Mikroelektród tömb - Microelectrode array
A mikroelektród-tömbök ( MEA-k ) (más néven multielektród-tömbök) olyan eszközök, amelyek több (tíz-ezer) mikroelektródot tartalmaznak , amelyeken keresztül neurális jeleket kapnak vagy szállítanak, lényegében neurális interfészként szolgálnak, amelyek összekapcsolják az idegsejteket az elektronikus áramkörökkel . A MEA-knak két általános osztálya van: az in vivo használt beültethető MEA-k és az in vitro használatos nem beültethető MEA-k .
Elmélet
Neuronok és izom sejtek létrehozásához ion áramok révén membránokon gerjesztve, okoznak változást a feszültség , a belső és a külső a sejt. Amikor felvétel, a elektródok egy MEA transzdukálására változása feszültség a környezet által szállított ionok be áramok által szállított elektronok (elektronikus áramok). Stimuláláskor az elektródák az elektronikus áramokat ionos áramokká alakítják át a közegen keresztül. Ez kiváltja a feszültség-kapuzott ioncsatornák a membránok a ingerelhető sejtek, és így a sejt depolarizálódik , és kiváltó akciós potenciál , ha az idegsejt vagy rándulás, ha ez egy izomsejtek.
A rögzített jel nagysága és alakja számos tényezőtől függ: a tápközeg természetétől, amelyben a sejt vagy sejtek találhatók (pl. A közeg elektromos vezetőképessége , kapacitása és homogenitása ); a cellák és az MEA elektróda közötti érintkezés jellege (pl. az érintkezési terület és a feszesség); maga a MEA elektróda jellege (pl. geometriája, impedanciája és zaja); az analóg jelfeldolgozás (pl. a rendszer erősítése , sávszélessége és viselkedése a vágási frekvenciákon kívül ); és az adatokat a mintavétel tulajdonságait (pl mintavételi sebesség és a digitális jelfeldolgozás ). A felvétel egy egyedi sejt, amely részben fedi egy sík elektródot, a feszültséget az érintkezőfelületet közelítőleg egyenlő a feszültség az átfedő régió a sejt és az elektróda szorozni a felülete a átfedő régió területén a teljes elektróda, vagy:
feltételezve, hogy az elektróda körüli terület jól szigetelt és nagyon kis kapacitással rendelkezik. A fenti egyenlet azonban az elektród, cellák és környezetük mint egyenértékű kapcsolási rajz modellezésére támaszkodik . A sejt-elektróda viselkedés előrejelzésének alternatív módja a rendszer modellezése geometrián alapuló végeselemzés segítségével , hogy megpróbálja kijátszani a rendszer túl egyszerűsítésének korlátait egy darabos áramköri elem diagramban.
MEA felhasználható elektrofiziológiai kísérletek elvégzésére szövetszeleteken vagy disszociált sejttenyészeteken . Akut szövetszeletek esetén az extrakciót és a lemezezést megelőzően a szövetszeleteken belül a sejtek közötti kapcsolatok többé-kevésbé megmaradnak, míg a disszociált tenyészetekben a sejtek közötti kapcsolatok megsemmisülnek a szélesztés előtt. A disszociált neuronkultúrákkal az idegsejtek spontán módon képeznek hálózatokat .
Látható, hogy az elektróda által tapasztalt feszültség amplitúdó fordítottan összefügg azzal a távolsággal, amelytől egy cella depolarizálódik. Szükség lehet tehát a sejtek tenyésztésére vagy más módon történő elhelyezésére az elektródákhoz a lehető legközelebb. A szövetszeletekkel az ödéma következtében egy elektromosan passzív elhalt sejtréteg képződik a bemetszés helye körül . Ennek kezelése az, ha háromdimenziós elektródákkal készítünk MEA-t maszkolással és kémiai maratással . Ezek a 3-D elektródák behatolnak a szelet szövet elhalt sejtrétegébe, csökkentve az élő sejtek és az elektródák közötti távolságot. Diszociált kultúrákban a sejtek megfelelő tapadása az MEA szubsztráthoz fontos a robusztus jelek bejutásához.
Történelem
Az első beültethető tömbök az 1950-es években kifejlesztett mikrohálózati tömbök voltak. Az első kísérletet, amely sík elektródák felhasználásával történt tenyésztett sejtek rögzítésére, 1972-ben hajtotta végre CA Thomas Jr. és munkatársai. A kísérleti elrendezéshez 2x15 tömb arany elektródákat alkalmaztak platina feketével , amelyek mindegyike 100 µm-re volt egymástól. Az embrionális csirkékből gyűjtött miocitákat disszociáltuk és tenyésztettük az MEA-kra, és rögzítettük az 1 mV magas amplitúdójú jeleket. MEA-k épültek és használt felfedezéséhez elektrofiziológiai csiga ganglionok által önállóan Günter Gross és kollégái, a Center for Network Neuroscience 1977 előzetes ismerete nélkül Thomas és kollégái munkáját. 1982-ben Gross megfigyelte a disszociált gerincvelő neuronok spontán elektrofiziológiai aktivitását , és megállapította, hogy az aktivitás nagyon függ a hőmérséklettől. Kb. 30˚C alatt a jel amplitúdója szobahőmérsékleten gyorsan csökken, viszonylag kis értékre .
Az 1990-es évek előtt jelentős belépési korlátok álltak fenn az új laboratóriumok előtt, amelyek MEA-kutatásra törekedtek az egyedi MEA-gyártás és az általuk fejlesztendő szoftverek miatt. A megfizethető számítási teljesítmény és a kereskedelmi forgalomban lévő MEA hardver és szoftver megjelenésével azonban számos más laboratórium képes volt kutatásokat végezni az MEA-k felhasználásával. Ez az invazív elektrofiziológiai laboratóriumi technika hatékonyabb lehet, mint a tapaszbilincses módszer.
Típusok
A mikroelektród-tömbök alkategóriákra oszthatók lehetséges felhasználásuk alapján: in vitro és in vivo tömbök.
In vitro tömbök
Az in vitro MEA standard típusa 8 x 8 vagy 6 x 10 elektróda mintázatú. Az elektródák jellemzően indium-ón-oxidból vagy titánból állnak, átmérőjük 10 és 30 μm között van. Ezeket a tömböket általában egysejtes tenyészetekhez vagy akut agyszeletekhez használják.
Az in vitro MEA-k egyik kihívása az volt, hogy nagy teljesítményű lencséket használó mikroszkóppal készítették őket, mikrométeres nagyságrendű kis munkatávolságot igényelve. A probléma elkerülése érdekében fedőrétegű üvegből "vékony" -MEA-kat hoztak létre. Ezek a tömbök körülbelül 180 μm-esek, így nagy teljesítményű lencsékkel használhatók.
Egy másik speciális kivitelben 60 elektródot osztanak fel 6 × 5 tömbökre, amelyeket 500 μm választ el. A csoporton belüli elektródákat 30 um választja el 10 μm átmérővel. Az ilyen tömböket az idegsejtek helyi válaszainak vizsgálatára használják, miközben az organotípusos szeletek funkcionális összekapcsolhatóságát is tanulmányozzák.
A térbeli felbontás az MEA-k egyik fő előnye, és lehetővé teszi a nagy távolságra küldött jelek nagyobb pontossággal történő felvételét, ha nagy sűrűségű MEA-t használnak. Ezeknek a tömböknek általában négyzet alakú rácsmintája 256 elektróda, amelyek területe 2,8-2,8 mm.
A megnövekedett térbeli felbontást CMOS-alapú nagy sűrűségű mikroelektród tömbök biztosítják, amelyek több ezer elektródot tartalmaznak, integrált leolvasási és stimulációs áramkörökkel, miniatűr méretű kompakt chipeken. Még az egy axonok mentén terjedő jelek felbontását is bizonyították.
Minőségi jelek elérése érdekében az elektródáknak és a szöveteknek szoros kapcsolatban kell állniuk egymással. A perforált MEA kialakítás negatív nyomást gyakorol az aljzat nyílásaira, így szövetszeletek helyezhetők el az elektródákon az érintkezés és a rögzített jelek fokozása érdekében.
Az elektródimpedancia csökkentésére egy másik megközelítés az interfész anyagának módosítása, például szén nanocsövek alkalmazásával , vagy az elektródák szerkezetének módosítása, például arany nanoszlopokkal vagy nan üregekkel.
In vivo tömbök
A beültethető MEA-k három fő kategóriája: mikrohuzal, szilícium alapú és rugalmas mikroelektród tömbök. A Microwire MEA-k nagyrészt rozsdamentes acélból vagy volfrámból készülnek, és felhasználhatók az egyes rögzített idegsejtek helyzetének becslésére háromszögeléssel. A szilícium alapú mikroelektród tömbök két specifikus modellt tartalmaznak: a Michigan és a Utah tömböket. A Michigan-tömbök lehetővé teszik az érzékelők nagyobb sűrűségét a beültetéshez, valamint nagyobb térbeli felbontást, mint a mikrohuzal MEA-k. Azt is lehetővé teszik, hogy a jeleket a szár hossza mentén kapják, nem csak a szárak végén. A michigani tömbökkel ellentétben az utahai tömbök 3D-sek, 100 vezetőképes szilícium tűből állnak. Utah-i tömbben azonban csak az egyes elektródák csúcsairól érkeznek jelek, amelyek korlátozzák az egyszerre megszerezhető információk mennyiségét. Ezenkívül a Utah-tömböket meghatározott méretekkel és paraméterekkel gyártják, míg a Michigan-tömb nagyobb tervezési szabadságot tesz lehetővé. A poliimidből , parilénből vagy benzociklobuténből készült rugalmas tömbök előnyöket nyújtanak a merev mikroelektródos tömbökhöz képest, mivel ezek szorosabb mechanikai egyezést adnak, mivel a Young szilícium -modulusa sokkal nagyobb, mint az agyszöveté, hozzájárulva a nyírás okozta gyulladáshoz .
Adatfeldolgozási módszerek
Az idegsejtek kommunikációjának alapvető egysége legalább elektromosan az akciós potenciál. Ez minden vagy semmi jelenség származik a axondomb , így a depolarizáció az intracelluláris környezet terjed ki a axon . Ez a sejtmembránon átáramló ionáramlás éles feszültségváltozást generál az extracelluláris környezetben, amit végül a MEA elektródok detektálnak. Így a hálózati aktivitás jellemzésére a kutatásban gyakran használják a feszültség-csúcsok számlálását és válogatását. Tüskevonat-elemzéssel a feldolgozási idő és a memória kiszámítása is megtakarítható a feszültségmérésekhez képest. A tüske időbélyegei azok az idők, amikor az egyes elektródák által mért feszültség meghaladja a küszöbértéket (amelyet gyakran egy inaktív időtartam átlagától szokásos eltérések határoznak meg). Ezek az időbélyegek tovább feldolgozhatók a sorozatok (több tüske közvetlen közelében) azonosítására. Ezen vonatok további elemzése feltárhatja a tüskeszerveződést és az időbeli mintákat.
Képességek
Előnyök
Általánosságban elmondható, hogy az in vitro tömbök főbb erősségei a hagyományosabb módszerekhez, például a tapasz befogásához képest :
- Több elektróda egyszerre történő elhelyezésének engedélyezése, nem pedig egyenként
- A vezérlők beállításának lehetősége ugyanazon kísérleti beállításon belül (egy elektróda vezérlésként, mások pedig kísérleti használatával). Ez különösen érdekes a stimulációs kísérleteknél.
- Különböző felvételi helyek kiválasztásának lehetősége a tömbön belül
- Az a képesség, hogy egyszerre több webhelyről fogadjon adatokat
- Az ép retinákból származó felvételek nagy érdeklődésre tartanak számot a valós idejű optikai stimuláció leadásának lehetősége és például a receptív mezők rekonstrukciójának lehetősége miatt.
Ezenkívül az in vitro tömbök nem invazívak a tapasz befogásához képest, mivel nem igénylik a sejtmembrán megtörését.
Az in vivo tömbök tekintetében azonban a patch rögzítéssel szemben a fő előny a nagy térbeli felbontás. A beültethető tömbök lehetővé teszik az egyes idegsejtekből származó jelek előállítását, amelyek lehetővé teszik a protetikai eszköz vezérléséhez szükséges információk, például a motor mozgásának helyzetét vagy sebességét . Az állatok viselkedése során nagy léptékű, párhuzamos felvételek több tíz beültetett elektródával lehetségesek, legalábbis rágcsálókban. Ez az ilyen extracelluláris felvételeket választja a neurális áramkörök azonosításához és funkcióinak tanulmányozásához. A felvett idegsejtek egyértelmű azonosítása többelektródás extracelluláris tömbök alkalmazásával azonban mind a mai napig probléma.
Hátrányok
Az in vitro MEA-k alacsonyabb térbeli felbontásuk miatt kevésbé alkalmasak egyes sejtek rögzítésére és stimulálására, a patch clamp és a dynamic clamp rendszerekhez képest. A dinamikus bilincsek képességeihez képest korlátozott azon jelek bonyolultsága, amelyeket egy MEA elektróda hatékonyan továbbíthat más cellákba.
Számos biológiai válasz adódik a mikroelektród-tömb beültetésére is, különös tekintettel a krónikus beültetésre. E hatások közül a legjelentősebb az idegsejtek vesztesége, a glia hegesedése és a működő elektródák számának csökkenése. Az implantációra adott szöveti válasz számos tényezőtől függ, beleértve az MEA szárak méretét, a szárak közötti távolságot, az MEA anyag összetételét és a beillesztés időtartamát. A szöveti válasz jellemzően rövid és hosszú távú válaszokra oszlik. A rövid távú válasz az implantációt követő néhány órán belül jelentkezik, és az eszközt körülvevő asztrociták és gliasejtek megnövekedett populációjával kezdődik . A toborzott mikroglia ezután gyulladást indít, és megkezdődik az idegen anyag fagocitózisának folyamata . Az idő múlásával az eszközre toborzott asztrociták és mikroglia kezd felhalmozódni, és a tömböt körülvevő burkot képez, amely több tíz mikrométert nyújt az eszköz körül. Ez nem csak megnöveli az elektródaszondák közötti teret, hanem szigeteli az elektródákat és növeli az impedancia mérését. A tömbök krónikus beültetésével kapcsolatos problémák hajtóerőt jelentettek ezen eszközök kutatásában. Egy új tanulmány a krónikus beültetés okozta gyulladás neurodegeneratív hatásait vizsgálta . Az immunhisztokémiai markerek meglepő módon hiperfoszforilált tau-t mutattak ki, amely az Alzheimer-kór indikátora , az elektród felvételi hely közelében. Az elektród anyag fagocitózisa a biokompatibilitási válasz kérdését is megkérdőjelezi, amely a kutatások szerint kisebb mértékű és szinte nem létezik 12 hét in vivo után . Az eszköz behelyezésének negatív hatásainak minimalizálására irányuló kutatás magában foglalja az eszközök felületének bevonását olyan proteinekkel, amelyek ösztönzik az idegsejtek kötődését, például laminint vagy gyógyszer eluáló anyagokat.
Alkalmazások
In vitro
A disszociált neuronhálózatok jellege az in vivo modellekhez képest, úgy tűnik, nem változtatja meg vagy csökkenti farmakológiai válaszának jellegét , ami arra utal, hogy az MEA-kat fel lehet használni a disszociált neuronkultúrák farmakológiai hatásainak tanulmányozására egyszerűbb, kontrolláltabb környezetben. Számos farmakológiai tanulmány MEA-kat használva disszociált neuronhálózatokon, pl . Etanollal végzett vizsgálatok . A laboratóriumok közötti validálást MEA-k segítségével végezték.
Ezenkívül jelentős munkát végeztek a hálózati funkció különféle biofizikai vonatkozásain azáltal, hogy a viselkedési szinten általában vizsgált jelenségeket disszociált kortikális hálózati szintre redukálták. Például az ilyen hálózatok képessége a különféle bemeneti jelek térbeli és időbeli jellemzőinek kinyerésére, a szinkronizálás dinamikája, a neuromodulációra való érzékenység és a zárt hurkú rendszerekkel történő tanulás kinetikája. Végül az MEA technológia és a konfokális mikroszkópia kombinációja lehetővé teszi a hálózati aktivitás és a szinaptikus átalakítás közötti összefüggések tanulmányozását.
Az MEA-kat arra használták, hogy kontrollerként összekapcsolják az idegsejt-hálózatokat a nem biológiai rendszerekkel. Például egy MEA-k segítségével létrehozható egy neurális-számítógép interfész. A disszociált patkány kérgi neuronokat egy zárt inger-válasz visszacsatolási hurokba integráltuk, hogy egy animát virtuális környezetben irányítsunk. A zártláncú inger-válasz rendszer is szerkesztettek alkalmazásával MEA Potter, Mandhavan és DeMarse és Mark Hammond, Kevin Warwick , és Ben Whalley a Readingi Egyetem . Mintegy 300 000 disszociált patkányneuront helyeztek el egy MEA-n, amelyet robotok motorjaihoz és ultrahang- érzékelőihez csatlakoztattak , és kondicionálták az akadályok elkerülése érdekében. Ezen a vonalon Shimon Marom és munkatársai a Technionban egy MEA-n növekvő disszociált neuronhálózatokat kapcsoltak egy Lego Mindstorms robothoz; a robot látóterét a hálózat osztályozta, és a parancsokat úgy juttatták el a robot kerekeire, hogy az teljesen elkerülje az akadályokba ütközést. Ezt a "Braitenberg-járművet" használták a fordított neurotechnika meghatározhatatlanságának bemutatására, megmutatva, hogy még egy egyszerű beállításban is, gyakorlatilag korlátlan hozzáféréssel minden releváns információhoz, lehetetlen bizonyossággal levezetni azt a specifikus idegi kódolási rendszert, amelyet vezesse a robotok viselkedését.
A MEA-kat a hálózati tüzelés megfigyelésére használták hippokampusz szeletekben.
In vivo
Számos beültethető interfész létezik jelenleg a fogyasztók számára, beleértve a mély agyi stimulátorokat , a cochleáris implantátumokat és a szívritmus-szabályozókat . A mély agyi stimuláció (DBS) hatékonyan kezelte a mozgászavarokat, mint például a Parkinson-kór , és a cochleáris implantátumok sokaknak segítettek hallásuk javításában, segítve a hallóideg stimulálását . Figyelemre méltó potenciáljuk miatt a MEA-k az idegtudományi kutatás kiemelkedő területei. Kutatások szerint a MEA-k betekintést nyújthatnak az olyan folyamatokba, mint a memória kialakulása és az észlelés, és terápiás értéket is képviselhetnek olyan állapotok esetén, mint az epilepszia , a depresszió és a rögeszmés-kényszeres rendellenességek . A BrainGate nevű projektben klinikai vizsgálatokat indítottak interfész eszközökkel a motoros kontroll helyreállításához a gerincvelő sérülése után vagy az ALS kezeléseként (lásd a videobemutatót: BrainGate ). A MEA-k biztosítják az időváltozó jelek rögzítéséhez szükséges nagy felbontást, lehetővé téve számukra, hogy mind a vezérléshez, mind a protetikai eszközök visszacsatolásához hozzájussanak, amint azt Kevin Warwick , Mark Gasson és Peter Kyberd is megmutatta . A kutatások szerint az MEA használata segíthet a látás helyreállításában az optikai út serkentésével .
MEA felhasználói találkozók
Kétévente tudományos felhasználói találkozót tartanak Reutlingenben , a Tübingeni Egyetem Természettudományi és Orvostudományi Intézete (NMI) szervezésében . A megbeszélések átfogó áttekintést nyújtanak a mikroelektród-tömbök új fejlesztéseivel és jelenlegi alkalmazásaival kapcsolatos összes szempontról az alap- és alkalmazott idegtudományban, valamint az ipari gyógyszerkutatásban, a biztonsági farmakológiában és a neurotechnológiában. A kétévente megrendezésre kerülő konferencia nemzetközi színterévé fejlődött az ipar és az egyetemek MEA-jait fejlesztő és felhasználó tudósok számára, és elismerten magas színvonalú, információval teli tudományos fórum. Az értekezlet hozzászólásai nyílt hozzáférésű könyvként érhetők el.
Használja a művészetben
A tudományos célokra történő felhasználás mellett a MEA-kat a kortárs művészetben a technológia és a biológia kapcsolatával kapcsolatos filozófiai kérdések megvizsgálására is alkalmazták . Hagyományosan a nyugati gondolkodásmódban a biológiát és a technológiát két külön kategóriába sorolták: bios és technê. 2002-ben MEART: a félig élő művész jött létre, mint egy kollaboratív művészeti és tudományos projekt között SymbioticA a University of Western Australia a Perth , és a Potter Lab a Georgia Institute of Technology in Atlanta , hogy megkérdőjelezik a kapcsolatát a biológia és technológia. A MEART egy atlantai MEA-n in vitro növesztett patkány agykérgi idegsejtekből , egy pneumatikus robotkarból állt, amely Perth-ben tollal papírra tudott rajzolni, valamint a kettő közötti kommunikációt irányító szoftverből állt. Az idegsejtek jeleit zárt hurkban továbbítottuk Perth és Atlanta között, amikor az MEA stimulálta a pneumatikus karot. MEART először mutatta be a nagyközönségnek a kiállításon Biofeel a Perth Institute of Contemporary Arts 2002-ben.
