應(yīng)用微電極陣列對(duì)神經(jīng)元集群信號(hào)傳遞特性的初步探究.pdf

1、探索神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與信息處理機(jī)制，揭示高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)的本質(zhì)，是人類最為重大的自然科學(xué)命題之一?，F(xiàn)在已經(jīng)達(dá)成共識(shí)的是，神經(jīng)系統(tǒng)的所有高級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)信號(hào)的產(chǎn)生、傳遞、處理和儲(chǔ)存。神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與功能單位，其相互連接構(gòu)成了一個(gè)極其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由神經(jīng)元組成的特殊信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，介導(dǎo)或者調(diào)節(jié)生物體的行為。因此，在神經(jīng)科學(xué)的研究中，神經(jīng)元集群間的信息傳遞機(jī)制是神經(jīng)系統(tǒng)功能研究的最基本問(wèn)題。
　　 通過(guò)體外培養(yǎng)神經(jīng)元，

2、神經(jīng)元之間可以通過(guò)突觸連接形成簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)這些簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型我們可以精確定位這個(gè)簡(jiǎn)單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中神經(jīng)元間的相互聯(lián)系，從而研究神經(jīng)元之間的電信號(hào)傳遞和處理特性。這不但是研究體內(nèi)更復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前提，也為最終探索神經(jīng)系統(tǒng)乃至整個(gè)大腦的功能奠定基礎(chǔ)。
　　 針對(duì)傳統(tǒng)的細(xì)胞電生理檢測(cè)方法（電壓鉗和膜片鉗）存在改變細(xì)胞特性、不能同步對(duì)多個(gè)細(xì)胞進(jìn)行測(cè)定等問(wèn)題，隨著生物電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展、微/納機(jī)電加工技術(shù)的介入以及計(jì)算機(jī)速度和數(shù)

3、據(jù)分析能力的提高，數(shù)十年來(lái)，國(guó)際上發(fā)展出一種新的技術(shù)——微電極陣列(Micro-electrodeArray，MEA)。MEA是一種細(xì)胞外電信號(hào)檢測(cè)工具，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元集群進(jìn)行實(shí)時(shí)、高通量、無(wú)損傷和長(zhǎng)時(shí)程測(cè)量，非常適合于研究神經(jīng)元細(xì)胞的自發(fā)活動(dòng)，MEA還可以檢測(cè)神經(jīng)元細(xì)胞在受到外界刺激（電刺激和化學(xué)刺激等）時(shí)膜電位變化的情況，因此已經(jīng)在神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。
　　 本論文利用課題組自主研制的基于硅基工藝的電信號(hào)激勵(lì)

4、與探測(cè)用微電極陣列，在電極區(qū)內(nèi)培養(yǎng)類神經(jīng)細(xì)胞——PC12細(xì)胞，對(duì)其信號(hào)傳遞特性進(jìn)行了初步探究，為以后研究神經(jīng)元信號(hào)傳遞特性打下基礎(chǔ)。
　　 本論文首先在生理鹽水、無(wú)血清培養(yǎng)基、10％胎牛血清和完全培養(yǎng)基四種不同介質(zhì)條件下，進(jìn)行無(wú)細(xì)胞的電激勵(lì)和探測(cè)實(shí)驗(yàn)，以分析在無(wú)細(xì)胞的條件下，電激勵(lì)信號(hào)在以上四種媒介中的傳播特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，探測(cè)電極探測(cè)到的信號(hào)均為激勵(lì)信號(hào)引起的偽跡。在四種不同介質(zhì)下，偽跡幅值大小基本相同，并且隨著激勵(lì)信號(hào)幅值的增

5、大，偽跡信號(hào)幅值先呈線性增大，后趨于穩(wěn)定，大小不變。然后在完全培養(yǎng)基介質(zhì)下，改變激勵(lì)信號(hào)波形和探測(cè)電極位置，進(jìn)行無(wú)細(xì)胞的電激勵(lì)和探測(cè)實(shí)驗(yàn)，以識(shí)別不同電激勵(lì)信號(hào)模式所產(chǎn)生的偽跡的形式，以及在單端探測(cè)方式和差動(dòng)的探測(cè)方式對(duì)偽跡信號(hào)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種激勵(lì)波形下得到的偽跡波形均與各自激勵(lì)相似，兩者之間除正負(fù)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間不同外，信號(hào)幅值相近;采用差動(dòng)的信號(hào)采集電路進(jìn)行信號(hào)采集，發(fā)現(xiàn)偽跡波形也與激勵(lì)波形相似，且在同樣幅值的激勵(lì)信號(hào)下，采用對(duì)稱輸

6、入方式將兩個(gè)信號(hào)輸入差動(dòng)的神經(jīng)信號(hào)采集電路，能得到幅值較小的偽跡信號(hào)，可見(jiàn)采用對(duì)稱輸入方式將兩個(gè)信號(hào)輸入差動(dòng)的神經(jīng)信號(hào)采集電路有利于細(xì)胞信號(hào)的記錄。
　　 本論文接著進(jìn)行了PC12細(xì)胞單路電激勵(lì)和單路電信號(hào)探測(cè)，通過(guò)在激勵(lì)電極上加上由小到大的電激勵(lì)信號(hào)，記錄探測(cè)電極上的信號(hào)，以觀察探測(cè)電極剛開(kāi)始記錄到細(xì)胞信號(hào)時(shí)激勵(lì)閾值以及細(xì)胞信號(hào)幅值隨激勵(lì)信號(hào)幅值變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激勵(lì)幅值增大到35mV時(shí)，探測(cè)電極開(kāi)始記錄到細(xì)胞發(fā)放的峰電位，

7、表明PC12細(xì)胞在信號(hào)生成過(guò)程中存在閾值效應(yīng)。進(jìn)一步對(duì)PC12細(xì)胞峰電位幅值變化情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著激勵(lì)信號(hào)幅值的增大，峰電位幅值先增大，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)幅值在50mV和60mV時(shí)，峰電位幅值達(dá)到最大，隨后峰電位幅值趨于平穩(wěn)，基本保持不變，表明PC12細(xì)胞生成的信號(hào)在激勵(lì)超過(guò)50mV時(shí)，幅值便不受激勵(lì)信號(hào)幅值的影響，即信號(hào)生成過(guò)程中還存在著飽和效應(yīng)。
　　 隨后，本論文進(jìn)行了PC12細(xì)胞單路電激勵(lì)和多路電信號(hào)探測(cè)。通過(guò)在激勵(lì)電極上加

8、上閾值以上的激勵(lì)信號(hào)，記錄所有電極上的信號(hào)，以觀察各個(gè)電極上細(xì)胞之間信號(hào)傳遞特性:信號(hào)傳遞過(guò)程中幅值變化、信號(hào)傳遞方向、信號(hào)傳遞速率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)各電極上探測(cè)到的細(xì)胞信號(hào)波形基本相同，幅值也基本相同，表明信號(hào)在PC12細(xì)胞間傳遞時(shí)，保持恒定的振幅，其并不隨著傳播距離的增大而減小。進(jìn)一步分析信號(hào)在細(xì)胞間的傳遞的方向，發(fā)現(xiàn)在離激勵(lì)電極較遠(yuǎn)的探測(cè)電極上，細(xì)胞信號(hào)幅值過(guò)零點(diǎn)要比在較近的探測(cè)電極上的遲，說(shuō)明細(xì)胞信號(hào)從離激勵(lì)電極較近的探測(cè)電極上傳向較遠(yuǎn)