Application Note 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

はじめに

多くの電気生理学実験室における大きな課題は、50Hzまたは60Hzのライン周波数ノイズと、それに関連する高周波高調波を除去することである。電気的ハムノイズとも呼ばれるこれらの干渉信号は、主電源の交流（AC）に由来し、電源ソケットやコンセントを経由して研究室に供給される。

ライン周波数ノイズの混入は、目的の生物学的信号を完全に打ち消す可能性があり、高感度な電流や電圧の測定が不可能になる。従って、ライン周波数ノイズの除去は極めて重要である。しかし、この種のノイズを処理する典型的な方法は、時間がかかり、部分的にしか効果がないことがある。研究者がノイズ源を特定し、除去または遮蔽するために長時間のトラブルシューティングに着手する間、実験を一時的に停止する必要がある。ノッチフィルターやオフラインフィルタリング法を採用することもできるが、多くの場合、これらのフィルターベースの方法では電気的ノイズを完全に除去することはできず、状況によっては実際に生体信号を歪ませ、データの精度を損なうこともある。

線周波数ノイズを迅速かつ効果的に除去するために、モレキュラー・デバイスは次世代のデジタイザ、Axon™ Digidata® 1550シリーズ低ノイズデータ収集システム＋HumSilencer™適応型ノイズキャンセリング（特許出願中）を開発しました。Digidata 1550シリーズとHumSilencerは、50Hzまたは60Hzのライン周波数ノイズと関連する高周波高調波を除去するスマートでシンプルな方法を提供します。

ハムサイレンサー機能とは何ですか？

ハムサイレンサー機能は、1 秒以内に入力信号から局所的なライン周波数ノイズ・パターンと関連する高周波高調波を学習して除去する、フィルターなしの高度な適応技術です。ワンクリックで、HumSilencer はライン周波数ノイズのない高感度で正確な電気生理学的データ収集を可能にします。

Digidata 1550 AおよびBデジタイザに内蔵されたHumSilencer機能は、Axon™ pCLAMP™またはAxon™ Axoscopeソフトウェアからアクセスできます。簡単なON/OFFボックスをクリックするだけで、データ収集中にリアルタイムでライン周波数ノイズの減算を有効/無効にできます。

新しいノイズ源の導入や既存のノイズの増加など、ライン周波数ノイズのパターンが変化した場合、HumSilencer は迅速に学習し適応します。新しいノイズは1秒以内に除去され、デジタイザのアナログ入力でピーク・ツー・ピーク20Vまでの振幅を扱うことができます。

ハムサイレンサー機能はフィルターではなく、取得した信号に影響を与えません。また、HumSilencer システムは、周波数変化、振幅、振幅減衰、位相シフト、DC 電圧変化などの信号歪みを起こしません。

ハムサイレンサーによるライン周波数のノイズ除去

ハムサイレンサーのノイズキャンセリング性能を、さまざまなアプリケーションで検証しました。これらのテストでは、Axon™ Axopatch™ 200B、Axon™ MultiClamp™ 700A、またはAxon™ MultiClamp™ 700Bアンプを使用して、全細胞、摘出パッチ、および細胞外電位の記録を行いました。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分割され、HumSilencer機能を用いてアナログ入力チャンネル#0でデジタル化された。これにより、HumSilencer機能が使用されたデータと生データを比較することができる。取得されデジタル化された信号は、pCLAMPソフトウェアバージョン10.5を用いて分析された。レコーディング中にライン周波数ノイズが観測されなかった場合、外部ノイズ発生器をヘッドステージの近くに設置し、外来ライン周波数ノイズを導入した。

添付の図に示されているように、ハムサイレンサー機能は、様々な電気生理学的アプリケーションにおいて、ライン周波数ノイズとそれに関連する高周波高調波を除去する。

シングルチャンネル録音

図1は、Digidata 1550シリーズとHumSilencerのパワーを、最も要求の厳しいアプリケーションの一つであるシングルチャンネル・レコーディングで示したものです。シングル・チャンネル・レコーディングの典型的な電流は、単一から数十ピコアンペア（pA）のオーダーです。40pAのライン周波数ノイズが存在すると、単一チャンネルからの小さな信号は事実上見えなくなります（図1、下段）。しかし、HumSilencerを有効にすると、生体信号が明らかになる（図1、上パネル）。

細胞外集団スパイク記録

Digidata 1550シリーズのHumSilencer機能は、脳スライスからの細胞外電位記録を含む、あらゆるタイプの電気生理学的研究に対応します（図2）。細胞外集団スパイク（PS）の記録中にヘッドステージの近くに外来ノイズ源が置かれると、ベースラインのシフトによって細胞外PSの正確な測定が妨げられます（図2、下パネル）。HumSilencerを有効にすると、ノイズが除去され、ベースラインが平坦になり、細胞外PSを正確に測定できるようになる（図2、上パネル）。

全細胞記録

また、自発性興奮性シナプス後電流（sEPSC）の全細胞記録において、Digidata 1550シリーズとHumSilencerを検証した。図3の下のパネルでは、線虫体壁筋細胞からのsEPSCsの全細胞記録から、自然に発生する線周波数ノイズが生物学的シグナルを部分的に不明瞭にしている。HumSilencer機能によってライン周波数ノイズが取り除かれて初めて、生物学的シグナルが可視化され、正確に測定できるようになる（図3、上段）。

切除したパッチからの録音

ここで示す最後の検証は、電圧ステップに応答したHEK細胞からのインサイドアウト切除パッチの巨視的内因性電流記録である（図4）。図4の下のパネルは、誘発された巨視的電流が60Hzのライン周波数ノイズで汚染されていることを示している。図4の上のパネルでは、HumSilencerシステムにより、混入した強固なライン周波数ノイズが効果的に除去されている。

結論

ここでは、Digidata 1550シリーズのHumSilencer機能のパワーを実証し、4つの異なるアプリケーションでその有効性を検証しました。これは、HumSilencerを用いた迅速なライン周波数ノイズ除去の恩恵を受けるアプリケーションのほんの一部に過ぎません。全細胞パッチクランプであれ細胞外記録であれ、事実上すべての電気生理学的研究がこの機能を利用できると期待している。HumSilencer は 50 Hz と 60 Hz の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より、一時的な実験ワークフローの停止のリスクを防ぐだけでなく、ノイズ源を追跡する必要性をなくすことにより時間の節約にもなります。HumSilencer により、非常に小さな信号でも正確に検出できるようになり、高感度で正確なデータ収集が可能になります。

スマートでシンプル、そしてパワフルなDigidata 1550シリーズとHumSilencerは、電気生理学データ収集に新たなレベルの容易さと信頼をもたらします。

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