Caracterización del comportamiento eléctrico pasivo de tejidos excitables y no excitables de roedor utilizando la técnica de interrupción de corriente y medidas de impedancia

El interés biológico en el conocimiento del comportamiento eléctrico pasivo de los tejidos reside en la determinación de su estado fisiológico. Una forma de caracterizar dicho comportamiento eléctrico consiste en la obtención secuencial de medidas de impedancia eléctrica: la impedancia se mide a una frecuencia determinada hasta cubrir un rango de frecuencias de interés (espectroscopía de impedancia eléctrica). En este caso, la obtención del espectro de impedancia consume un tiempo que puede ser crítico cuando se analizan estados tisulares que cambian muy rápidamente y que, por tanto, no pueden considerarse invariantes en el tiempo durante el período de adquisición de la medida. Por tanto, la obtención rápida de medidas eléctricas supone una estrategia para la monitorización en tiempo real del estado fisiológico de los tejidos y detección de cambios rápidos, y además el medio biológico se encuentra menos tiempo perturbado. En la actualidad, las ideas o técnicas de la teoría de circuitos han trascendido a otras ramas de la ciencia como, por ejemplo, su aplicación en biofísica y bioelectricidad, resultando cruciales en la explicación y resolución de sus propios problemas. Además, la introducción de herramientas matemáticas avanzadas, como el cálculo diferencial e integral de orden no entero, permiten describir matemáticamente el comportamiento de componentes y circuitos eléctricos complejos. En el presente trabajo de investigación, se han obtenido circuitos eléctricos equivalentes (EECs) de tejidos biológicos de roedor, tanto ex vivo (tejidos extraídos del animal después de la perfusión y el sacrificio) como in vivo (con el animal anestesiado), mediante la técnica de interrupción de corriente. Las propiedades capacitivas del tejido se modelan utilizando el elemento eléctrico distribuido denominado "elemento de fase constante" (CPE), por lo que se hace necesaria la introducción del cálculo fraccionario para la estimación de los parámetros eléctricos. Específicamente, se ha analizado la potencialidad de la técnica de interrupción de corriente en la monitorización in vivo y detección de diferencias en los parámetros eléctricos de tejidos excitables responsables de la función motriz -médula espinal y músculos estriados-. Dicho estudio supone un paso previo a analizar sus usos potenciales en las lesiones de la médula espinal, tanto en lo referente a la recuperación funcional como en lo que atañe a la mejora técnica en el diagnóstico clínico del déficit sensitivo y motor en sí. Los resultados obtenidos suponen un avance en el conocimiento de las propiedades eléctricas específicas y diferenciales del tejido neural, ya que permitirían optimizar el diseño de las neuroprótesis implantables crónicamente y mejorar la bioseguridad y eficacia de los protocolos de estimulación eléctrica. Finalmente, con vistas a su aplicación en la caracterización del comportamiento eléctrico pasivo de tejidos biológicos, se propone una generalización del método de inyección súbita de carga (método "culostático") utilizando un CPE. El Capítulo 2 presenta algunos aspectos específicos sobre teoría de circuitos y bioimpedancia que son de interés en el presente trabajo de investigación. Se analiza el CPE, su tratamiento matemático en el dominio del tiempo y la respuesta natural de circuitos resistivos que contienen un CPE actuando como condensador fraccionario. El Capítulo 3 establece los objetivos que se persiguen en la presente investigación. En el Capítulo 4 se incluyen los artículos en revistas indexadas (JCR) a los que ha dado lugar el presente trabajo de investigación, así como una discusión conjunta. El Capítulo 5 presenta las conclusiones alcanzadas y futuras líneas de trabajo

Filter design method based network transmission lines for monophasic topology with technology BPL

La geometría y configuración de una topología monofásica utilizada como canal para señales de comunicación, se habilita como línea de transmisión en parámetros distribuidos y se caracteriza con funciones de transferencia, para operar a frecuencias entre 1,8 MHz y 30 MHz, que corresponde al ancho de banda de un sistema con tecnología BPL. Para determinar, modelar y diseñar los diferentes tipos de filtros que puedan presentar los canales que establecen las cargas derivadas de una topología monofásica modelada en líneas de transmisión para una vivienda, se utilizan técnicas de síntesis de redes, que reproducen las funciones de transferencia de los canales, en parámetros concentrados. En el evento de presentarse un filtro en el canal que establece la carga derivada más alejada de la fuente BPL, se verifica su operación, reemplazando la carga derivada por el filtro estimado. El comportamiento esperado en la función de transferencia del canal con el reemplazo, infiere sobre la existencia de resultados similares en cuanto a relación Señal a Ruido y Capacidad de Canal, que validen el método propuesto. Palabras Claves: comunicación por línea de potencia.The geometry and configuration of a monophasic topology used as channel for communication signals is enabled as transmission line in distributed parameters and is characterized by trans- fer functions, to operate at frequencies between 1.8 MHz and 30 MHz, which corresponds to bandwidth a system with BPL technology. To determine, to model and design the different types of filters that present the channels that set the loads derived from a monophasic topology to model on transmission lines of a house, techniques are used synthesis of networks, which reproduce the transfer functions of the channels at lumped parameters. In the event that in channel that establish the load derived farthest from BPL source, pre- sent filter, its operation is verified, replacing the load derived by estimated filter. The expected behavior in the transfer function of the channel with the replacement, inferred the existence of similar results in terms of signal to noise ratio and channel capacity, to validate the proposed method. Keywords: power line communicatio

Negative Transient Spikes in Halide Perovskites

The internal crossfire of ionic and electronic effects in perovskite devices forms a complex analysis problem that has not been fully solved yet. Specifically, halide photovoltaic perovskites show a photoinduced ionic inductance behavior in current transient measurements, evidenced by ubiquitous negative spikes. Here, we provide a consolidated interpretation of these observed chemical mechanisms by independent measurement routes (frequency and time domain) in order to solve an elusive topic in the development of perovskite solar cells for more than a decade. From this operational pathway, we specifically study the light-dependent negative overshoot photocurrent phenomena in the time-domain discharge of the chemical inductor, which is a transversal mechanism found in a multitude of chemical, biological, and material systems. Our results establish a general framework to understand the inductive transient effects observable in new and important applications of halide perovskites, capable of emulating the electrical activity of neurons and synapses when acting as memristors

Resistance transient dynamics in switchable perovskite memristors

Memristor devices have been investigated for their properties of resistive modulation that can be used in data storage and brain-like computation elements as artificial synapses and neurons. Memristors are characterized by an onset of high current values under applied voltage that produces a transition to a low resistance state or successively to different stable states of increasing conductivity that implement synaptic weights. Here, we develop a nonlinear model to explain the variation with time of the voltage and the resistance and compare it to experimental results on ionic–electronic halide perovskite memristors. We find separate experimental signatures of the capacitive discharge and inductive current increase. We show that the capacitor produces an increase step of the resistance due to the influence of the series resistance. In contrast, the inductor feature associated with inverted hysteresis causes a decrease of the resistance, as observed experimentally. The chemical inductor feature dominates the potentiation effect in which the conductivity increases with the voltage stimulus. Our results enable a quantitative characterization of highly nonlinear electronic devices using a combination of techniques such as time transient decays and impedance spectroscopy

Parameterization of the apparent chemical inductance of metal halide perovskite solar cells exhibiting constant-phase-element behavior

A better characterization of the rich variety of anomalous ionic-electronic mechanisms in organic-inorganic metal halide perovskite solar cells is essential to obtain a stable and physically robust interpretation of the dynamic responses obtained. Therefore, new approaches towards light intensity-induced effects understanding are intensively searched for. Among all the mechanisms whose elucidation is locked and still under live debate, the apparent inductance phenomena stand out, which are visible not only in photovoltaic devices and optoelectronic elements, but also, for instance, in electrochemical and biological systems. Usually, the negative loops in impedance spectra are modeled through ideal elements (negative capacitance or inductance) although the results show systematic deviations (constant-phase-element behavior). In most scenarios, the influence of chemical inductance dispersion is somehow neglected, that is, ideal conditions are mimicked, omitting the practical device operation. Here we reformulate the theory that captures the slow (non-electromagnetic) inductive effects in the current-voltage curves of perovskite solar cells, deciphering the microscale behavior, consisting essentially of defects associated with deep trap states, from macroscale observations and experimental measurements. The audience is potentially huge, since many authors of multidisciplinary backgrounds are genuinely interested in adequately interpreting this behavior of general character.This work has been supported by Comunidad de Madrid under the SINFOTON2-CM Research Program, S2018/NMT4326-SINFOTON2-CM, Universidad Rey Juan Carlos, Projects M2180 and M2607, and the European Regional Development Fund (fondos FEDER). To the Ministerio de Ciencia e Innovación for the grant GraPErOs (ENE2016-79282-C5-2-R) and the Self-Power (PID2019-104272RB-C54). To the Agència de Gestiód’Ajuts Universitaris i de Recerca (AGAUR) for the support to the consolidated Catalonia research group 217 SGR 329 and the Xarxa d’R + D + I Energy for Society (XRE4S). Part of this work is under the Chemistry Ph.D. programme for Carlos Pereyra of the Universitat Autonoma de Barcelona (UAB, Spain). We thank CONACYT for the scholarship to Carlos Pereyra. ICN2 is supported by the Severo Ochoa program from MINECO (SEV-2017-0706) and is funded by the CERCA Programme/Generalitat de Catalunya.Peer reviewe

Long-term potentiation mechanism of biological postsynaptic activity in neuro-inspired halide perovskite memristors

Perovskite memristors have emerged as leading contenders in brain-inspired neuromorphic electronics. Although these devices have been shown to accurately reproduce synaptic dynamics, they pose challenges for in-depth understanding of the underlying nonlinear phenomena. Potentiation effects on the electrical conductance of memristive devices have attracted increasing attention from the emerging neuromorphic community, demanding adequate interpretation. Here, we propose a detailed interpretation of the temporal dynamics of potentiation based on nonlinear electrical circuits that can be validated by impedance spectroscopy. The fundamental observation is that the current in a capacitor decreases with time; conversely, for an inductor, it increases with time. There is no electromagnetic effect in a halide perovskite memristor, but ionic-electronic coupling creates a chemical inductor effect that lies behind the potentiation property. Therefore, we show that beyond negative transients, the accumulation of mobile ions and the eventual penetration into the charge-transport layers constitute a bioelectrical memory feature that is the key to long-term synaptic enhancement. A quantitative dynamical electrical model formed by nonlinear differential equations explains the memory-based ionic effects to inductive phenomena associated with the slow and delayed currents, invisible during the 'off mode' of the presynaptic spike-based stimuli. Our work opens a new pathway for the rational development of material mimesis of neural communications across synapses, particularly the learning and memory functions in the human brain, through a Hodgkin–Huxley-style biophysical model