應用微電極陣列對神經(jīng)元集群信號傳遞特性的初步探究.pdf

1、探索神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與信息處理機制，揭示高級神經(jīng)活動的本質(zhì)，是人類最為重大的自然科學命題之一?，F(xiàn)在已經(jīng)達成共識的是，神經(jīng)系統(tǒng)的所有高級功能的實現(xiàn)都離不開信號的產(chǎn)生、傳遞、處理和儲存。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)成了一個極其復雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由神經(jīng)元組成的特殊信號傳導網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，介導或者調(diào)節(jié)生物體的行為。因此，在神經(jīng)科學的研究中，神經(jīng)元集群間的信息傳遞機制是神經(jīng)系統(tǒng)功能研究的最基本問題。
　　 通過體外培養(yǎng)神經(jīng)元，

2、神經(jīng)元之間可以通過突觸連接形成簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過這些簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型我們可以精確定位這個簡單神經(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)元之間的電信號傳遞和處理特性。這不但是研究體內(nèi)更復雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前提，也為最終探索神經(jīng)系統(tǒng)乃至整個大腦的功能奠定基礎(chǔ)。
　　 針對傳統(tǒng)的細胞電生理檢測方法（電壓鉗和膜片鉗）存在改變細胞特性、不能同步對多個細胞進行測定等問題，隨著生物電子學技術(shù)的發(fā)展、微/納機電加工技術(shù)的介入以及計算機速度和數(shù)

3、據(jù)分析能力的提高，數(shù)十年來，國際上發(fā)展出一種新的技術(shù)——微電極陣列(Micro-electrodeArray，MEA)。MEA是一種細胞外電信號檢測工具，可以實現(xiàn)對神經(jīng)元集群進行實時、高通量、無損傷和長時程測量，非常適合于研究神經(jīng)元細胞的自發(fā)活動，MEA還可以檢測神經(jīng)元細胞在受到外界刺激（電刺激和化學刺激等）時膜電位變化的情況，因此已經(jīng)在神經(jīng)生物學領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。
　　 本論文利用課題組自主研制的基于硅基工藝的電信號激勵

4、與探測用微電極陣列，在電極區(qū)內(nèi)培養(yǎng)類神經(jīng)細胞——PC12細胞，對其信號傳遞特性進行了初步探究，為以后研究神經(jīng)元信號傳遞特性打下基礎(chǔ)。
　　 本論文首先在生理鹽水、無血清培養(yǎng)基、10％胎牛血清和完全培養(yǎng)基四種不同介質(zhì)條件下，進行無細胞的電激勵和探測實驗，以分析在無細胞的條件下，電激勵信號在以上四種媒介中的傳播特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，探測電極探測到的信號均為激勵信號引起的偽跡。在四種不同介質(zhì)下，偽跡幅值大小基本相同，并且隨著激勵信號幅值的增

5、大，偽跡信號幅值先呈線性增大，后趨于穩(wěn)定，大小不變。然后在完全培養(yǎng)基介質(zhì)下，改變激勵信號波形和探測電極位置，進行無細胞的電激勵和探測實驗，以識別不同電激勵信號模式所產(chǎn)生的偽跡的形式，以及在單端探測方式和差動的探測方式對偽跡信號的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種激勵波形下得到的偽跡波形均與各自激勵相似，兩者之間除正負信號出現(xiàn)時間不同外，信號幅值相近;采用差動的信號采集電路進行信號采集，發(fā)現(xiàn)偽跡波形也與激勵波形相似，且在同樣幅值的激勵信號下，采用對稱輸

6、入方式將兩個信號輸入差動的神經(jīng)信號采集電路，能得到幅值較小的偽跡信號，可見采用對稱輸入方式將兩個信號輸入差動的神經(jīng)信號采集電路有利于細胞信號的記錄。
　　 本論文接著進行了PC12細胞單路電激勵和單路電信號探測，通過在激勵電極上加上由小到大的電激勵信號，記錄探測電極上的信號，以觀察探測電極剛開始記錄到細胞信號時激勵閾值以及細胞信號幅值隨激勵信號幅值變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激勵幅值增大到35mV時，探測電極開始記錄到細胞發(fā)放的峰電位，

7、表明PC12細胞在信號生成過程中存在閾值效應。進一步對PC12細胞峰電位幅值變化情況進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著激勵信號幅值的增大，峰電位幅值先增大，當激勵信號幅值在50mV和60mV時，峰電位幅值達到最大，隨后峰電位幅值趨于平穩(wěn)，基本保持不變，表明PC12細胞生成的信號在激勵超過50mV時，幅值便不受激勵信號幅值的影響，即信號生成過程中還存在著飽和效應。
　　 隨后，本論文進行了PC12細胞單路電激勵和多路電信號探測。通過在激勵電極上加

8、上閾值以上的激勵信號，記錄所有電極上的信號，以觀察各個電極上細胞之間信號傳遞特性:信號傳遞過程中幅值變化、信號傳遞方向、信號傳遞速率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)各電極上探測到的細胞信號波形基本相同，幅值也基本相同，表明信號在PC12細胞間傳遞時，保持恒定的振幅，其并不隨著傳播距離的增大而減小。進一步分析信號在細胞間的傳遞的方向，發(fā)現(xiàn)在離激勵電極較遠的探測電極上，細胞信號幅值過零點要比在較近的探測電極上的遲，說明細胞信號從離激勵電極較近的探測電極上傳向較遠