基于微电极陈列的嗅觉神经芯片及其测试系统的研制

　　动物和人体的嗅觉系统已经有了几百万年进化的历史,它能对大量不同的复杂气味进行辨识。人类嗅觉能够识别和区分含量低至10-12级微量易挥发的不同分子结构的化学物。到底是什么原因使嗅觉系统能对气味进行精确辨识一直是神经信息学研究中的热门课题之一[1]。长期以来,由于嗅觉感受器位置的隐蔽性及其生理的特殊性造成了目前人工感觉系统的发展中人工嗅觉系统的开发水平远低于其它人工感觉系统。在嗅觉系统的研究中,其中具有代表性意义的是Axel和Buck世纪人才基金(NCET-06-0527)从1991年开始所从事的研究工作,在持续了10余年的研究后,其成果获得了2004年诺贝尔生理学或医学奖。这是人们从分子水平到细胞的组织方式上研究了嗅觉系统,并阐述了嗅觉系统气味识别在空间编码上的识别机理。但是从时间编码的角度来看,特别是嗅觉中枢信息处理的过程及相关的分子机制尚有很多方面有待更进一步深入研究[2-3]。

　　目前,MEA成为系统生物学实验中主要的工具[4-5]。MEA提供了一个样本跨度从细胞水平到组织水平和生物系统水平的研究平台。用微电极阵列能无损、快速、长时间胞外同时记录细胞群体的电活动。神经元群体发放模式往往携带有更为丰富和精确信息,有助于对神经元群体编码和信息传递过程进行分析,即在网络水平上研究神经元自发时间和空间活动模式[6]。MEA非常适合用于探测分离培养细胞的网络或系统行为特性。它不仅可以记录单个神经元的响应幅度的事件关联,更重要的是能记录到沿神经元分布的神经冲动的精确时间关联。这种相关性分析,是神经生物学研究中的重要工具。在研究神经元连通性模型时,时间相关分析可以作为功能解剖工具来判断两个神经元是否存在相互作用的互动调节。微电极同时记录分布式神经元活动对于分析神经元电发放的时空模式有指导性作用,可以揭示出神经网络中的精确时间相关特性和放电模式的同步性。因此,分析多位点同时记录的神经元的时空关联,可以探测到沿着皮层网络传播的同步冲动。通过对这种分布式神经元放电的精确时间关联编码的分析,可以提供进一步的线索来理解神经信息处理的机理。MEA为神经信息时空编码的研究提供了有力的研究平台[7]。

　　本文在MEA的芯片表面上研究了大鼠嗅觉系统神经细胞的培养方法,制作了嗅球神经网络细胞芯片。通过72通道神经信号接口调理电路和神经信号同步采集系统[8],获取了微电极阵列芯片上嗅球神经网络的神经电生理信号。文中比较了不同培养时期神经网络的形态及其相应的电生理信号,并初步分析了嗅球神经网络电生理信号的复杂性。这个工作对基于MEA的嗅觉系统的时间编码研究的平台构建做了初步的尝试,并为下步即将开展的基于时间编码和实验验证的嗅觉系统生理建模的研究打下了良好的基础。此外,通过文中大鼠全心离体心电信号采集和海马神经网络自发放信号采集的实验,文中建立的基于MEA的微电极阵列及其神经信号采集分析系统的检测平台可广泛适用于神经细胞电生理和神经生物学的研究。