Mikroelektrodiryhmä - Microelectrode array
Mikroelektrodilla paneelit ( MEA ) (kutsutaan myös monitaso paneelit) ovat laitteita, jotka sisältävät useita (kymmeniä tuhansia) mikroelektrodien jonka kautta hermostoputken signaalit saadaan ja toimitettu, olennaisesti toimii hermostoputken rajapintoja, jotka yhteyden neuronien ja elektroniset piirit . On olemassa kaksi yleistä MEA-luokkaa: implantoitavat MEA: t, joita käytetään in vivo , ja ei-implantoitavat MEA: t, joita käytetään in vitro .
Teoria
Neuronit ja lihassolut synnyttävät ionivirtoja kalvojensa kautta innoissaan aiheuttaen muutoksen jännitteessä solun sisä- ja ulkopuolen välillä. Kun tallennuksen elektrodit on MEA transdusoimaan muutosta jännitteen ympäristöstä kuljettaa ionit otetaan kuljettamien virtausten elektronit (elektroninen virrat). Stimuloinnissa elektrodit muuntavat elektroniset virrat ionivirtoiksi väliaineen kautta. Tämä laukaisee jännite-ionikanavia on kalvot on herkkä soluja, mikä aiheuttaa solun depolarisoida ja käynnistää aktiopotentiaalin , jos se on neuroni tai nykäistä jos se on lihassolu.
Tallennetun signaalin koko ja muoto riippuvat useista tekijöistä: väliaineen luonteesta, jossa solu tai solut sijaitsevat (esim. Väliaineen sähköjohtavuus , kapasitanssi ja homogeenisuus ); kennojen ja MEA-elektrodin välisen kosketuksen luonne (esim. kosketusalue ja tiiviys); itse MEA-elektrodin luonne (esim. sen geometria, impedanssi ja melu); analogisen signaalin käsittely (esim järjestelmän vahvistuksen , kaistanleveyden , ja käyttäytyminen ulkopuolella rajataajuudet ); ja tietojen näytteenotto- ominaisuudet (esim. näytteenottotaajuus ja digitaalinen signaalinkäsittely ). Yksittäisen, tasomaisen elektrodin osittain peittävän kennon nauhoittamiseksi kosketuslevyn jännite on suunnilleen yhtä suuri kuin kennon ja elektrodin päällekkäisen alueen jännite kerrottuna päällekkäisen alueen pinta-alan suhteella koko elektrodi, tai:
olettaen, että elektrodin ympärillä oleva alue on hyvin eristetty ja siihen liittyy hyvin pieni kapasitanssi. Yllä oleva yhtälö perustuu kuitenkin elektrodin, kennojen ja niiden ympäristön mallintamiseen ekvivalenttisena piirikaaviona . Vaihtoehtoinen tapa ennustaa kennoelektrodikäyttäytymistä on mallintamalla järjestelmä käyttämällä geometriaan perustuvaa äärellisten elementtien analyysiä yrittäen kiertää järjestelmän ylikuormittamisen rajoitukset kerrostetussa piirielementtikaaviossa.
MEA: ta voidaan käyttää elektrofysiologisten kokeiden suorittamiseen kudosviipaleille tai dissosioituneille soluviljelmille . Akuuteilla kudosviipaleilla kudosviipaleissa olevien solujen väliset yhteydet ennen uuttamista ja pinnoittamista säilyvät enemmän tai vähemmän, kun taas dissosioituneiden viljelmien solujen väliset yhteydet tuhoutuvat ennen maljaamista. Dissosioituneiden hermosolujen kanssa hermosolut muodostavat spontaanisti verkostoja .
Voidaan nähdä, että elektrodin kokema jännite- amplitudi on kääntäen suhteessa etäisyyteen, josta solu depolarisoituu. Siksi voi olla välttämätöntä, että soluja viljellään tai muuten sijoitetaan mahdollisimman lähelle elektrodeja. Kudosviipaleilla muodostuu sähköisesti passiivisten kuolleiden solujen kerros leikkauskohdan ympärille turvotuksesta johtuen . Tapa käsitellä tätä on valmistaa MEA kolmiulotteisilla elektrodeilla, jotka on valmistettu peittämällä ja kemiallisesti syövyttämällä . Nämä 3D-elektrodit tunkeutuvat viipalekudoksen kuolleen solukerrokseen pienentäen elävien solujen ja elektrodien välistä etäisyyttä. Dissosiaatioviljelmissä solujen asianmukainen kiinnittyminen MEA-substraattiin on tärkeää vankan signaalin saamiseksi.
Historia
Ensimmäiset implantoitavat ryhmät olivat 1950-luvulla kehitettyjä mikrolankajärjestelmiä. Ensimmäisen kokeen, jossa käytettiin joukkoa tasomaisia elektrodeja viljellyistä soluista tallentamiseksi, suoritti CA Thomas Jr. ja hänen kollegansa vuonna 1972. Koejärjestely käytetään 2 x 15 matriisin kultaa elektrodien päällystetty musta platina , kukin toisistaan 100 um toisistaan. Myosyytit talteen alkion poikasia hajotettiin ja viljeltiin päälle MEA, ja signaloi jopa 1 mV korkea amplitudi kirjattiin. Guenter Gross ja hänen kollegansa Verkkoneurotieteen keskuksessa vuonna 1977 rakensivat MEA: t ja käyttivät niitä etanan ganglionien elektrofysiologian tutkimiseen itsenäisesti ilman Thomasin ja hänen kollegoidensa työtä. Vuonna 1982 Gross havaitsi spontaanin elektrofysiologisen aktiivisuuden dissosioituneista selkäytimen neuroneista ja havaitsi, että aktiivisuus oli hyvin riippuvainen lämpötilasta. Noin 30 ° C: n alapuolella signaalin amplitudit pienenevät nopeasti suhteellisen pieneen arvoon huoneenlämpötilassa .
Ennen 1990-lukua, merkittävää tulon esteitä olemassa uusia laboratorioita, jotka pyrkivät käyttäytyminen MEA tutkimuksen takia mukautetun MEA valmistuksen ja ohjelmistoja he piti kehittää. Kohtuuhintaisen laskentatehon ja kaupallisten MEA-laitteistojen ja -ohjelmistojen myötä monet muut laboratoriot pystyivät kuitenkin tutkimaan MEA: ta. Tämä ei-invasiivinen elektrofysiologinen laboratoriotekniikka voi olla tehokkaampi kuin patch clamp -menetelmä.
Tyypit
Mikroelektrodiryhmät voidaan jakaa alaluokkiin niiden potentiaalisen käytön perusteella: in vitro- ja in vivo -ryhmät.
In vitro -ryhmät
In vitro MEA: n vakiotyyppi on 8 x 8 tai 6 x 10 elektrodia. Elektrodit koostuvat tyypillisesti indiumtinaoksidista tai titaanista ja niiden halkaisijat ovat 10-30 μm. Näitä taulukoita käytetään yleensä yksisoluisissa viljelmissä tai akuuteissa aivoviipaleissa.
Yksi haaste in vitro MEA: n joukossa on ollut kuvata niitä mikroskoopeilla, jotka käyttävät suuritehoisia linssejä ja vaativat pieniä työskentelyetäisyyksiä mikrometrien järjestyksessä. Tämän ongelman välttämiseksi on tuotettu "ohuita" -MEA: ita peitelasilla. Nämä ryhmät ovat noin 180 μm, joten niitä voidaan käyttää suuritehoisten linssien kanssa.
Eräässä toisessa erityisessä suunnittelussa 60 elektrodia on jaettu 6 × 5 ryhmään, jotka on erotettu 500 μm: lla. Ryhmän elektrodit erotetaan 30 um halkaisijaltaan 10 μm. Tämän tyyppisiä taulukoita käytetään neuronien paikallisten vasteiden tutkimiseen samalla kun tutkitaan organotyyppisten viipojen toiminnallista liitettävyyttä.
Spatiaalinen erottelukyky on yksi MEA: n tärkeimmistä eduista ja mahdollistaa pitkällä etäisyydellä lähetettyjen signaalien suuremman tarkkuuden, kun käytetään tiheää MEA: ta. Näillä matriiseilla on yleensä neliön muotoinen ruudukko 256 elektrodia, jotka peittävät alueen 2,8 x 2,8 mm.
Parannetun spatiaalisen tarkkuuden tarjoavat CMOS-pohjaiset suuritiheyksiset mikroelektrodiryhmät, joissa on tuhansia elektrodeja sekä integroidut luku- ja stimulaatiopiirit pienikokoisissa pienikokoisissa siruissa. Jopa yksittäisaksoneja pitkin etenevien signaalien resoluutio on osoitettu.
Laadukkaiden signaalien saamiseksi elektrodien ja kudoksen on oltava läheisessä kosketuksessa toistensa kanssa. Rei'itetty MEA-muotoilu aiheuttaa alipaineen alustan aukkoihin, jotta kudosviipaleet voidaan sijoittaa elektrodeille kosketuksen ja nauhoitettujen signaalien parantamiseksi.
Erilainen lähestymistapa elektrodin impedanssin alentamiseen on muuttamalla rajapintamateriaalia, esimerkiksi käyttämällä hiilinanoputkia , tai muokkaamalla elektrodien rakennetta esimerkiksi kultaisilla nanopylväillä tai onteloilla.
In vivo -ryhmät
Kolme suurta implantoitavien MEA-luokkaa ovat mikrolanka-, piipohjaiset ja joustavat mikroelektrodiryhmät. Microwire MEA: t on valmistettu suurimmaksi osaksi ruostumattomasta teräksestä tai volframista, ja niitä voidaan käyttää arvioimaan yksittäisten tallennettujen hermosolujen sijaintia kolmiomittauksella. Piipohjaiset mikroelektrodiryhmät sisältävät kaksi erityismallia: Michigan- ja Utah-ryhmät. Michigan-matriisit mahdollistavat suuremman antureiden tiheyden implantointia varten ja suuremman spatiaalisen resoluution kuin mikrolanka-MEA: t. Ne mahdollistavat myös signaalien saamisen varren pituudelta eikä vain varsien päistä. Toisin kuin Michiganin matriisit, Utahin matriisit ovat kolmiulotteisia, ja ne koostuvat 100 johtavasta piineulasta. Utahin ryhmässä signaalit vastaanotetaan kuitenkin vain kunkin elektrodin kärjistä, mikä rajoittaa kerralla saatavan tiedon määrää. Lisäksi Utahin matriisit valmistetaan asetetuilla mitoilla ja parametreilla, kun taas Michigan-ryhmä mahdollistaa suuremman suunnitteluvapauden. Joustavat polyimidillä , paryleenillä tai bentsosyklobuteenilla valmistetut ryhmät tarjoavat edun jäykkiin mikroelektrodiryhmiin verrattuna, koska ne tarjoavat lähemmän mekaanisen yhteensopivuuden, koska Youngin piimoduuli on paljon suurempi kuin aivokudoksen, mikä edistää leikkauksen aiheuttamaa tulehdusta .
Tietojenkäsittelymenetelmät
Hermosolujen viestinnän perusyksikkö on ainakin sähköisesti toimintapotentiaali. Tämä kaikki tai ei mitään -ilmiö on peräisin aksonin kukkulalta , mikä johtaa solun sisäisen ympäristön depolarisoitumiseen, joka etenee aksonia pitkin . Tämä solukalvon läpi kulkeva ionivirta tuottaa jyrkän jännitteen muutoksen solunulkoisessa ympäristössä, minkä MEA-elektrodit lopulta havaitsevat. Siksi jännitepiikkien laskemista ja lajittelua käytetään usein tutkimuksessa verkon toiminnan kuvaamiseksi. Piikkijuna-analyysi voi myös säästää käsittelyaikaa ja muistin laskemista jännitemittauksiin verrattuna. Piikkien aikaleimat tunnistetaan aikoina, jolloin yksittäisen elektrodin mittaama jännite ylittää kynnyksen (usein määritelty standardipoikkeamilla passiivisen ajanjakson keskiarvosta). Nämä aikaleimat voidaan edelleen käsitellä purskeiden tunnistamiseksi (useita piikkejä välittömässä läheisyydessä). Näiden junien jatkoanalyysi voi paljastaa piikkien organisoinnin ja ajalliset mallit.
Kyvyt
Edut
Yleensä in vitro -ryhmien tärkeimmät vahvuudet verrattuna perinteisempiin menetelmiin, kuten laastarin kiinnitykseen, ovat:
- Useiden elektrodien sijoittamisen salliminen kerralla eikä erikseen
- Kyky asettaa säätimet samalla kokeellisella asetuksella (käyttämällä yhtä elektrodia kontrollina ja muita kokeellisena). Tämä on erityisen kiinnostavaa stimulaatiokokeissa.
- Mahdollisuus valita erilaisia tallennuspaikkoja taulukosta
- Mahdollisuus vastaanottaa tietoja samanaikaisesti useilta sivustoilta
- Eheiden verkkokalvojen nauhoitukset ovat suurta mielenkiintoa johtuen mahdollisuudesta tuottaa reaaliaikainen optinen stimulaatio ja esimerkiksi rekonstruoida vastaanottavat kentät.
Lisäksi in vitro -järjestelmät eivät ole invasiivisia verrattuna laastarin kiinnitykseen, koska ne eivät vaadi solukalvon rikkomista.
Suhteen in vivo paneelit kuitenkin suuri etu laastari kiristys on suuri spatiaalinen resoluutio. Implantoitavat matriisit mahdollistavat signaalien saamisen yksittäisistä hermosoluista, mikä mahdollistaa tiedon, kuten moottorin liikkeen sijainnin tai nopeuden , jota voidaan käyttää proteesilaitteen ohjaamiseen . Eläinten käyttäytymisen aikana, ainakin jyrsijöissä, on mahdollista tehdä laajamittaisia, rinnakkaisia tallennuksia kymmenillä implantoiduilla elektrodeilla. Tämä tekee tällaisista solunulkoisista tallenteista valitun menetelmän hermopiirien tunnistamiseksi ja niiden toimintojen tutkimiseksi. Tallennetun hermosolun yksiselitteinen tunnistaminen monielektrodien solunulkoisten ryhmien avulla on kuitenkin edelleen ongelma.
Haitat
In vitro -MEA: t eivät ole yhtä sopivia yksittäisten solujen tallentamiseen ja stimulointiin, koska niiden matala spatiaalinen resoluutio on verrattuna patch clamp- ja dynaamisiin clamp- järjestelmiin. MEA-elektrodin tehokkaasti muihin soluihin lähettämien signaalien monimutkaisuus on rajallinen verrattuna dynaamisten kiinnittimien ominaisuuksiin.
Mikroelektrodiryhmän implantointiin on myös useita biologisia vasteita, erityisesti kroonisen implantoinnin suhteen. Merkittävimpiä näistä vaikutuksista ovat hermosolujen menetys, gliaaliarpia ja toimivien elektrodien määrän väheneminen. Kudosvaste implantointiin riippuu monista tekijöistä, mukaan lukien MEA-varsien koko, varsien välinen etäisyys, MEA-materiaalikoostumus ja lisäysaika. Kudosvaste jaetaan tyypillisesti lyhytaikaiseen ja pitkäaikaiseen vasteeseen. Lyhytaikainen vaste tapahtuu muutamassa tunnissa implantaatiosta ja alkaa laitetta ympäröivän astrosyyttien ja gliasolujen lisääntyneellä populaatiolla . Rekrytoitu mikroglia aloittaa sitten tulehduksen ja vieraan materiaalin fagosytoosiprosessi alkaa. Ajan myötä laitteeseen rekrytoidut astrosyytit ja mikroglia alkavat kerääntyä muodostaen ryhmän ympärille kotelon, joka ulottuu kymmeniä mikrometrejä laitteen ympärille. Tämä paitsi lisää elektrodiantureiden välistä tilaa, myös eristää elektrodit ja lisää impedanssimittauksia. Ryhmien kroonisen implantoinnin ongelmat ovat olleet liikkeellepaneva voima näiden laitteiden tutkimuksessa. Eräässä uudessa tutkimuksessa tutkittiin kroonisen implantin aiheuttaman tulehduksen neurodegeneratiivisia vaikutuksia. Immunohistokemialliset markkerit osoittivat yllättävän hyperfosforyloidun tau: n, Alzheimerin taudin indikaattorin, läsnäolon lähellä elektrodin tallennuspaikkaa. Elektrodimateriaalin fagosytoosi asettaa kyseenalaiseksi myös biologisen yhteensopivuuden vasteen, joka tutkimuksen mukaan on ollut vähäistä ja siitä ei tule melkein olematonta 12 viikon in vivo jälkeen . Tutkimus laitteen asettamisen kielteisten vaikutusten minimoimiseksi sisältää laitteiden pinnan päällystämisen proteiineilla, jotka kannustavat hermosolujen kiinnittymistä, kuten laminiini tai lääkeainetta eluoivat aineet.
Sovellukset
In vitro
Dissosioituneiden hermoverkkojen luonne ei näytä muuttavan tai heikentävän sen farmakologisen vasteen luonnetta verrattuna in vivo -malleihin, mikä viittaa siihen, että MEA: ita voidaan käyttää tutkimaan farmakologisia vaikutuksia dissosioituneisiin hermosoluihin yksinkertaisemmassa, kontrolloidussa ympäristössä. Lukuisissa farmakologisissa tutkimuksissa, joissa käytetään MEA: ta dissosioituneissa hermosoluissa, esimerkiksi etanolilla tehdyt tutkimukset . Laboratorioiden välinen validointi on suoritettu käyttäen MEA: ta.
Lisäksi tehtiin huomattava työ verkon toiminnan erilaisista biofysikaalisista näkökohdista vähentämällä käyttäytymistasolla yleensä tutkittuja ilmiöitä dissosiaatiokuoren verkkotasolle. Esimerkiksi tällaisten verkkojen kyky erottaa eri tulosignaalien spatiaaliset ja ajalliset piirteet, synkronoinnin dynamiikka, herkkyys neuromodulaatiolle ja oppimisen kinetiikka käyttämällä suljetun silmukan järjestelmiä. Lopuksi MEA-tekniikan yhdistäminen konfokaalimikroskopiaan mahdollistaa verkkotoiminnan ja synaptisen uudelleenmuotoilun välisten suhteiden tutkimisen.
MEA: ita on käytetty hermosolujen verkottamiseen ei-biologisten järjestelmien kanssa kontrollerina. Esimerkiksi hermo-tietokone-liitäntä voidaan luoda käyttämällä MEA: ita. Eroituneet rotan aivokuoren neuronit integroitiin suljettuun ärsykkeen ja vasteen palautesilmukkaan animaatin hallitsemiseksi virtuaalisessa ympäristössä. Suljetun silmukan ärsyke-vastaus-järjestelmä on myös konstruoitu käyttäen MEA Potter, Mandhavan, ja DeMarse, ja Mark Hammond, Kevin Warwick , ja Ben Whalley että yliopiston Reading . Noin 300 000 dissosioitunutta rotan hermosolua levitettiin MEA: lle, joka oli kytketty robotin moottoreihin ja ultraääniantureihin , ja joka ilmastoitiin estämään esteet havaitessaan. Näitä linjoja pitkin Shimon Marom ja kollegat Technionissa koukkuivat MEA: lla kasvavat dissosiaatiohermoverkot Lego Mindstorms -robottiin; verkko luokitteli robotin visuaalisen kentän ja robotin pyörille annettiin komennot siten, että se välttää kokonaan törmäämisen esteisiin. Tätä "Braitenberg-ajoneuvoa" käytettiin osoittamaan käänteisen neurotekniikan määrittelemättömyys osoittaen, että jopa yksinkertaisessa asennuksessa, jossa oli käytännöllisesti katsoen rajoittamaton pääsy kaikkiin olennaisiin tietoihin, oli mahdotonta päätellä varmuudella erityistä hermokoodausjärjestelmää , jota käytettiin ajaa robottien käyttäytymistä.
MEA: ita on käytetty tarkkailemaan verkon ampumista hippokampuksen viipaleissa.
In vivo
Tällä hetkellä on useita implantoitavia rajapintoja, joita on tällä hetkellä saatavana kuluttajien käyttöön, mukaan lukien syvät aivostimulaattorit , sisäkorvaistutteet ja sydämentahdistimet . Syvä aivostimulaatio (DBS) on ollut tehokas liikehäiriöiden, kuten Parkinsonin taudin , hoidossa , ja sisäkorvaistutteet ovat auttaneet monia parantamaan kuuloaan auttamalla kuulohermon stimulaatiota . Huomattavan potentiaalinsa vuoksi MEA: t ovat merkittävä alue neurotieteellisessä tutkimuksessa. Tutkimukset viittaavat siihen, että MEA: t voivat antaa käsityksen muistinmuodostuksen ja havainnon kaltaisista prosesseista, ja niillä voi olla myös terapeuttista arvoa sellaisissa olosuhteissa kuin epilepsia , masennus ja pakko-oireinen häiriö . Kliiniset tutkimukset, joissa käytetään liitäntälaitteita moottorin hallinnan palauttamiseksi selkäydinvamman jälkeen tai ALS: n hoitona, on aloitettu BrainGate-nimisessä projektissa (katso videoesittely: BrainGate ). MEA: t tarjoavat suuren erottelukyvyn, joka tarvitaan ajan vaihtelevien signaalien tallentamiseen, mikä antaa heille kyvyn käyttää sekä hallintaa että palautteen saamista proteettisista laitteista, kuten Kevin Warwick , Mark Gasson ja Peter Kyberd osoittivat . Tutkimukset viittaavat siihen, että MEA: n käyttö voi auttaa näön palauttamisessa stimuloimalla optista reittiä .
MEA-käyttäjien kokoukset
Reutlingenissa pidetään joka toinen vuosi tieteellinen käyttäjäkokous , jonka järjestää Tübingenin yliopiston luonnontieteiden ja lääketieteen instituutti (NMI) . Kokoukset tarjoavat kattavan yleiskuvan kaikista mikroelektrodiryhmien uusiin kehityksiin ja nykyisiin sovelluksiin liittyvistä näkökohdista perus- ja soveltavassa neurotieteessä sekä teollisessa lääketieteessä, turvallisuusfarmakologiassa ja neurotekniikassa. Kaksivuotiskonferenssista on kehittynyt kansainvälinen paikka tutkijoille, jotka kehittävät ja käyttävät sekä teollisuuden että korkeakoulujen MEA: ita, ja se tunnustetaan korkealaatuiseksi tietopaketiksi. Kokouksen julkaisut ovat saatavana avoimen pääsyn edistymiskirjoina.
Käytä taiteessa
Sen lisäksi, että MEA: ta käytetään tieteellisiin tarkoituksiin, niitä on käytetty nykytaiteessa tutkiakseen filosofisia kysymyksiä tekniikan ja biologian suhteesta. Perinteisesti länsimaisessa ajattelussa biologia ja tekniikka on jaettu kahteen erilliseen luokkaan: bios ja technê. Vuonna 2002 MEART: Semi-elävä taiteilija luotiin yhteistyöhön taiteen ja tieteen välinen hanke SymbioticA on Länsi-Australian yliopisto vuonna Perth , ja Potter Lab on Georgia Institute of Technology in Atlanta , kyseenalaistaa suhdetta biologian ja tekniikkaa. MEART koostui rotan aivokuoren hermosoluista, jotka oli kasvatettu in vitro MEA: lla Atlantassa, pneumaattisesta robottivarresta, joka pystyi piirtämään kyniä paperille Perthissä, ja ohjelmistosta näiden kahden välisen viestinnän hallitsemiseksi. Neuronien signaalit välitettiin suljetussa silmukassa Perthin ja Atlantan välillä, kun MEA stimuloi pneumaattista kättä. MEART esitettiin ensimmäistä kertaa yleisölle näyttelyn Biofeel klo Perthin nykytaiteen instituutti vuonna 2002.
