基于多電極陣列的培養(yǎng)神經元網絡動態(tài)特征分析.pdf

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

2、養(yǎng)，神經元突觸逐漸生長并互相連接，形成致密的網絡結構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元的活動。雖然培養(yǎng)神經元網絡缺乏真實大腦的許多特征，但神經元網絡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)神經元網絡缺乏與外部環(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元網絡的自發(fā)和電脈沖刺激誘導的信號為研究對象，利用信號提取、鋒電位分離以及神經元網絡活動動態(tài)分析的數學方法，探討了網絡結構與功能之間的關系，并對記錄過程中一些重要現象進行了神經生物學和生理學的初步解釋。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，當一個細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元放電模式驗證了討論結果。在離體培養(yǎng)神經元網絡連續(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元網絡的組織結構有關。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)模式的轉變。爆發(fā)

5、開始之前，網絡都有一個快速發(fā)放過程，表明爆發(fā)的產生需要網絡有足夠的興奮性。爆發(fā)后比轉變前單個鋒電位發(fā)放速率相對降低，但前后峰間距改變不大；爆發(fā)的產生同時使相鄰電極上的活動高度同步化，暗示網絡受到共同的抑制作用。
　　 本研究分析了網絡對不同刺激的響應。在具有相似自發(fā)神經元活動模式網絡區(qū)域中，鄰近刺激位點的電極上檢測到誘導響應信號，表明神經元網絡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，第二次響應持續(xù)時間比第一次