stringtranslate.com

Запись одного устройства

В нейронауке , записи отдельных единиц (также, записи отдельных нейронов) обеспечивают метод измерения электрофизиологических реакций одного нейрона с использованием системы микроэлектродов . Когда нейрон генерирует потенциал действия , сигнал распространяется вниз по нейрону как ток, который течет в клетку и из нее через возбудимые области мембраны в соме и аксоне . Микроэлектрод вводится в мозг, где он может регистрировать скорость изменения напряжения по отношению к времени. Эти микроэлектроды должны быть с тонкими наконечниками, согласованными по импедансу ; [1] они в основном представляют собой стеклянные микропипетки, металлические микроэлектроды, изготовленные из платины, вольфрама, иридия или даже оксида иридия. [2] [3] [4] Микроэлектроды можно осторожно размещать близко к клеточной мембране , что позволяет производить внеклеточную запись .

Записи отдельных единиц широко используются в когнитивной науке , где они позволяют анализировать человеческое познание и кортикальное картирование . Эта информация затем может быть применена к технологиям интерфейса мозг-машина (ИМТ) для управления мозгом внешних устройств. [5]

Обзор

Существует множество методов регистрации активности мозга, включая электроэнцефалографию (ЭЭГ), магнитоэнцефалографию (МЭГ) и функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), но они не позволяют получить разрешение по одному нейрону. [6] Нейроны являются основными функциональными единицами в мозге; они передают информацию по телу с помощью электрических сигналов, называемых потенциалами действия. В настоящее время записи отдельных единиц обеспечивают наиболее точные записи от одного нейрона. Отдельная единица определяется как одиночный активирующий нейрон, чьи пиковые потенциалы отчетливо изолированы регистрирующим микроэлектродом. [3]

Возможность записи сигналов от нейронов сосредоточена вокруг электрического тока, проходящего через нейрон. Когда потенциал действия распространяется через клетку, электрический ток течет в сому и аксоны и из них в возбудимых областях мембраны. Этот ток создает измеримый, изменяющийся потенциал напряжения внутри (и снаружи) клетки. Это позволяет использовать два основных типа одноблочных записей. Внутриклеточные одноблочные записи происходят внутри нейрона и измеряют изменение напряжения (по отношению ко времени) через мембрану во время потенциалов действия. Это выводится в виде следа с информацией о мембранном потенциале покоя , постсинаптических потенциалах и спайках через сому (или аксон). В качестве альтернативы, когда микроэлектрод находится близко к поверхности клетки, внеклеточные записи измеряют изменение напряжения (по отношению ко времени) вне клетки, предоставляя только информацию о спайках. [7] Для одноблочных записей могут использоваться различные типы микроэлектродов; они, как правило, имеют высокое сопротивление, тонкие наконечники и являются проводящими. Тонкие наконечники обеспечивают легкое проникновение без значительного повреждения клетки, но они также коррелируют с высоким импедансом. Кроме того, электрическая и/или ионная проводимость позволяют производить записи как с неполяризующихся, так и с поляризующихся электродов. [8] Двумя основными классами электродов являются стеклянные микропипетки и металлические электроды. Заполненные электролитом стеклянные микропипетки в основном используются для внутриклеточных единичных записей; металлические электроды (обычно из нержавеющей стали, платины, вольфрама или иридия) используются для обоих типов записей. [3]

Записи отдельных единиц предоставили инструменты для исследования мозга и применения этих знаний в современных технологиях. Когнитивисты использовали записи отдельных единиц в мозге животных и людей для изучения поведения и функций. Электроды также могут быть вставлены в мозг пациентов с эпилепсией для определения положения эпилептических очагов. [6] Совсем недавно записи отдельных единиц использовались в интерфейсах мозг-машина (ИММ). ИММ записывают сигналы мозга и декодируют предполагаемый ответ, который затем управляет движением внешнего устройства (например, курсора компьютера или протеза конечности). [5]

История

Возможность записи с отдельных единиц началась с открытия того, что нервная система имеет электрические свойства. С тех пор записи с отдельных единиц стали важным методом понимания механизмов и функций нервной системы. На протяжении многих лет записи с отдельных единиц продолжали давать представление о топографическом картировании коры. Окончательное развитие микроэлектродных решеток позволило производить запись с нескольких единиц одновременно.

Электрофизиология

В основе единичной записи лежит способность регистрировать электрические сигналы от нейронов.

Нейронные потенциалы и электроды

Когда микроэлектрод вводится в водный ионный раствор, катионы и анионы имеют тенденцию реагировать с электродом, создавая интерфейс электрод-электролит. Формирование этого слоя было названо слоем Гельмгольца . Распределение заряда происходит по электроду, что создает потенциал, который можно измерить относительно эталонного электрода. [3] Метод регистрации нейронного потенциала зависит от типа используемого электрода. Неполяризующиеся электроды являются обратимыми (ионы в растворе заряжаются и разряжаются). Это создает ток, протекающий через электрод, что позволяет измерять напряжение через электрод относительно времени. Обычно неполяризующиеся электроды представляют собой стеклянные микропипетки, заполненные ионным раствором или металлом. Альтернативно, идеальные поляризованные электроды не имеют преобразования ионов; это, как правило, металлические электроды. [8] Вместо этого ионы и электроны на поверхности металла становятся поляризованными относительно потенциала раствора. Заряды ориентируются на интерфейсе, создавая двойной электрический слой; затем металл действует как конденсатор. Изменение емкости по отношению ко времени можно измерить и преобразовать в напряжение с помощью мостовой схемы. [27] Используя эту технику, когда нейроны запускают потенциал действия, они создают изменения в потенциальных полях, которые можно записать с помощью микроэлектродов. Было показано, что записи отдельных единиц из корковых областей моделей грызунов зависят от глубины, на которой были расположены участки микроэлектродов. [28] При сравнении состояний анестезии и бодрствования было показано, что активность отдельных единиц в моделях грызунов при 2% изофлуране снижает уровень шума в неврологических записях; даже несмотря на то, что записи в состоянии бодрствования показали 14%-ное увеличение амплитуды напряжения от пика до пика. [29]

Внутриклеточно электроды напрямую регистрируют активацию потенциала действия, покоя и постсинаптического потенциала. Когда нейрон активируется, ток течет внутрь и наружу через возбудимые области в аксонах и теле клетки нейрона. Это создает потенциальные поля вокруг нейрона. Электрод около нейрона может обнаружить эти внеклеточные потенциальные поля, создавая спайк. [3]

Экспериментальная установка

Основное оборудование, необходимое для записи отдельных единиц, — это микроэлектроды, усилители , микроманипуляторы и записывающие устройства. Тип используемого микроэлектрода будет зависеть от области применения. Высокое сопротивление этих электродов создает проблему при усилении сигнала. Если бы он был подключен к обычному усилителю с низким входным сопротивлением, на микроэлектроде возникло бы большое падение потенциала, и усилитель измерял бы только небольшую часть истинного потенциала. Чтобы решить эту проблему, необходимо использовать усилитель катодного повторителя в качестве устройства согласования импеданса для сбора напряжения и подачи его на обычный усилитель. Для записи с одного нейрона необходимо использовать микроманипуляторы для точного введения электрода в мозг. Это особенно важно для внутриклеточной записи отдельных единиц.

Наконец, сигналы должны быть экспортированы на записывающее устройство. После усиления сигналы фильтруются с помощью различных методов. Их можно записать с помощью осциллографа и камеры, но более современные методы преобразуют сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя и выводят на компьютер для сохранения. Методы обработки данных могут позволить разделение и анализ отдельных единиц. [7]

Типы микроэлектродов

Существует два основных типа микроэлектродов, используемых для одноблочной записи: стеклянные микропипетки и металлические электроды. Оба являются электродами с высоким импедансом, но стеклянные микропипетки обладают высоким сопротивлением, а металлические электроды имеют частотно-зависимый импеданс. Стеклянные микропипетки идеально подходят для измерения потенциала покоя и действия, в то время как металлические электроды лучше всего использовать для измерения внеклеточных спайков. Каждый тип имеет различные свойства и ограничения, которые могут быть полезны в определенных приложениях.

Стеклянные микропипетки

Стеклянные микропипетки заполняются ионным раствором, чтобы сделать их проводящими; электрод из хлорида серебра (Ag-AgCl) погружается в заполняющий раствор в качестве электрического терминала. В идеале ионные растворы должны иметь ионы, подобные ионным видам вокруг электрода; концентрация внутри электрода и окружающей жидкости должна быть одинаковой. Кроме того, диффузионные характеристики различных ионов внутри электрода должны быть схожими. Ион также должен быть способен «обеспечивать пропускную способность тока, достаточную для нужд эксперимента». И, что важно, он не должен вызывать биологических изменений в клетке, которую он регистрирует. Электроды Ag-AgCl в основном используются с раствором хлорида калия (KCl). В случае электродов Ag-AgCl ионы реагируют с ним, создавая электрические градиенты на границе раздела, создавая изменение напряжения по времени. С электрической точки зрения наконечники стеклянных микроэлектродов имеют высокое сопротивление и высокую емкость. Они имеют размер наконечника приблизительно 0,5-1,5 мкм с сопротивлением около 10-50 МОм. Маленькие наконечники позволяют легко проникать через клеточную мембрану с минимальным повреждением для внутриклеточных записей. Микропипетки идеально подходят для измерения покоящегося мембранного потенциала и с некоторыми корректировками могут регистрировать потенциалы действия. Есть некоторые проблемы, которые следует учитывать при использовании стеклянных микропипеток. Чтобы компенсировать высокое сопротивление в стеклянных микропипетках, катодный повторитель должен использоваться в качестве усилителя первой ступени. Кроме того, через стекло и проводящий раствор развивается высокая емкость, которая может ослаблять высокочастотные отклики. Этим электродам и усилителям также присущи электрические помехи. [7] [30]

Металл

Металлические электроды изготавливаются из различных типов металлов, обычно кремния, платины и вольфрама. Они «напоминают протекающий электролитический конденсатор, имеющий очень высокое низкочастотное сопротивление и низкое высокочастотное сопротивление». [30] Они больше подходят для измерения внеклеточных потенциалов действия, хотя стеклянные микропипетки также могут использоваться. Металлические электроды полезны в некоторых случаях, поскольку они имеют высокое отношение сигнал/шум из-за более низкого сопротивления для частотного диапазона пиковых сигналов. Они также имеют лучшую механическую жесткость для прокалывания мозговой ткани. Наконец, их легче изготавливать в различных формах и размерах наконечников в больших количествах. [3] Платиновые электроды покрыты платиновым черным покрытием и изолированы стеклом. «Обычно они дают стабильные записи, высокое отношение сигнал/шум, хорошую изоляцию и довольно прочны при обычных размерах наконечников». Единственным ограничением является то, что наконечники очень тонкие и хрупкие. [7] Кремниевые электроды представляют собой сплавные электроды, легированные кремнием, и изолирующий стеклянный покровный слой. Кремниевая технология обеспечивает лучшую механическую жесткость и является хорошим поддерживающим носителем, позволяющим использовать несколько точек записи на одном электроде. [31] Вольфрамовые электроды очень прочные и обеспечивают очень стабильную запись. Это позволяет изготавливать вольфрамовые электроды с очень маленькими наконечниками для изоляции высоких частот. Однако вольфрам очень шумит на низких частотах. В нервной системе млекопитающих, где есть быстрые сигналы, шум можно удалить с помощью фильтра верхних частот. Медленные сигналы теряются при фильтрации, поэтому вольфрам не является хорошим выбором для записи этих сигналов. [7]

Приложения

Записи отдельных единиц позволили отслеживать активность отдельных нейронов. Это позволило исследователям раскрыть роль различных частей мозга в функционировании и поведении. Совсем недавно запись отдельных нейронов можно было использовать для разработки устройств, «управляемых разумом».

Когнитивная наука

Неинвазивные инструменты для изучения ЦНС были разработаны для предоставления структурной и функциональной информации, но они не обеспечивают очень высокого разрешения. Чтобы компенсировать эту проблему, были использованы инвазивные методы записи. Методы записи отдельных единиц дают высокое пространственное и временное разрешение, что позволяет получить информацию для оценки взаимосвязи между структурой мозга, функцией и поведением. Рассматривая активность мозга на уровне нейронов, исследователи могут связать активность мозга с поведением и создать нейронные карты, описывающие поток информации через мозг. Например, Боро и др. сообщают об использовании записей отдельных единиц для определения структурной организации базальных ганглиев у пациентов с болезнью Паркинсона . [32] Вызванные потенциалы предоставляют метод для связывания поведения с функцией мозга. Стимулируя различные реакции, можно визуализировать, какая часть мозга активируется. Этот метод использовался для изучения когнитивных функций, таких как восприятие, память, язык, эмоции и двигательный контроль. [5]

Интерфейсы мозг-машина

Интерфейсы мозг-машина (ИММ) были разработаны в течение последних 20 лет. Регистрируя потенциалы отдельных единиц, эти устройства могут декодировать сигналы через компьютер и выводить этот сигнал для управления внешним устройством, таким как курсор компьютера или протез конечности . ИММ имеют потенциал для восстановления функций у пациентов с параличом или неврологическими заболеваниями. Эта технология имеет потенциал для охвата широкого круга пациентов, но пока недоступна клинически из-за отсутствия надежности в регистрации сигналов с течением времени. Основная гипотеза относительно этой неудачи заключается в том, что хроническая воспалительная реакция вокруг электрода вызывает нейродегенерацию, которая уменьшает количество нейронов, которые он может записывать (Николелис, 2001). [33] В 2004 году было начато пилотное клиническое испытание BrainGate для «проверки безопасности и осуществимости системы нейронного интерфейса, основанной на внутрикортикальной 100-электродной кремниевой регистрирующей решетке». Эта инициатива оказалась успешной в продвижении BCI, и в 2011 году были опубликованы данные, показывающие долгосрочный компьютерный контроль у пациента с тетраплегией (Simeral, 2011). [34]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Коган, Стюарт Ф. (2008). «Нейронная стимуляция и регистрирующие электроды». Ежегодный обзор биомедицинской инженерии . 10 : 275–309. doi :10.1146/annurev.bioeng.10.061807.160518. PMID  18429704.
  2. ^ Коган, Стюарт Ф.; Эрлих, Джулия; Планте, Тимоти Д.; Смирнов, Антон; Шайр, Дуглас Б.; Джинджерич, Маркус; Риццо, Джозеф Ф. (2009). «Напыленные пленки оксида иридия для электродов нейронной стимуляции». Журнал исследований биомедицинских материалов, часть B: прикладные биоматериалы . 89B (2): 353–361. doi :10.1002/jbm.b.31223. PMC 7442142. PMID  18837458 . 
  3. ^ abcdef Boulton, AA (1990). Нейрофизиологические методы: применение к нейронным системам . Клифтон, Нью-Джерси: Humana Press.
  4. ^ Maeng, Jimin; Chakraborty, Bitan; Geramifard, Negar; Kang, Tong; Rihani, Rashed T.; Joshi-Imre, Alexandra; Cogan, Stuart F. (2019). «Высокоемкие распыленные электроды для стимуляции нейронов из оксида иридия, нанесенные с использованием водяного пара в качестве реактивного компонента плазмы». Журнал исследований биомедицинских материалов, часть B: прикладные биоматериалы . 108 (3): 880–891. doi : 10.1002/jbm.b.34442 . PMID  31353822.
  5. ^ abc Cerf, M (2010). «Человеческие внутричерепные записи и когнитивная нейронаука». Nature . 467 (7319): 1104–1108. doi :10.1038/nature09510. PMC 3010923 . PMID  20981100. 
  6. ^ ab Baars, BJ (2010). Познание, мозг и сознание: введение в когнитивную нейронауку . Oxford: Elsevier.
  7. ^ abcde Томпсон, РФ (1973). Методы биоэлектрической регистрации: Часть А. Клеточные процессы и потенциалы мозга . Нью-Йорк: Academic Press.
  8. ^ ab Gesteland, RC; Howland, B. (1959). «Комментарии к микроэлектродам». Труды IRE . 47 (11): 1856–1862. doi :10.1109/jrproc.1959.287156. S2CID  51641398.
  9. ^ Piccolino M (1997). «Луиджи Гальвани и животное электричество: два столетия после основания электрофизиологии». Trends in Neurosciences . 20 (10): 443–448. doi :10.1016/s0166-2236(97)01101-6. PMID  9347609. S2CID  23394494.
  10. ^ Лопес-Муньос Ф.; Бойя Х.; и др. (2006). «Теория нейронов, краеугольный камень нейронауки, к столетию вручения Нобелевской премии Сантьяго Рамону-и-Кахалю». Brain Research Bulletin . 70 (4–6): 391–405. doi :10.1016/j.brainresbull.2006.07.010. PMID  17027775. S2CID  11273256.
  11. ^ Адриан, Э.Д. (1954). «Основа ощущения». British Medical Journal . 1 (4857): 287–290. doi :10.1136/bmj.1.4857.287. PMC 2093300. PMID  13115699 . 
  12. ^ Реншоу Б.; Форбс А.; и др. (1939). «Активность изокортекса и гиппокампа: электрические исследования с помощью микроэлектродов». Журнал нейрофизиологии . 3 (1): 74–105. doi :10.1152/jn.1940.3.1.74.
  13. ^ Woldring S, Dirken MN (1950). «Спонтанная активность единиц в поверхностных слоях коры». Acta Physiol Pharmacol Neerl . 1 (3): 369–79. PMID  14789543.
  14. ^ Li C.-L.; Jasper H. (1952). «Микроэлектродные исследования электрической активности коры головного мозга у кошек». Журнал физиологии . 121 (1): 117–140. doi :10.1113/jphysiol.1953.sp004935. PMC 1366060. PMID  13085304 . 
  15. ^ Hodgkin AL; Huxley AF (1952). «Количественное описание мембранного тока и его применение к проводимости и возбуждению в нерве». Журнал физиологии . 117 (4): 500–544. doi :10.1113/jphysiol.1952.sp004764. PMC 1392413. PMID  12991237 . 
  16. ^ Dowben RM; Rose JE (1953). «Микроэлектрод, заполненный металлом». Science . 118 (3053): 22–24. Bibcode :1953Sci...118...22D. doi :10.1126/science.118.3053.22. PMID  13076162.
  17. ^ Грин Дж. Д. (1958). «Простой микроэлектрод для регистрации сигналов центральной нервной системы». Nature . 182 (4640): 962. Bibcode :1958Natur.182..962G. doi : 10.1038/182962a0 . PMID  13590200. S2CID  4256169.
  18. ^ Wolbarsht ML; MacNichol EF; et al. (1960). «Стеклянный изолированный платиновый микроэлектрод». Science . 132 (3436): 1309–1310. Bibcode :1960Sci...132.1309W. doi :10.1126/science.132.3436.1309. PMID  17753062. S2CID  112759.
  19. ^ Marg E.; Adams JE (1967). «Постоянные множественные микроэлектроды в мозге». Электроэнцефалография и клиническая нейрофизиология . 23 (3): 277–280. doi :10.1016/0013-4694(67)90126-5. PMID  4167928.
  20. ^ Шмидт EM; Макинтош JS; и др. (1978). «Тонкий контроль оперантно обусловленных паттернов срабатывания корковых нейронов». Experimental Neurology . 61 (2): 349–369. doi :10.1016/0014-4886(78)90252-2. PMID  101388. S2CID  37539476.
  21. ^ Кругер Дж.; Бах М. (1981). «Одновременная запись с 30 микроэлектродами в зрительной коре обезьяны». Experimental Brain Research . 41 (2): 191–4. CiteSeerX 10.1.1.320.7615 . doi :10.1007/bf00236609. PMID  7202614. S2CID  61329. 
  22. ^ Джонс К. Э.; Хубер Р. Б.; и др. (1992). «Интракортикальная электродная решетка из композитного стекла и кремния». Annals of Biomedical Engineering . 20 (4): 423–37. doi :10.1007/bf02368134. PMID  1510294. S2CID  11214935.
  23. ^ Rousche PJ; Normann RA (1998). «Возможность хронической записи интракортикальной электродной решетки Юты в сенсорной коре головного мозга кошки». Journal of Neuroscience Methods . 82 (1): 1–15. doi :10.1016/s0165-0270(98)00031-4. PMID  10223510. S2CID  24981753.
  24. ^ Hoogerwerf AC; Wise KD (1994). «Трехмерная микроэлектродная решетка для хронической нейронной регистрации». Труды IEEE по биомедицинской инженерии . 41 (12): 1136–46. doi :10.1109/10.335862. PMID  7851915. S2CID  6694261.
  25. ^ Kennedy PR; Bakay RAE (1998). «Восстановление нейронного выхода у парализованного пациента путем прямого подключения мозга». NeuroReport . 9 (8): 1707–1711. doi :10.1097/00001756-199806010-00007. PMID  9665587. S2CID  5681602.
  26. ^ Маск, Илон (2019). «Интегрированная платформа интерфейса мозг-машина с тысячами каналов». Журнал медицинских интернет-исследований . 21 (10): e16194. bioRxiv 10.1101/703801 . doi : 10.2196/16194 . PMC 6914248. PMID  31642810 .  
  27. ^ Робинсон, ДА (1968). «Электрические свойства металлических микроэлектродов». Труды IEEE . 56 (6): 1065–1071. doi :10.1109/proc.1968.6458.
  28. ^ Usoro, Joshua O.; Dogra, Komal; Abbott, Justin R.; Radhakrishna, Rahul; Cogan, Stuart F.; Pancrazio, Joseph J.; Patnaik, Sourav S. (октябрь 2021 г.). «Влияние глубины имплантации на производительность мест регистрации внутрикортикальных зондов». Micromachines . 12 (10): 1158. doi : 10.3390/mi12101158 . PMC 8539313 . PMID  34683209. 
  29. ^ Sturgill, Brandon; Radhakrishna, Rahul; Thai, Teresa Thuc Doan; Patnaik, Sourav S.; Capadona, Jeffrey R.; Pancrazio, Joseph J. (2022-03-20). «Характеристика активного выхода электродов для внутрикорковых массивов: бодрствование против анестезии». Micromachines . 13 (3): 480. doi : 10.3390/mi13030480 . ISSN  2072-666X. PMC 8955818 . PMID  35334770. 
  30. ^ ab Geddes, LA (1972). Электроды и измерение биоэлектрических событий. Нью-Йорк, John Wiley & Sons, Inc.
  31. ^ Wise KD; Angell JB; et al. (1970). «Подход к внеклеточным микроэлектродам с использованием интегральных схем» (PDF) . IEEE Transactions on Biomedical Engineering . 17 (3): 238–246. doi :10.1109/tbme.1970.4502738. PMID  5431636. S2CID  11414381.
  32. ^ Боро Т.; Безард Э.; и др. (2002). «От регистрации единичной внеклеточной единицы при экспериментальном и человеческом паркинсонизме к разработке функциональной концепции роли базальных ганглиев в контроле движений». Прогресс в нейробиологии . 66 (4): 265–283. doi :10.1016/s0301-0082(01)00033-8. PMID  11960681. S2CID  23389986.
  33. ^ Nicolelis MAL (2001). «Действия из мыслей». Nature . 409 (6818): 403–407. Bibcode :2001Natur.409..403N. doi : 10.1038/35053191 . PMID  11201755. S2CID  4386663.
  34. ^ Simeral JD; Kim SP; et al. (2011). «Нейронный контроль траектории курсора и щелчка человеком с тетраплегией через 1000 дней после имплантации интракортикальной микроэлектродной матрицы». Журнал нейронной инженерии . 8 (2): 025027. Bibcode : 2011JNEng...8b5027S. doi : 10.1088/1741-2560/8/2/025027. PMC 3715131. PMID  21436513 . 

Ссылки

Внешние ссылки