基于多電極陣列的培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特征分析.pdf

1、了解大腦中一個(gè)基本的微網(wǎng)絡(luò)是如何組織，它的功能及其行為是如何實(shí)現(xiàn)的，即表現(xiàn)出怎樣的動(dòng)力學(xué)特性，是神經(jīng)科學(xué)中的一個(gè)重要問(wèn)題。為了解答這一問(wèn)題，有必要同時(shí)記錄和分析神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)。多電極陣列(Multi-electrode arrays，MEA)系統(tǒng)有高的時(shí)間分辨(

2、養(yǎng)，神經(jīng)元突觸逐漸生長(zhǎng)并互相連接，形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和與電極間良好的電接觸，可以同時(shí)無(wú)損檢測(cè)并刺激多個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。雖然培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)缺乏真實(shí)大腦的許多特征，但神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的眾多特征仍得以保留，如廣泛的突觸連接和豐富多樣的自發(fā)活動(dòng)模式等。MEA上每一個(gè)電極檢測(cè)的信號(hào)可能是鄰近多個(gè)細(xì)胞的動(dòng)作電位和各種噪聲的整合，因此，對(duì)這些信號(hào)的分離和分析成為一項(xiàng)重要工作。同時(shí)，培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)缺乏與外部環(huán)境的交流，目前，對(duì)采集信號(hào)代表涵義的解釋還有許多困難

3、。
　　 本文以多電極陣列記錄的離體培養(yǎng)大鼠海馬或皮層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自發(fā)和電脈沖刺激誘導(dǎo)的信號(hào)為研究對(duì)象，利用信號(hào)提取、鋒電位分離以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)動(dòng)態(tài)分析的數(shù)學(xué)方法，探討了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，并對(duì)記錄過(guò)程中一些重要現(xiàn)象進(jìn)行了神經(jīng)生物學(xué)和生理學(xué)的初步解釋。在鋒電位分離過(guò)程中，存在一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，即MEA上集成的多個(gè)電極之間距離通常比較小，當(dāng)一個(gè)細(xì)胞處于兩個(gè)電極之間時(shí)，它的活動(dòng)是否能夠同時(shí)為不同電極所檢測(cè)(crosstal

4、k)？對(duì)這一問(wèn)題的回答是正確檢測(cè)生物信號(hào)的關(guān)鍵之一。文中討論了MEA上單個(gè)電極的檢測(cè)域，并利用記錄的不同神經(jīng)元放電模式驗(yàn)證了討論結(jié)果。在離體培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)連續(xù)記錄的鋒電位序列中，觀察到幾種不同的活動(dòng)模式：?jiǎn)蝹€(gè)鋒電位發(fā)放和短時(shí)間內(nèi)一群在幅度上逐漸衰減的鋒電位集中發(fā)放。不同放電模式可能與神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。其中一種連續(xù)發(fā)放的同步單個(gè)峰電位模式可能有著重要的生理意義。在不同芯片上觀察到由單個(gè)鋒電位發(fā)放向爆發(fā)(burst)模式的轉(zhuǎn)變。爆發(fā)

5、開(kāi)始之前，網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)快速發(fā)放過(guò)程，表明爆發(fā)的產(chǎn)生需要網(wǎng)絡(luò)有足夠的興奮性。爆發(fā)后比轉(zhuǎn)變前單個(gè)鋒電位發(fā)放速率相對(duì)降低，但前后峰間距改變不大；爆發(fā)的產(chǎn)生同時(shí)使相鄰電極上的活動(dòng)高度同步化，暗示網(wǎng)絡(luò)受到共同的抑制作用。
　　 本研究分析了網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同刺激的響應(yīng)。在具有相似自發(fā)神經(jīng)元活動(dòng)模式網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中，鄰近刺激位點(diǎn)的電極上檢測(cè)到誘導(dǎo)響應(yīng)信號(hào)，表明神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的形成并與電極之間建立了良好的電接觸。 比較兩次脈沖的試驗(yàn)，第二次響應(yīng)持續(xù)時(shí)間比第一次