Matriz micropozo-microcanal

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Micropozo-microcanal matrices (MEAs) o microelectrodo las matrices son dispositivos que contienen múltiples placas o caña que nervios señales de son obtenidos o entregado, sirviendo esencialmente como interfaces neuronales que conectan neuronas Para circuitos electrónicos. Hay dos clases generales de AMMA: MEAs implantables, utilizados en vivoy MEAs no implantables, utilizados en vitro.

Contenido

  • 1 Teoría de la
  • 2 Historia
  • 3 Tipos de
    • 3.1 In vitro arreglos de discos
    • 3.2 En vivo arreglos de discos
  • 4 Métodos de procesamiento de datos
  • 5 Capacidades de
    • 5.1 Ventajas
    • 5.2 Desventajas
  • 6 Aplicaciones
    • 6.1 In vitro
    • 6.2 En vivo
  • 7 Reuniones de usuarios MEA
  • 8 Uso en arte
  • 9 Véase también
  • 10 Referencias

Teoría de la

Las neuronas y músculo crean células ion las corrientes a través de sus membranas Cuando excitado, provocando un cambio en tensión entre el interior y el exterior de la célula. Durante la grabación, el electrodos en un MEA transduce el cambio en tensión del ambiente por iones en corrientes por electrones (corrientes electrónicas). Al estimular, electrodos transduce las corrientes electrónicas en las corrientes iónicas a través de los medios de comunicación. Esto desencadena la canales voltaje-bloqueados del ion en el membranas de las células excitables, causando la célula despolarizar y desencadenar una potencial de acción Si es una neurona o una contracción si se trata de una célula del músculo.[citación necesitada]

El tamaño y la forma de una señal grabada dependen de varios factores: la naturaleza del medio en el cual la celda o celdas están ubicadas (por ejemplo, el medio conductividad eléctrica, capacitancia, y homogeneidad); la naturaleza del contacto entre las células y el electrodo MEA (p. ej. área de contacto y la tensión); la naturaleza del electrodo MEA sí mismo (por ejemplo, su geometría, impedanciay ruido); el procesamiento de señal analógica de (por ejemplo, el sistema ganancia, ancho de banday el comportamiento fuera de frecuencias de corte); y los datos toma de muestras propiedades (p. ej. frecuencia de muestreo y procesamiento digital de señales).[1] Para la grabación de una sola célula que cubre parcialmente un electrodo planar, el voltaje en el almohadilla de contacto es aproximadamente igual a la tensión de la región traslapada de la célula y electrodos multiplicado por el cociente de la área de la superficie de la región traslapada a la zona del electrodo entero, o:

V_{pad}=V_{overlap}\times\frac{A_{overlap}}{A_{electrode}}

Suponiendo que el área alrededor de un electrodo es bien aislados y tiene una capacitancia muy pequeña asociados con él.[1] La ecuación anterior, sin embargo, se basa en modelar el electrodo, las células y su entorno como un equivalente diagrama del circuito. Medios alternativos de predicción del comportamiento de la célula de electrodos está modelando el sistema basado en una geometría Análisis de elementos finitos en un intento de eludir las limitaciones de la simplificación del sistema en un diagrama del circuito hidrológico del elemento.[2]

Un MEA puede utilizarse para realizar electrofisiológicos experimentos sobre rebanadas de tejido o disociado de cultivos celulares. Con rebanadas de tejido aguda, las conexiones entre las células dentro de las rebanadas de tejido antes de la extracción y la galjanoplastia se conservan más o menos, mientras que las conexiones intercelulares en las culturas disociadas son destruidas antes de la galjanoplastia. Con culturas disociadas neuronales, las neuronas forman espontáneamente redes.[3]

Puede verse que la tensión amplitud experiencias de un electrodo es inversamente relacionadas con la distancia desde el que una célula se despolarice.[4] Por lo tanto, puede ser necesario para las células para ser cultivadas o lo contrario colocado tan cerca de los electrodos como sea posible. Con trozos de tejido, una capa de forma pasiva eléctricamente células muertas alrededor del sitio de incisión debido a edema.[5] Una manera de abordarlo es por fabricar una MEA con electrodos tridimensionales fabricados por enmascaramiento de y grabado químico. Estos electrodos tridimensionales penetran en la capa de células muertas del tejido rebanada, disminuyendo la distancia entre los electrodos y células vivas.[6] En culturas disociadas, adherencia adecuada de las células al sustrato MEA es importante para obtener señales robustas.

Historia

Los primeros arreglos implantables fueron arreglos de microhilo desarrollados en la década de 1950.[7] En 1972 se realizó el primer experimento que implica el uso de una matriz de electrodos planares para grabar en las células cultivadas por C.A. Thomas, Jr. y sus colegas.[4] El montaje experimental utilizado una matriz de 2 x 15 de oro electrodos revestidos con platino negro, cada uno espaciados 100 µm aparte de uno al otro. Miocitos cosechada de embrionarias pollitos fueron disociados y cultivadas en los AMUMA y señales de hasta 1 mV alta amplitud fueron registrados.[8] MEAs fueron construidos y utilizados para explorar la electrofisiología del caracol ganglios independientemente por G. Gross y sus colegas en 1977 sin previo conocimiento de Thomas y sus colegas.[4] En 1982, bruta observada actividad electrofisiológica espontánea de disociado médula espinal las neuronas y encontró que la actividad era muy dependiente de la temperatura. A continuación sobre 30 ° c las amplitudes de señal disminuyen rápidamente al valor relativamente pequeño en temperatura ambiente.[4]

Antes de la década de 1990, importantes barreras de entrada existió para nuevos laboratorios que pretendía investigar MEA debido a la fabricación personalizada de MEA y tuvieron que desarrollar software.[3] Sin embargo, con el advenimiento de la potencia informática asequible[1] y comercial MEA hardware y software,[3] muchos otros laboratorios fueron capaces de llevar a cabo investigaciones utilizando MEAs.

Tipos de

Arreglos de microelectrodos se pueden dividir en subcategorías basadas en su uso potencial: en vitro y en vivo arreglos de discos.

In vitro arreglos de discos

Un en vitro MEA

El tipo estándar de en vitro MEA viene en un patrón de 8 x 8 o 6 x 10 electrodos. Los electrodos se componen típicamente de óxido de estaño indio o titanio y tienen diámetros de entre 10 y 30 μm. Estas matrices se utilizan normalmente para cultivos unicelulares o rebanadas de cerebro agudo.[1]

Un desafío entre en vitro MEAs ha sido la proyección de imagen con Microscopios que usan lentes de alta potencia, que requieren baja Distancias de trabajo del orden de micrómetros. Para evitar este problema, "thin"-AMUMA ha sido creado usando el vidrio cubreobjetos. Estas matrices son aproximadamente 180 μm, lo que les permite utilizarse con lentes de alta potencia.[1][9]

En otro diseño especial, 60 electrodos se dividen en arreglos de discos de 6 x 5 separadas por 500 μm. Electrodos dentro de un grupo están separados por 30 um de diámetro de 10 μm. Arreglos de discos como este se utilizan para examinar respuestas locales de neuronas mientras estudiaba también la conectividad funcional de organotypic rebanadas.[1][10]

Resolución espacial es una de las principales ventajas de los AMUMA y permite que las señales enviadas a larga distancia a tomarse con mayor precisión cuando se utiliza una alta densidad MEA. Estas matrices tienen generalmente un patrón de cuadrícula de 256 electrodos que cubren un área de 2.8 por 2.8 mm.[1]

Mayor resolución espacial es proporcionado por arreglos de microelectrodos de alta densidad basada en CMOS con miles de electrodos junto con circuitos integrados de lectura y estimulación en chips compactos del tamaño de una imagen en miniatura.[11] Se ha demostrado aún la resolución de las señales de propagación a lo largo de axones individuales.[12]

Para obtener las señales de calidad los electrodos y el tejido deben estar en estrecho contacto uno con el otro. El diseño perforado de la MEA se aplica negativa presión a las aperturas en el sustrato para que ese tejido rebanadas pueden ser colocados en los electrodos para mejorar el contacto y registró las señales.[1]

Un enfoque diferente para reducir la impedancia del electrodo es por modificación del material de interfaz, por ejemplo mediante el uso de nanotubos de carbono,[13][14] o por modificación de la estructura de los electrodos, con por ejemplo oro nanopillars[15] o nanocavities.[16]

En vivo arreglos de discos

Esquema de "Utah" en vivo arsenal de electrodo

Las tres categorías principales de MEAs implantables son microwire, silicio-base,[17] y arreglos de microelectrodos flexible. MEAs de microhilos en gran parte están hechas de acero inoxidable acero o tungsteno y pueden ser utilizados para estimar la posición de neuronas individuales grabadas por triangulación. Arreglos de microelectrodos basados en silicio incluyen dos modelos concretos: las matrices Michigan y Utah. Arreglos de discos de Michigan permiten una mayor densidad de sensores para la implantación, así como una mayor resolución espacial que el microhilo MEAs. También permiten que las señales obtenidas a lo largo de la longitud de la caña, y no sólo en los extremos de la caña. En contraste con arreglos de Michigan, Utah las matrices son 3-d, que consta de 100 agujas de silicio conductoras. Sin embargo, en una matriz de Utah las señales se reciben solamente desde las puntas de los electrodos, que limita la cantidad de información que puede obtenerse al mismo tiempo. Además, matrices de Utah están fabricados con dimensiones set y parámetros mientras que la matriz de Michigan permite más libertad de diseño. Arreglos de discos flexibles, con Polyimide, Parylene, o benzocyclobutene, proporcionar una ventaja sobre arreglos de microelectrodos rígido porque proporcionan un combate mecánico más cercano, como el Módulo de Young de silicio es mucho más grande que el del tejido de cerebro, contribuyendo a la inducida por el esfuerzo cortante inflamación.[7]

Métodos de procesamiento de datos

La unidad fundamental de la comunicación de las neuronas es, eléctricamente, por lo menos, el potencial de acción. Este fenómeno todo o nada se origina en la hillock del Axon,[18] lo que resulta en una despolarización del ambiente intracelular que se propaga hacia abajo el Axon. Este flujo de iones a través de la membrana celular genera un cambio brusco en la tensión en el ambiente extracelular, que es lo que en última instancia, detectan los electrodos MEA. Así, pico de voltaje de conteo y clasificación se utiliza a menudo en la investigación para caracterizar la actividad de la red.

Capacidades de

Ventajas

En general, las principales fortalezas de en vitro en comparación con los métodos tradicionales tales como los arreglos de discos parche de sujeción incluyen:[19]

  • Que permite la colocación de múltiples electrodos a la vez que individualmente
  • La capacidad de configurar los controles dentro de la misma configuración experimental (mediante el uso de un electrodo como un control y otros como experimental). Esto es de particular interés en los experimentos de estimulación.
  • La capacidad para seleccionar sitios de diferentes grabaciones dentro de la matriz
  • La capacidad para recibir simultáneamente datos desde múltiples sitios
  • Grabaciones de las retinas de los intactas son de gran interés debido a la posibilidad de entregar estimulación óptica en tiempo real y, por ejemplo, la posibilidad de reconstruir los campos receptivos.

Por otra parte, en vitro las matrices son no invasiva comparado con parche de sujeción ya no requieren la ruptura de la membrana celular.

Con respecto a la en vivo matrices sin embargo, la mayor ventaja sobre el parche de fijación es la alta resolución espacial. Arreglos implantables permiten señales de neuronas individuales, lo que permite obtener información como la posición o velocidad de movimiento del motor que puede utilizarse para controlar una prótesis dispositivo. Grabaciones a gran escala, paralelas con decenas de electrodos implantados son posibles, al menos en roedores, en comportamiento animal. Esto hace que tales grabaciones extracelulares el método de elección para identificar circuitos neuronales y para el estudio de sus funciones. Identificación inequívoca de la neurona registrada con electrodos múltiples matrices extracelulares, sin embargo, sigue siendo un problema hasta la fecha.

Desventajas

In vitro MEAs son menos adecuados para el registro y estimulación de las células debido a su baja resolución espacial en comparación con abrazadera del remiendo y pinza dinámica sistemas. La complejidad de las señales de que un electrodo MEA puede transmitir eficazmente a otras células es limitada en comparación con las capacidades de las abrazaderas de la dinámicas.

Hay también varias respuestas biológicas a la implantación de un arreglo de microelectrodos, particularmente en lo que respecta a la implantación crónica. Lo más notable entre estos efectos son pérdida de células neuronales, marcar con una cicatriz glialy una disminución en el número de electrodos de funcionamiento.[20] La respuesta tisular a la implantación depende entre muchos factores incluyendo el tamaño de la caña de la MEA, distancia entre la caña, la composición del material MEA y período de inserción. La respuesta tisular se divide típicamente en respuesta a largo plazo y a corto plazo. La respuesta a corto plazo se produce en horas de la implantación y comienza con una población mayor de astrocitos y células gliales que rodea el dispositivo. La contratación microglia luego iniciar la inflamación y un proceso de fagocitosis de los extraños empieza. Con el tiempo, los astrocitos y microglía reclutada al dispositivo comienzan a acumularse, formando una vaina alrededor de la matriz que se extiende decenas de micrómetros alrededor del dispositivo. Esto no sólo aumenta el espacio entre electrodos de sondas, pero también aísla los electrodos y las mediciones de impedancia. Problemas con la implantación crónica de matrices han sido una fuerza impulsora en la investigación de estos dispositivos. Un nuevo estudio examinado la neurodegenerativas efectos de la inflamación causada por la implantación crónica.[21] Immunohistochemical los marcadores mostraron una sorprendente presencia de tau hiperfosforilada, un indicador de Enfermedad de Alzheimer, cerca del sitio de grabación de electrodo. La fagocitosis de material del electrodo también trae a la pregunta la cuestión de una respuesta de biocompatibilidad, sugiere que la investigación ha sido menor y se convierte en prácticamente inexistente después de 12 semanas en vivo. Investigación para minimizar los efectos negativos de la inserción de un dispositivo incluye el revestimiento de la superficie de los dispositivos con proteínas que se animar a accesorio de la neurona, tales como laminin, o de la droga liberador de sustancias.[22]

Aplicaciones

In vitro

Diagrama esquemático para un animat neurally controlado

La naturaleza de las redes neuronales disociadas parece no cambiar o disminuir el carácter de su farmacológicas respuesta en comparación con en vivo modelos, sugiriendo que MEAs pueden utilizarse para el estudio de efectos farmacológicos en disociarse cultivos neuronales en un entorno más simple y controlado.[23] Un número de estudios farmacológicos con MEAs disociado en redes neuronales, por ejemplo, estudios con etanol.[24]

Además, un considerable cuerpo de trabajo sobre diversos aspectos biofísicos de la función de la red se llevó a cabo mediante la reducción de fenómenos estudiados generalmente a nivel de comportamiento para el nivel de red cortical disociado. Por ejemplo, la capacidad de esas redes para extraer espacial[25] y temporal[26] características de varias señales de entrada, dinámica de la sincronización,[27] sensibilidad a la neuromodulación[28][29][30] y cinética de aprendizaje utilizando regímenes de lazo.[31][32] Finalmente, combinando tecnología MEA con microscopía confocal permite estudiar las relaciones entre la actividad de red y remodelación sináptica.[9]

MEAs se han utilizado para un controlador de interfaz de redes neuronales con sistemas no-biológicos. Por ejemplo, una interfaz de computadora neuronal puede crearse utilizando medidas disociado rata cortical las neuronas fueron integradas en un circuito de retroalimentación cerrado estímulo-respuesta para controlar un animat en un entorno virtual.[33] A lazo cerrado sistema de estímulo-respuesta también se ha construido utilizando un MEA por el Dr. Potter, Dr. Mandhavan y Dr. DeMarse,[34] y por Mark Hammond, Kevin Warwicky Ben Whalley en la Universidad de Reading. Unos 300.000 neuronas de rata disociada fueron plateadas en un MEA, que fue conectado a motores y ultrasonido sensores de un robot y fue acondicionado para evitar obstáculos cuando detecta.[35] A lo largo de estas líneas, Shimon Marom y colegas en la Technion enganchados a redes neuronales disociadas en MEAs a un LEGO Mindstorms robot; el campo de visión del robot fue clasificado por la red, y los comandos fueron entregados a las ruedas del robot que evita totalmente chocar contra obstáculos.[25] Enlace a película. Curiosamente, esto «Vehículo de Braitenberg» fue utilizado para demostrar la indeterminación de neuro-ingeniería inversa [36] demostrando que incluso en una configuración simple con acceso prácticamente ilimitado a cada pieza de información relevante, era imposible deducir con certeza la específica codificación neural esquema que fue utilizado para conducir el comportamiento de robots.

MEAs se han utilizado para observar la red en hipocampo rodajas.[37]

En vivo

Hay varias interfaces implantables que están actualmente disponibles para el consumidor incluyendo uso estimuladores cerebrales profundos, implantes cocleares, y marcapasos cardiacos. Estimulación cerebral profunda (DBS) ha sido eficaz en el tratamiento de trastornos del movimiento tales como Enfermedad de Parkinson,[38] y los implantes cocleares han ayudado a muchos a mejorar su audición, ayudando a la estimulación de la nervio auditivo. Debido a su notable potencial, MEAs son un área prominente de la investigación de la neurociencia. La investigación sugiere que MEAs pueden proporcionar la penetración en procesos como la formación de la memoria y la percepción y también pueden tener valor terapéutico para las condiciones tales como epilepsia, depresión, y trastorno obsesivo compulsivo[citación necesitada]. Ensayos clínicos usando dispositivos de interfaz para restaurar control motor después de lesión de la médula espinal o como tratamiento para ALS se han iniciado en un proyecto titulado compuerta (ver vídeo de demostración: Compuerta). MEAs proporcionan la alta resolución necesaria para un tiempo récord diferentes señales, dándoles la capacidad de utilizarse tanto controlar y obtener retroalimentación de dispositivos protésicos, como fue demostrado por Kevin Warwick, Mark Gasson y Peter Kyberd.[39][40] La investigación sugiere que MEA uso puede ser capaces de ayudar en la restauración de la visión mediante la estimulación de la vía óptica.[7]

Reuniones de usuarios MEA

Una BIANUAL reunión de usuario científico en Reutlingen, organizado por la Instituto de Ciencias naturales y médicas (NMI) en la Universidad de Tuebingen. Las reuniones ofrecen una visión completa de todos los aspectos relacionados con nuevos desarrollos y aplicaciones actuales de arreglos de microelectrodos en Neurociencia básica y aplicada, así como en el descubrimiento de medicamentos industriales, farmacología de seguridad y Neurotecnología. La conferencia bianual se ha convertido en un lugar internacional para desarrollar y utilizar medidas de la industria y la academia de científicos y es reconocida como un foro científico llenos de información de alta calidad. Las contribuciones de la reunión están disponibles como libros de procedimiento de acceso abierto.

Uso en arte

Además de ser utilizado para fines científicos, MEAs se han utilizado en arte contemporáneo investigar cuestiones filosóficas acerca de la relación entre tecnología y biología. Tradicionalmente en el pensamiento occidental, biología y la tecnología han sido separados en dos categorías distintas: BIOS y technê.[41] En 2002, MEART: El artista semi-vivos fue creado como un proyecto colaborativo de arte y la ciencia entre SymbioticA en el Universidad de Australia occidental en Perthy el laboratorio de Potter en el Instituto de Georgia de la tecnología en Atlanta, a cuestionar la relación entre biología y tecnología.[42][43][44][45] MEART consistió en neuronas corticales de rata cultivadas en vitro en un MEA en Atlanta, un brazo de robot neumático capaz de dibujar con bolígrafos sobre papel en Perth y software para dirigir las comunicaciones entre los dos. Las señales de las neuronas fueron reenviadas en un lazo cerrado entre Perth y Atlanta como la MEA estimuló el brazo neumático. MEART primero fue exhibida al público en la exposición Biofeel en el Perth Institute of Contemporary Arts en el año 2002.[46][47]

Véase también

  • Animat
  • Marcapasos artificial
  • Estimulación cerebral profunda
  • Abrazadera del remiendo
  • Bioelectrónica

Referencias

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