Víceelektrodová pole (MEA) nebo mikroelektrodová pole jsou zařízení, která obsahují více destiček nebo dříků, jejichž prostřednictvím jsou získávány nebo dodávány neuronové signály, sloužící v podstatě jako nervová rozhraní, která spojují neurony s elektronickými obvody. Existují dvě obecné třídy MEA: implantabilní MEA používané in vivo a neimplantabilní MEA používané in vitro.
Neurony a svalové buňky vytvářejí při excitaci iontové proudy přes své membrány, což způsobuje změnu napětí uvnitř i vně buňky. Při nahrávání elektrody na MEA přenášejí změnu napětí z prostředí neseného ionty do proudů nesených elektrony (elektronické proudy). Při stimulaci elektrody přenášejí prostřednictvím médií elektronické proudy do iontových proudů. To spouští napěťově řízené iontové kanály na membránách excitovatelných buněk, což způsobuje depolarizaci buňky a spuštění akčního potenciálu, pokud se jedná o neuron nebo záškuby, pokud se jedná o svalovou buňku.[citace nutná]
Velikost a tvar zaznamenaného signálu závisí na několika faktorech: na povaze média, ve kterém se buňka nebo buňky nacházejí (např. elektrická vodivost, kapacita a homogenita média), na povaze kontaktu mezi buňkami a elektrodou MEA (např. oblast kontaktu a těsnost), na povaze samotné elektrody MEA (např. její geometrie, impedance a šum), na zpracování analogového signálu (např. zisk systému, šířka pásma a chování mimo mezní frekvence); a na vlastnostech vzorkování dat (např. frekvence vzorkování a zpracování digitálního signálu). Pro záznam jediného článku, který částečně pokrývá planární elektrodu, je napětí na kontaktní ploše přibližně rovno napětí překrývající se oblasti článku a elektrody vynásobené poměrem plochy překrývající se oblasti k ploše celé elektrody, nebo:
za předpokladu, že oblast kolem elektrody je dobře izolovaná a má s ní spojenou velmi malou kapacitu. Výše uvedená rovnice však spoléhá na modelování elektrody, buněk a jejich okolí jako ekvivalentního obvodového diagramu. Alternativním způsobem předpovídání chování buňky-elektrody je modelování systému pomocí analýzy konečných prvků založené na geometrii ve snaze obejít omezení zjednodušování systému v paušálním obvodovém diagramu.
MEA lze použít k provádění elektrofyziologických experimentů na tkáňových řezech nebo na disociovaných buněčných kulturách. U akutních tkáňových řezů jsou spojení mezi buňkami uvnitř tkáňových řezů před extrakcí a pokovováním víceméně zachována, zatímco mezibuněčná spojení v disociovaných kulturách jsou před pokovováním zničena. U disociovaných neuronálních kultur neurony spontánně vytvářejí sítě.
Lze pozorovat, že amplituda napětí, kterou elektroda prožívá, je nepřímo úměrná vzdálenosti, ze které se buňka depolarizuje. Proto může být nutné buňky kultivovat nebo jinak umístit co nejblíže k elektrodám. U tkáňových řezů se v důsledku edému vytvoří kolem místa řezu vrstva elektricky pasivních odumřelých buněk. Způsob, jak se s tím vypořádat, je vyrobit MEA s trojrozměrnými elektrodami vyrobenými maskováním a chemickým leptáním. Tyto 3D elektrody pronikají vrstvou odumřelé buňky tkáně řezu a snižují vzdálenost mezi živými buňkami a elektrodami. V disociovaných kulturách je pro získání robustních signálů důležitá správná přilnavost buněk k substrátu MEA.
První implantovatelná pole byla mikrodrátová pole vyvinutá v 50. letech 20. století. První experiment zahrnující použití pole planárních elektrod pro záznam z kultivovaných buněk provedl v roce 1972 C.A. Thomas, Jr. a jeho kolegové. Experimentální sestava používala 2 x 15 pole zlatých elektrod pokovených platinovou černí, z nichž každá byla od sebe vzdálena 100 µm. Myocyty sklizené z embryonálních kuřat byly disociovány a kultivovány na MEA a byly zaznamenávány signály s vysokou amplitudou až do 1 mV. MEA byly zkonstruovány a použity pro zkoumání elektrofyziologie hlemýždích ganglií nezávisle G. Grossem a jeho kolegy v roce 1977 bez předchozí znalosti práce Thomase a jeho kolegů. V roce 1982 Gross pozoroval spontánní elektrofyziologickou aktivitu z disociovaných míšních neuronů a zjistil, že tato aktivita je velmi závislá na teplotě. Pod 30˚C signální amplitudy rychle klesají na relativně malou hodnotu při pokojové teplotě.
Před 90. lety 20. století existovaly významné vstupní bariéry pro nové laboratoře, které se snažily provádět výzkum MEA kvůli zakázkové výrobě MEA a softwaru, který musely vyvinout. S příchodem cenově dostupného výpočetního výkonu a komerčního hardwaru a softwaru MEA však mohly mnohé další laboratoře provádět výzkum pomocí MEA.
Mikroelektrodová pole lze rozdělit do podkategorií podle jejich možného využití: in vitro a in vivo pole.
Standardní typ MEA in vitro se dodává ve tvaru 8 x 8 nebo 6 x 10 elektrod. Elektrody jsou typicky složeny z oxidu indiového cínu nebo titanu a mají průměr mezi 10 a 30 μm. Tato pole se běžně používají pro jednobuněčné kultury nebo akutní řezy mozku.
Jednou z výzev mezi in vitro MEA bylo jejich zobrazení pomocí mikroskopů, které používají vysoce výkonné čočky, vyžadující nízké pracovní vzdálenosti v řádu mikrometrů. Aby se tomuto problému předešlo, byly vytvořeny „tenké“ MEA pomocí krycího skla. Tato pole mají přibližně 180 μm, což umožňuje jejich použití s vysoce výkonnými čočkami.
V jiném speciálním provedení je 60 elektrod rozděleno na pole 6 x 5 oddělená 500 μm. Elektrody ve skupině jsou odděleny 30 um o průměru 10 μm. Pole jako toto se používají ke zkoumání lokálních reakcí neuronů a zároveň ke studiu funkční konektivity organotypických řezů.
Prostorové rozlišení je jednou z klíčových výhod MEA a umožňuje přijímat signály vysílané na velkou vzdálenost s vyšší přesností při použití MEA s vysokou hustotou. Tato pole mají obvykle čtvercový rastrový vzor 256 elektrod, které pokrývají plochu 2,8 x 2,8 mm.
Pro získání kvalitního signálu musí být elektrody a tkáň v těsném vzájemném kontaktu. Perforovaná konstrukce MEA vyvíjí na otvory v substrátu podtlak, aby mohly být na elektrodách umístěny plátky tkáně pro zlepšení kontaktu a zaznamenaných signálů.
Jiným přístupem ke snížení impedance elektrod je modifikace materiálu rozhraní, například použitím uhlíkových nanotrubic, nebo modifikace struktury elektrod, například se zlatými nanopilíři nebo nanodutinami.
Schéma elektrodového pole „Utah“ in vivo
Tři hlavní kategorie implantabilních MEA jsou mikrovodičová, křemíková a ohebná mikroelektrodová pole. Mikrovodičová MEA jsou z velké části vyrobena z nerezové oceli nebo wolframu a mohou být použita k odhadu pozice jednotlivých zaznamenaných neuronů pomocí triangulace. Mikropeletová pole na bázi křemíku zahrnují dva specifické modely: pole Michigan a Utah. Michiganská pole umožňují vyšší hustotu senzorů pro implantaci a také vyšší prostorové rozlišení než mikrovodičová MEA. Také umožňují získávat signály po celé délce dříku, spíše než jen na koncích dříků. Na rozdíl od michiganských polí jsou utažská pole trojrozměrná a skládají se ze 100 vodivých křemíkových jehel. V utažském poli jsou však signály přijímány pouze ze špiček každé elektrody, což omezuje množství informací, které lze získat v jeden okamžik. Kromě toho jsou utažská pole vyráběna s nastavenými rozměry a parametry, zatímco michiganské pole umožňuje větší konstrukční volnost. Flexibilní pole, vyrobená z polyimidu, parylenu nebo benzocyklobutenu, poskytují výhodu oproti tuhým mikroelektrodovým polím, protože poskytují užší mechanickou shodu, protože Youngův modul křemíku je mnohem větší než modul mozkové tkáně, což přispívá k zánětu vyvolanému střihem.
Základní jednotkou komunikace neuronů je, alespoň elektricky, akční potenciál. Tento jev „všechno nebo nic“ vzniká na axonovém pahorku, což vede k depolarizaci intracelulárního prostředí, které se šíří po axonu. Tento tok iontů přes buněčnou membránu generuje prudkou změnu napětí v extracelulárním prostředí, což je to, co elektrody MEA nakonec detekují. Počítání a třídění napěťových špiček se tak často používá ve výzkumu k charakterizaci síťové aktivity.
Navíc jsou in vitro pole neinvazivní ve srovnání s fixací náplastí, protože nevyžadují protržení buněčné membrány.
S ohledem na in vivo pole je však hlavní výhodou oproti upínání náplastí vysoké prostorové rozlišení. Implantovatelná pole umožňují získávat signály z jednotlivých neuronů umožňující informace, jako je poloha nebo rychlost pohybu motoru, které mohou být použity k ovládání protetického zařízení.
MEA in vitro jsou méně vhodné pro záznam a stimulaci jednotlivých buněk vzhledem k jejich nízkému prostorovému rozlišení ve srovnání se systémy svorek a dynamických svorek. Složitost signálů, které by elektroda MEA mohla efektivně přenášet do jiných buněk, je ve srovnání se schopnostmi dynamických svorek omezená.
Existuje také několik biologických reakcí na implantaci mikroelektrodového pole, zejména pokud jde o chronickou implantaci. Nejvýznamnější z těchto účinků jsou ztráta neuronálních buněk, jizvení glií a pokles počtu funkčních elektrod. Tkáňová reakce na implantaci je závislá na mnoha faktorech, včetně velikosti dříků MEA, vzdálenosti mezi dříky, složení materiálu MEA a časového období zavedení. Tkáňová reakce se obvykle dělí na krátkodobou a dlouhodobou reakci. Krátkodobá reakce nastává během několika hodin po implantaci a začíná zvýšenou populací astrocytů a gliálních buněk obklopujících zařízení. Přijatá mikroglie pak zahajuje zánět a začíná proces fagocytózy cizího materiálu. Postupem času se astrocyty a mikroglie přijímané do zařízení začnou hromadit a tvoří obal obklopující zařízení, který se rozšiřuje o desítky mikrometrů kolem zařízení. To nejen zvětšuje prostor mezi elektrodovými sondami, ale také izoluje elektrody a zvyšuje měření impedance. Problémy s chronickou implantací polí byly hnací silou ve výzkumu těchto zařízení. Jedna nová studie zkoumala neurodegenerativní účinky zánětu způsobeného chronickou implantací. Imunohistochemické markery ukázaly překvapivou přítomnost hyperfosforylovaného tau, indikátoru Alzheimerovy choroby, poblíž místa záznamu elektrod. Fagocytóza materiálu elektrod také vede ke zpochybňování otázky odpovědi na biokompatibilitu, která byla podle výzkumů nevýznamná a po 12 týdnech in vivo téměř neexistuje. Výzkum k minimalizaci negativních účinků zavedení zařízení zahrnuje povrchové potažení zařízení proteiny, které podporují vazbu neuronů, jako je laminin, nebo látky vylučující léky.
Schéma pro neurálně řízenou animaci
Zdá se, že povaha disociovaných neuronálních sítí nemění ani nesnižuje charakter jejich farmakologické odpovědi ve srovnání s in vivo modely, což naznačuje, že MEA mohou být použity ke studiu farmakologických účinků na disociované neuronální kultury v jednodušším, kontrolovaném prostředí. Řada farmakologických studií využívajících MEA na disociovaných neuronálních sítích, např. studie s ethanolem.
Kromě toho byl proveden rozsáhlý soubor prací o různých biofyzikálních aspektech síťové funkce, a to redukcí jevů obvykle studovaných na úrovni chování na úroveň disociované kortikální sítě. Například schopnost těchto sítí extrahovat prostorové a časové rysy různých vstupních signálů, dynamika synchronizace, citlivost na neuromodulaci a kinetika učení pomocí režimů uzavřené smyčky. A konečně, kombinace technologie MEA s konfokální mikroskopií umožňuje studovat vztahy mezi síťovou aktivitou a synaptickou remodelací.
MEA byly použity k propojení neuronálních sítí s nebiologickými systémy jako regulátor. Například neuro-počítačové rozhraní může být vytvořeno pomocí MEA. Disociované krysí kortikální neurony byly integrovány do uzavřené smyčky zpětné vazby podnět-odezva pro ovládání animace ve virtuálním prostředí. Systém uzavřené smyčky podnět-odezva byl také zkonstruován pomocí MEA Dr. Potterem, Dr. Mandhavanem a Dr. DeMarsem a Markem Hammondem, Kevinem Warwickem a Benem Whalleym na univerzitě v Readingu. Asi 300 000 disociovaných krysích neuronů bylo připevněno na MEA, který byl připojen k motorům a ultrazvukovým senzorům na robotovi a byl upraven tak, aby se při snímání vyhýbal překážkám. Po těchto liniích Shimon Marom a kolegové z Technionu napojili disociované neuronové sítě rostoucí na MEA na robota Lego MindStorms; vizuální pole robota bylo sítí klasifikováno a na kola robota byly dodávány příkazy tak, aby se zcela vyhnul nárazům do překážek. odkaz na film. Zajímavé je, že toto „Braitenbergovo vozidlo“ bylo použito k demonstraci neurčitosti reverzního neuroinženýrství, což ukazuje, že i v jednoduchém nastavení s prakticky neomezeným přístupem ke každé relevantní informaci nebylo možné s jistotou odvodit specifické schéma neurálního kódování, které bylo použito k pohonu chování robotů.
MEA byly použity k pozorování síťové palby v hipokampálních řezech.
Existuje několik implantabilních rozhraní, která jsou v současné době k dispozici pro spotřebitelské použití, včetně hlubokých mozkových stimulátorů, kochleárních implantátů a kardiostimulátorů. Hluboká mozková stimulace (DBS) byla účinná při léčbě pohybových poruch, jako je Parkinsonova choroba, a kochleární implantáty pomohly mnoha lidem zlepšit sluch pomocí stimulace sluchového nervu. Vzhledem ke svému pozoruhodnému potenciálu jsou MEA prominentní oblastí neurovědeckého výzkumu. Výzkum naznačuje, že MEA mohou poskytnout vhled do procesů, jako je tvorba paměti a vnímání, a mohou mít také terapeutickou hodnotu pro stavy, jako je epilepsie, deprese a obsedantně-kompulzivní porucha. Klinické studie využívající zařízení rozhraní pro obnovu motorické kontroly po poranění míchy nebo jako léčbu ALS byly zahájeny v projektu nazvaném BrainGate (viz video demo: BrainGate). MEA poskytují vysoké rozlišení nezbytné pro záznam časově proměnlivých signálů, což jim dává schopnost být použity jak pro kontrolu, tak pro získání zpětné vazby od protetických přístrojů, jak ukázali Kevin Warwick, Mark Gasson a Peter Kyberd. Výzkum naznačuje, že použití MEA může být schopno pomoci při obnově zraku stimulací optické dráhy.
V Reutlingenu se koná dvouleté setkání vědeckých uživatelů, které organizuje Institut přírodních a lékařských věd (NMI) na univerzitě v Tuebingenu. Setkání nabízejí ucelený přehled všech aspektů souvisejících s novým vývojem a současnými aplikacemi Microelectrode Arrays v základních a aplikovaných neurovědách, jakož i v oblasti průmyslového výzkumu léčiv, bezpečnostní farmakologie a neurotechnologií. Dvouletá konference se vyvinula v mezinárodní místo pro vědce vyvíjející a využívající MEA jak z průmyslu, tak z akademické sféry a je uznávána jako informační vědecké fórum vysoké kvality. Příspěvky ze setkání jsou k dispozici jako otevřené příručky řízení.