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微电极阵列上培养神经元网络的特性分析

楼力政  
【摘要】:随着对中枢神经(大脑)和外周神经研究的不断深入,研发融合生理和信息技术的实验平台和研究方法显得愈来愈重要。微电极技术在微小空间中对神经元网络的阵列化采样和分析有着特殊的优势。利用微电极技术,检测体外培养神经元网络的放电信号是研究神经元网络的重要手段之一。由此,研究如何利用微电极阵列(MEA)检测人工培养神经元网络在受到不同刺激前后的状态,对研究神经元网络特性和神经系统的前沿课题,有着重要意义。目前,对神经元的研究形成了以仿真实验研究神经网络和以生理实验研究神经元网络两个不同方向。在仿真实验研究中更多地关注网络结构与特性的关系,在生理实验研究中往往以平均放电率作为指标分析网络的兴奋程度等特性。本研究注重结合两者的优势,以生理测试为基础,借鉴仿真方法中的结构模型,分析人工培育神经元网络的特性。在微电极阵列上体外培养神经元,形成单层神经元网络,并以此为实验对象,通过阵列检测神经元网络的放电信息,分析神经元网络的自发性放电特性和诱发性放电特性,分析其静息和刺激响应状态下的特征,评估生长过程和刺激响应过程。本研究通过对上述神经元网络的放电率及相关系数分析,研究了神经元网络的自发性放电特征。对不同位置的场电位分析表明,神经元网络在自发性放电过程中,放电率沿一基准上下波动,疏密相间地放电。不同位置微电极上放电率之间的相关系数揭示了神经元网络不同区域间物理距离对其同步性的影响不显著。相同网络的不同区域受到不同幅值的双向脉冲电刺激时的放电特性反映了网络诱发性放电特性。实验结果分析表明,以第一响应放电为特征,当神经元网络受到电刺激后部分区域会出现一个快速响应。随着电刺激幅值增加,产生快速响应的区域会增加,但是快速响应的速度不会进一步提高,且响应最慢区域的分布没有明显变化,由此可见,随着刺激电压幅值的提高,一定程度上提高了网络的平均响应速度,但是,不会改变网络响应的结构特性。实验结果还表明,在神经元网络的不同区域施加相同电刺激时,不仅产生快速响应的区域不同,而且影响响应的速度和响应的结构。神经元网络的刺激耐受性实验表明,长时间的电刺激,一定程度上会增加神经元网络的放电率,改变放电重心。综上所述,通过微电极阵列对神经元网络的检测和放电率分析,有效地进行了神经元网络的自发性放电特性和受电刺激后的系统特性。


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