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

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

2、養(yǎng)，神經(jīng)元突觸逐漸生長并互相連接，形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和與電極間良好的電接觸，可以同時無損檢測并刺激多個神經(jīng)元的活動。雖然培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)缺乏真實大腦的許多特征，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)活動模式等。MEA上每一個電極檢測的信號可能是鄰近多個細(xì)胞的動作電位和各種噪聲的整合，因此，對這些信號的分離和分析成為一項重要工作。同時，培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)缺乏與外部環(huán)境的交流，目前，對采集信號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)的信號為研究對象，利用信號提取、鋒電位分離以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動動態(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，并對記錄過程中一些重要現(xiàn)象進行了神經(jīng)生物學(xué)和生理學(xué)的初步解釋。在鋒電位分離過程中，存在一個不容忽視的問題，即MEA上集成的多個電極之間距離通常比較小，當(dāng)一個細(xì)胞處于兩個電極之間時，它的活動是否能夠同時為不同電極所檢測(crosstal

4、k)？對這一問題的回答是正確檢測生物信號的關(guān)鍵之一。文中討論了MEA上單個電極的檢測域，并利用記錄的不同神經(jīng)元放電模式驗證了討論結(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模式：單個鋒電位發(fā)放和短時間內(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鋒電位發(fā)放向爆發(fā)(burst)模式的轉(zhuǎn)變。爆發(fā)

5、開始之前，網(wǎng)絡(luò)都有一個快速發(fā)放過程，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)變前單個鋒電位發(fā)放速率相對降低，但前后峰間距改變不大；爆發(fā)的產(chǎn)生同時使相鄰電極上的活動高度同步化，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)對不同刺激的響應(yīng)。在具有相似自發(fā)神經(jīng)元活動模式網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中，鄰近刺激位點的電極上檢測到誘導(dǎo)響應(yīng)信號，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，第二次響應(yīng)持續(xù)時間比第一次