the spatial extent of neural activation.

Connaissant l&#39;&eacute;tendue spatiale d&#39;activation neurale autour des &eacute;lectrodes de stimulation extracellulaires est n&eacute;cessaire pour s&#39;assurer que seulement les neurones souhait&eacute;es sont activ&eacute;es ou pour d&eacute;terminer quels neurones sont responsables d&#39;une r&eacute;action observ&eacute;e. Diff&eacute;rentes approches ont &eacute;t&eacute; utilis&eacute;es pour estimer la relation courant-distance et entra&icirc;nant ainsi l&#39;&eacute;tendue spatiale de l&#39;activation de la stimulation extracellulaire. Cependant, ces approches toutes n&eacute;cessitent des hypoth&egrave;ses sous-jacentes et des simplifications, et &eacute;tant donn&eacute; que l&#39;&eacute;tendue r&eacute;elle de l&#39;activation ne peut pas &ecirc;tre mesur&eacute;e directement, l&#39;impact des &eacute;carts par rapport &agrave; ces hypoth&egrave;ses ne peut &ecirc;tre d&eacute;termin&eacute;e. Nous mis en place un mod&egrave;le informatis&eacute; d&#39;excitation d&#39;une population de fibres nerveuses et utilis&eacute; le mod&egrave;le pour &eacute;valuer un &eacute;ventail d&#39;approches propos&eacute;es pour mesurer l&#39;&eacute;tendue spatiale d&#39;activation neurale. Les estimations avec chaque m&eacute;thode ont &eacute;t&eacute; compar&eacute;es avec les mesures de la v&eacute;ritable ampleur spatiale d&#39;activation qui &eacute;taient accessibles dans les simulations de quantifier la pr&eacute;cision des estimations et de d&eacute;terminer la d&eacute;pendance de l&#39;exactitude des param&egrave;tres de mesure (distance inter&eacute;lectrode, amplitude de stimulation, bruit). Une m&eacute;thode nouvellement propos&eacute;e, bas&eacute;e sur la technique d&#39;interaction r&eacute;fractaires, a fourni les estimations plus pr&eacute;cises et plus robustes de l&#39;&eacute;tendue spatiale d&#39;activation neurale.

Computational &eacute;valuation de m&eacute;thodes pour mesurer l&#39;&eacute;tendue spatiale d&#39;activation neurale.

Conoscendo l&#39;estensione spaziale di attivazione neurale intorno extracellulari elettrodi di stimolazione &egrave; necessaria per assicurare che siano attivati solo i neuroni desiderati o per determinare quali neuroni sono responsabili di una risposta osservata. Vari approcci sono stati utilizzati per stimare la relazione corrente-distanza e quindi l&#39;estensione spaziale di attivazione risultante dalla stimolazione extracellulare. Tuttavia, questi approcci tutti richiedono assunzioni e semplificazioni sottostanti, e poich&eacute; la misura reale di attivazione non pu&ograve; essere misurata direttamente, l&#39;impatto delle deviazioni da queste ipotesi non pu&ograve; essere determinato. Abbiamo implementato un modello computerizzato di eccitazione di una popolazione di fibre nervose e utilizzato il modello per valutare una vasta gamma di approcci proposti per misurare l&#39;estensione spaziale di attivazione neurale. Le stime con ogni metodo sono state confrontate con misurazioni della vera estensione spaziale di attivazione che erano accessibili nelle simulazioni per quantificare la precisione delle stime e per determinare la dipendenza di precisione i parametri di misurazione (distanza interelectrode, ampiezza di stimolazione, rumore). Metodo recentemente proposto, basato sulla tecnica di interazione refrattario, fornito le stime pi&ugrave; accurate e pi&ugrave; robuste della misura spaziale di attivazione neurale.

Calcolo valutazione dei metodi per misurare l&#39;estensione spaziale di attivazione neurale.

It is important to know the spatial extent of neural activation around the stimulating electrodes when using extracellular electrical stimulation for the determination of the structure and function of neural circuit connections or for the restoration of function. The current-distance relationship quantifies the relationship between the threshold current for excitation of a neuron, I(th), and the distance between the electrode and the neuron, r, with two parameters: the offset, I(0), and the current-distance constant, k, with a quadratic equation, I(th)(r) = I(0) + kr(2). We proposed a new method to determine the parameters of the current-distance relationship, and thereby estimate the spatial extent of activation, based on the refractory interaction technique. Refractory interaction is a method that exploits the interaction between the regions of activation produced by two electrodes, when the second stimulus is delivered while neurons activated by the first electrode are in their refractory period. Computer simulations of electrical stimulation of a population of nerve fibers were used to determine the accuracy of the method. The mean relative error in k was 19% and in I(0) was 17%, and the spatial extent of stimulation could be determined with an absolute error of 19 microm and a relative error less than 11%. Subsequently, the method was applied to measure the current-distance properties of peripheral motor nerve fibers and indicated that k = 27 microA mm(-2) and I(0) = 49 microA. This method provided robust estimates of the current-distance properties, and provides a means to determine the spatial extent of activation by extracellular stimulation.

Measurement of the current-distance relationship using a novel refractory interaction technique.

Il est important de conna&icirc;tre l&#39;&eacute;tendue spatiale d&#39;activation neurale autour des &eacute;lectrodes de stimulation lors de l&#39;utilisation de la stimulation &eacute;lectrique extracellulaire pour la d&eacute;termination de la structure et la fonction des raccordements de circuits neuronaux ou pour la restauration de la fonction. La relation courant-distance quantifie la relation entre le courant d&#39;excitation d&#39;un neurone, I(th) et la distance entre l&#39;&eacute;lectrode et le neurone, r, avec deux param&egrave;tres de seuil : l&#39;offset, int&eacute;gr&eacute; et la constante de courant-distance, k, avec une &eacute;quation quadratique, I(th)(r) = int&eacute;gr&eacute; + kr(2). Nous avons propos&eacute; une nouvelle m&eacute;thode pour d&eacute;terminer les param&egrave;tres de la relation courant-distance et ainsi estimer l&#39;&eacute;tendue spatiale de l&#39;activation, bas&eacute;e sur la technique d&#39;interaction r&eacute;fractaire. Interaction r&eacute;fractaire est une m&eacute;thode qui exploite l&#39;interaction entre les r&eacute;gions d&#39;activation produit par deux &eacute;lectrodes, quand le second stimulus est livr&eacute; alors que les neurones activ&eacute;s par la premi&egrave;re &eacute;lectrode sont dans leur p&eacute;riode r&eacute;fractaire. Des simulations informatiques de la stimulation &eacute;lectrique d&#39;une population de fibres nerveuses ont &eacute;t&eacute; utilis&eacute;es pour d&eacute;terminer l&#39;exactitude de la m&eacute;thode. L&#39;erreur relative moyenne dans k &eacute;tait de 19 % et en int&eacute;gr&eacute; &eacute;tait de 17 %, et l&#39;&eacute;tendue spatiale de la stimulation peut &ecirc;tre d&eacute;termin&eacute;e avec une erreur absolue de microm 19 et une erreur relative inf&eacute;rieure &agrave; 11 %. Par la suite, la m&eacute;thode a &eacute;t&eacute; appliqu&eacute;e pour mesurer les propri&eacute;t&eacute;s de courant-distance du p&eacute;riph&eacute;riques fibres nerveuses motrices et indiqu&eacute; que k = 27 microA mm(-2) et int&eacute;gr&eacute; = 49 microA. Cette m&eacute;thode a fourni des estimations robustes des propri&eacute;t&eacute;s courant-distance et fournit un moyen de d&eacute;terminer l&#39;&eacute;tendue spatiale de l&#39;activation par la stimulation extracellulaire.

Mesure de la relation courant-distance &agrave; l&#39;aide d&#39;une technique nouvelle interaction r&eacute;fractaire.

&Egrave; importante conoscere l&#39;estensione spaziale di attivazione neurale intorno gli elettrodi stimolanti quando si utilizza la stimolazione elettrica extracellulare per la determinazione della struttura e funzione delle connessioni neurali circuito o per il ripristino della funzione. La relazione corrente-distanza quantifica il rapporto tra la soglia di corrente di eccitazione di un neurone, I(th) e la distanza tra l&#39;elettrodo e il neurone, r, con due parametri: l&#39;offset, I(0) e la corrente a distanza costante, k, con un&#39;equazione quadratica, I(th)(r) = I(0) + kr(2). Abbiamo proposto un nuovo metodo per determinare i parametri del rapporto corrente-distanza e quindi valutare l&#39;estensione spaziale di attivazione, basato sulla tecnica interazione refrattario. Interazione refrattario &egrave; un metodo che sfrutta l&#39;interazione tra le regioni di attivazione prodotto da due elettrodi, quando il secondo stimolo &egrave; consegnato mentre i neuroni attivati dal primo elettrodo sono nel loro periodo refrattario. Le simulazioni al computer di stimolazione elettrica di una popolazione di fibre nervose sono state utilizzate per determinare la precisione del metodo. L&#39;errore medio relativo in k era 19% e in I(0) era del 17%, e l&#39;estensione spaziale di stimolazione pu&ograve; essere determinata con un errore assoluto di microm 19 e un errore relativo a meno di 11%. Successivamente, il metodo &egrave; stato applicato per misurare le propriet&agrave; di corrente-distanza delle fibre del nervo motore periferici e indicato che k = 27 microA mm(-2) e I(0) = 49 microA. Questo metodo fornito stime robuste delle propriet&agrave; corrente-distanza e fornisce un mezzo per determinare l&#39;estensione spaziale di attivazione da stimolo extracellulare.

Mohammad Reza Hashemi

Electrical Engineering and Computer Science Department

University of Michigan

Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

Mohammad Reza Hashemi

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University of Michigan

Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

Electrical Engineering and Computer Science Department