【摘要】：隨著對中樞神經(jīng)(大腦)和外周神經(jīng)研究的不斷深入，研發(fā)融合生理和信息技術(shù)的實驗平臺和研究方法顯得愈來愈重要。微電極技術(shù)在微小空間中對神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的陣列化采樣和分析有著特殊的優(yōu)勢。利用微電極技術(shù)，檢測體外培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的放電信號是研究神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的重要手段之一。

由此，研究如何利用微電極陣列(MEA)檢測人工培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在受到不同刺激前后的狀態(tài)，對研究神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)特性和神經(jīng)系統(tǒng)的前沿課題，有著重要意義。目前，對神經(jīng)元的研究形成了以仿真實驗研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和以生理實驗研究神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)兩個不同方向。在仿真實驗研究中更多地關(guān)注網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與特性的關(guān)系，在生理實驗研究中往往以平均放電率作為指標(biāo)分析網(wǎng)絡(luò)的興奮程度等特性。本研究注重結(jié)合兩者的優(yōu)勢，以生理測試為基礎(chǔ)，借鑒仿真方法中的結(jié)構(gòu)模型，分析人工培育神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的特性。在微電極陣列上體外培養(yǎng)神經(jīng)元，形成單層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，并以此為實驗對象，通過陣列檢測神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的放電信息，分析神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自發(fā)性放電特性和誘發(fā)性放電特性，分析其靜息和刺激響應(yīng)狀態(tài)下的特征，評估生長過程和刺激響應(yīng)過程。

本研究通過對上述神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的放電率及相關(guān)系數(shù)分析，研究了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自發(fā)性放電特征。對不同位置的場電位分析表明，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在自發(fā)性放電過程中，放電率沿一基準(zhǔn)上下波動，疏密相間地放電。不同位置微電極上放電率之間的相關(guān)系數(shù)揭示了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)不同區(qū)域間物理距離對其同步性的影響不顯著。相同網(wǎng)絡(luò)的不同區(qū)域受到不同幅值的雙向脈沖電刺激時的放電特性反映了網(wǎng)絡(luò)誘發(fā)性放電特性。實驗結(jié)果分析表明，以第一響應(yīng)放電為特征，當(dāng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)受到電刺激后部分區(qū)域會出現(xiàn)一個快速響應(yīng)。隨著電刺激幅值增加，產(chǎn)生快速響應(yīng)的區(qū)域會增加，但是快速響應(yīng)的速度不會進(jìn)一步提高，且響應(yīng)最慢區(qū)域的分布沒有明顯變化，由此可見，隨著刺激電壓幅值的提高，一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的平均響應(yīng)速度，但是，不會改變網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)特性。

實驗結(jié)果還表明，在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的不同區(qū)域施加相同電刺激時，不僅產(chǎn)生快速響應(yīng)的區(qū)域不同，而且影響響應(yīng)的速度和響應(yīng)的結(jié)構(gòu)。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的刺激耐受性實驗表明，長時間的電刺激，一定程度上會增加神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的放電率，改變放電重心。綜上所述，通過微電極陣列對神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的檢測和放電率分析，有效地進(jìn)行了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自發(fā)性放電特性和受電刺激后的系統(tǒng)特性。