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    一款用于高通道的微電極陣列

    微流控 ? 來源:麥姆斯咨詢 ? 作者:麥姆斯咨詢 ? 2022-05-25 10:16 ? 次閱讀

    腦機接口離體芯片是在多通道微電極陣列(Microelectrode Array,MEA)上進行體外神經元培養,從而形成神經網絡與人造設備間的通訊機制,是腦機接口方向的一種典型直接神經接口,不僅可以實時獲取神經元的信息活動動態變化,為體外神經網絡信息檢測提供一種高通量、高信噪比和較好生物相容性的檢測工具,還能很好地與藥物調控、電調控等技術相結合來探究調控下神經系統的活動,在腦科學、腦機交互和生命健康領域具有重大科學意義和重要的應用前景。然而,離體神經元檢測與調控的高效器件和芯片的缺乏,許多腦功能在細胞與網絡層面的機制并不明確。通過新型納米復合材料的定向修飾能夠大幅度提升微電極陣列的相關性能,從而為設計并研制先進的腦機接口芯片提供重要思路。

    據麥姆斯咨詢報道,近日,中國科學院空天信息創新研究院蔡新霞團隊和中國醫學科學院基礎醫學研究所許琪團隊合作,制備了一款用于高通道的微電極陣列,適用于體外培養神經元或腦切片的信息檢測與調控。結合了PEDOT:PSS/PtNPs納米功能材料,研制出低阻抗、小相位延遲、高電荷存儲容量、高最大電荷注入密度的腦機接口,可實現精準、安全的電調控海馬神經元產生刺激下的學習功能,并因其高時空分辨的能力記錄到神經元學習過程中電生理特征和記憶曲線,進而探究了大腦學習潛在的神經機制。相關成果以Supplementary Cover形式發表在領域重要期刊ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES上。

    首先,研究人員通過微加工工藝制備了高通道的微電極陣列。材料方面選用了透明石英玻璃基底、Ti/Pt導電層、SiO?/Si?O?絕緣層和納米復合材料界面層。此外,電極陣列包含128個直徑為30μm的檢測位點,可檢測微弱的神經元信號。研究中對比了PEDOT:PSS、PEDOT:PSS/AuNPs和PEDOT:PSS/PtNPs三種納米復合材料的神經界面在神經調控與神經檢測方面的性能。PEDOT:PSS/PtNPs神經界面具有低阻抗、小相位延遲、高電荷存儲容量、高最大電荷注入密度、良好穩定性和生物相容性,有效提高微電極檢測與調控性能,有利于神經信號的調控與檢測。

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    圖1 用于研究腦功能的離體腦機接口平臺

    e7849ea4-dbc7-11ec-ba43-dac502259ad0.png

    圖2 MEA的制造和修飾示意圖

    (a)基板清洗;(b)通過第一次光刻在基板上形成微電極、導線和接觸墊的圖案;(c)濺射Ti/Pt導電層;(d)剝離金屬層;(e)PECVD沉積絕緣層;(f)CHF?蝕刻暴露微電極和接觸墊;(g)PEDOT:PSS電化學沉積到微電極上;(h)PtNPs沉積到PEDOT:PSS層上;(i)高通道微電極陣列;(j)微電極的內部布局。

    為了確認激活神經元的最佳電刺激模式,多種參數的電刺激被應用于海馬神經元。如圖3所示,通過評價刺激后神經元的尖峰放電速率、局部場電位功率和刺激后事件直方圖(PSTH)。確定了幅度為±300mV、脈寬為200μs、頻率為1Hz的雙極性電壓脈沖序列是能夠激活神經元學習的有效模式。

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    圖3 不同頻率電刺激對海馬神經元點活動的影響

    (a)刺激前、0.2Hz刺激后、1Hz刺激后和5Hz刺激后神經元尖峰和LFP功率信號的變化;(b)刺激前、10Hz刺激后、20Hz刺激后和50Hz刺激后神經元尖峰和LFP功率信號的變化;(c)1Hz刺激的刺激后事件直方圖;(d)0.2Hz刺激的刺激后事件直方圖。

    進一步研究發現,海馬神經元在多個訓練電脈沖序列以后表現出學習逐漸加深的特征,在神經電生理上具體表現神經元放電越來越趨向簇狀放電的情況(圖4)。

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    圖4 海馬神經元在學習訓練后的電生理特征

    (a)訓練前、第一次訓練后、第二次訓練后和最后一次訓練后的尖峰放電圖;(b)訓練前、第一次訓練后、第二次訓練后和最后一次訓練后海馬神經元的聯合尖峰間隔分布圖。

    并且神經元學習后,可培養在多通道微電極陣列上的神經元活動之間的相關性與同步性(圖5a和5b)。通過以上結論,研究人員推斷出神經元在學習過程中它們之間的聯系在不斷的加深,就如同人在學習事物時,大腦不同區域產生協同作用最終將事物記下。

    此外,研究發現,在撤去誘導神經元學習的訓練后,神經元依然能保持著刺激引發的高簇狀放電的特征(圖5c)。這貼合人類學習一件事情的記憶曲線。

    e8234900-dbc7-11ec-ba43-dac502259ad0.png

    圖5 學習訓練后海馬神經元之間放電的同步性,以及神經元尖峰和爆發放電的記憶曲線

    (a)網絡同步指標動態變化的過程;(b)不同階段的歸一化平均同步指數(n=30,***p<0.001);(c)訓練期間和訓練后四小時的射擊率和爆發率(n=5)。

    總體而言,基于PEDOT:PSS/PtNPs的高通道微電極陣列組成的腦機接口離體芯片具有良好的生物相容性,與活體腦機接口芯片相比倫理道德的束縛更小,作為重要的研究工具在腦重大疾病、新型藥物研制、新一代人工智能和器官芯片等諸多重要研究領域具有更加廣闊的應用前景。

    論文鏈接:

    https://doi.org/10.1021/acsami.1c23170

    審核編輯 :李倩

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      發表于 09-03 08:43

      RT8452是一款電流模式PWM控制器,設計用于驅動外部MOSFET,用于電流LED應用

      典型應用用于RT8452升壓配置的真PWM調光用于降壓 - 升壓或降壓 - 升壓拓撲的高壓大電流LED驅動器控制器。 RT8452是一款電流模式PWM控制器,設計用于驅動外部MOSFET,用于電流
      發表于 08-30 08:37

      EVAL-AD7785EBZ是一款完整的模擬前端,適用于低頻測量應用

      EVAL-AD7785EBZ,AD7785評估板,是一款低功耗,20位sigma-delta ADC。 AD7785是一款完整的模擬前端,適用于低頻測量應用
      發表于 08-23 08:37

      如何利用兩個波束賦形IC形成八通道線性陣列

      ADI公司推出一款通道X/Ku頻段波束賦形IC,可實現相控陣模擬波束賦形的商業化。本演示利用兩個波束賦形IC形成個八通道線性陣列。
      的頭像 發表于 07-04 06:12 ?1529次閱讀

      一款針對音頻的通道切換的芯片

      `求一款針對音頻通道切換的芯片,要求進兩出,可切換芯片,可以通過軟件來實現輸出通道選擇。`
      發表于 05-10 14:57

      請求推薦一款高性能的AD,分辨率為24位,4~8通道

      尊敬的TI工程師:您好!因項目設計需要一款高性能的AD,分辨率為24位,4~8通道,采樣速率在每秒2M~5M之間的高速、高精度AD芯片,本人在貴公司的《TI模擬信號鏈路產品指南》,仔細尋找了也找不到符合要求的,請求貴公司的工程師能不能推薦幾這樣的AD芯片。謝謝!
      發表于 03-04 07:46

      請問AD7124-8適用于地震勘探嗎?求推薦一款用于地質勘探的24位低功耗ADC

      幫忙推薦一款用于海上地震勘探的24位低功耗ADC ,感謝?。?!
      發表于 01-15 11:21

      請大家給推薦一款集成整個接收通道的芯片

      請大家給推薦一款集成整個接收通道的芯片,集成度越高越好,射頻接收頻段為L波段,最好為非零中頻架構,謝謝。
      發表于 12-20 09:26

      MS522 是一款用于13.56MHz 非接觸式通信中的集成度讀寫卡芯片

      MS522 是一款用于13.56MHz 非接觸式通信中的集成度讀寫卡芯片 描述MS522 是一款用于13.56MHz 非接觸式通信中的集成度讀寫卡芯片,它集成了在13.56MHz 下所有類型
      發表于 11-02 15:03

      能聽到癌癥呻吟的傳感器

      的傳感器,這種傳感器能夠分辨出滴血清中癌癥相關分子的存在。   這種被稱為AcuRay芯片的裝置由排放在張薄膜上的電極陣列構成。當電極陣列上給予個電流時,會發出特定音頻的嗡嗡聲。這個技術本身并不新,但
      發表于 10-26 16:44

      求推薦一款帶寬差分放大器

      求推薦一款帶寬差分放大器,G=+12dB,±5V供電,輸入信號范圍在±1V內,輸出±4V,頻率范圍在DC~200MHz,最好在這個范圍內具備0.1dB平坦度,可適當放寬至0.5dB。謝謝
      發表于 10-15 09:15

      急求一款+-15v供電16位單通道的spi接口的DAC轉換器

      急求一款+-15v供電 16位單通道的spi接口的DAC轉換器?。?!
      發表于 10-01 08:47

      麻煩提供一款通道24位AD,采樣速率100k

      麻煩提供一款通道24位AD,采樣速率100k,謝謝!如果能提供相應的CPU和開發板就更好了。
      發表于 09-27 14:11

      求推薦一款用于光學溶解氧測量的雙路LED驅動芯片

      能否為我推薦一款用于光學溶解氧測量的雙路LED驅動芯片?該芯片輸出雙路的矩形脈沖信號輪流點亮兩只LED,芯片的封裝盡可能簡單最好是SOT23-6,謝謝(光學溶解氧測量的示意圖如下)
      發表于 09-11 10:42

      一款18位低噪聲4 通道基于LTC2357的應用電路設計

      `LTC?2357-18 是一款 18 位、低噪聲、4 通道同時采樣逐次逼近型寄存器 (SAR) ADC,其具有緩沖差分、寬共模范圍 pA 級輸入。該SoftSpan? ADC 依靠個 5V
      發表于 08-14 09:33

      通推出Snapdragon XR1平臺,這是第一款用于AR和VR的芯片

      5月31日消息,據國外媒體報道,通公司宣布推出Snapdragon XR1平臺,這是其第一款專門用于增強和虛擬現實應用的芯片。
      發表于 08-07 11:17 ?873次閱讀

      麻煩推薦一款AD,用來處理濱松的一款TDI CCD

      麻煩推薦一款AD,用來處理濱松的一款TDI CCD,不勝感激!
      發表于 08-02 06:39

      種新穎的多通道線圈陣列的驅動與控制電路

      經顱磁刺激是種無痛、無創的神經刺激技術,近年來在醫學上被廣泛使用。與傳統單通道磁刺激線圈相比,多通道線圈陣列可以實現多點同步刺激、掃描刺激以及刺激模式的靈活切換,因此具有更好的發展前景。但由于線圈
      發表于 12-27 09:47 ?0次下載
      <b>一</b>種新穎的多<b>通道</b>線圈<b>陣列</b>的驅動與控制電路

      鈺芯 金叉指電極 叉指陣列微電極 梳狀電極 梳形電極 指狀電極 電極式傳感器

      鎳,銅,金,鎳-磷,金錫合金基體:氧化鋁,氮化鋁,玻璃,硅片,壓電陶瓷,微波介電陶瓷,塑料薄膜。用于濕度,空氣,液體特征等傳感器。中山大學電子封裝電化學實驗室,叉指電極定制加工精度線寬線距可5微米定制
      發表于 09-19 09:54

      叉指電極 叉指陣列微電極 叉指陣列電極 相關介紹

      ` 叉指電極是通過電化學工藝加工獲得超精細電路,線寬線距大于等于(50,50μm)。作為傳感器,聲表面波濾波器,微波射頻等電信號傳輸核心部件,廣泛應用于移動通信、醫療檢測、環境在線監測等重
      發表于 09-07 10:54

      求推薦一款FPGA,和可以連接的ADC和DAC模塊

      我急需一款FPGA和可以連接的ADC和DAC模塊,FPGA不需要太高端,ADC要求至少12位,采樣率幾MHz都可以,DAC要求至少4通道,14位的。主要用于數字信號處理方面的FFT運算和數值比較。求大神推薦,謝謝!
      發表于 12-07 12:42

      一款用于視頻圖像傳輸的收發模塊

      ` 本帖最后由 雨山 于 2016-2-16 15:55 編輯 一款用于視頻圖像傳輸的收發模塊可搭配于智能小車,四軸航拍,可視門鈴,倒車監控等應用場景。無需wifi,性能可靠,可電腦查看視頻或者cvbs信號彩屏,攜帶方便,小巧精致。聯系QQ 839602830`
      發表于 12-03 10:14

      急求一款ARM9內核LQFP封裝的處理器,用于數控?。?!

      急求一款ARM9內核LQFP封裝的處理器,用于數控,求各位大神幫幫忙??!
      發表于 06-12 16:16

      一款單片機

      本人想做一款皮膚水分測試儀,求一款裸片MCU,OTP的,帶AD,可驅動lcd模塊,價格塊以內
      發表于 03-17 19:25

      一款數計算器exe軟件

      電子發燒友網站提供《一款數計算器exe軟件.exe》資料免費下載
      發表于 10-15 15:11 ?24次下載

      微電極原理及應用

      微電極是60年代發展起來的并在電化學及電分析化學中顯示了廣闊的應用前景.隨著電化學及微系統相關技術的迅猛發展,微電極在生物電化學,能源電化學,光譜電化學,毛細管電泳
      發表于 05-27 15:25 ?36次下載

      ADuM2402 ADI推出一款通道數字隔離器

      ADuM2402 ADI推出一款通道數字隔離器 ADuM2402是一款通道數字隔離器,同光電耦合器等道統器件相比,它具有出色的性能特性。由于
      發表于 11-13 09:34 ?1075次閱讀
      ADuM2402 ADI推出<b>一款</b>四<b>通道</b>數字隔離器

      聚苯胺修飾Pt微電極pH傳感器的研究

      研究了聚苯胺修飾微電極的制備以及對溶液pH 值的響應. 討論了不同聚合條件下所得到的聚苯胺膜對電極響應時間,測量的穩定性和使用壽命的影響. 在溶液的pH = 2 - 12 范圍內,該電極
      發表于 06-26 10:53 ?28次下載

      微電極及其應用

      主要是對微電極性能及其在各個領域的應用如毛細管電泳2電化學檢測、掃描技術、傳感器、能源及光譜電化學等作了較為全面的評述.關 鍵 詞: 微電極; 納米電極; 電化學
      發表于 06-20 10:57 ?27次下載

      陣列通道誤差校正算法及DSP實現

      陣列通道幅相不致性嚴重影響測向性能?;谳o助源的相關校正理論,研究了通過在天線饋電口輸入輔助信號,再對信號求相關來實現對陣列通道致性的校正;并分析了基
      發表于 03-04 22:23 ?20次下載

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