微纳电极阵列检测丘脑底核电刺激引起的纹状体神经元活动变化

丘脑底核(STN)深部脑刺激(DBS)已成为帕金森病的重要外科治疗手段,然而其确切的作用机理尚不明确.本研究采用微机电系统(MEMS)技术制备了一种16通道植入式微电极阵列(MEA),在MEA表面修饰了铂黑-还原氧化石墨烯-Nafion膜(Pt/RGO/Nafion)纳米材料,用于同步检测麻醉大鼠脑内纹状体神经元在STN电刺激前后多巴胺(DA)含量和动作电位(Spike)发放变化.STN-DBS结果表明,电刺激20 s后,DA含量开始升高,最高达1.72 μmol/L,较高浓度状态保持约50 s后回落至正常水平.与此同时, 检测到在DA上升阶段中间神经元Spike发放活动增强,在保持高于DA正常浓度水平阶段,中等多棘神经元(MSNs)放电频率增加.本研究制备的微电极阵列传感器能够实现脑内多巴胺和电生理的原位实时检测,有望成为神经信息检测的有力工具.     

基于双模检测仪器的大鼠神经放电和神经化学信号同步检测研究

研制了一种可同步检测神经电生理和化学信号的双模检测仪,并应用此仪器开展了双模同步检测实验。此仪器具有0.3μV电压分辨率的64通道神经电生理检测功能、pA级电流精度的4通道电化学检测功能,具备动作电位分离分类、计时电流法、循环伏安法等常用的检测功能,并且能实现对双模神经信号的同步观测和分析。在采用此仪器开展的单模实验中,完整地检测到了64通道的模拟神经信号,结合微电极阵列获得了信噪比( S/N)为6的神经动作电位发放;采用循环伏安法,获得了铁氰化钾在溶液浓度0.1~10 mmol/L范围内与电流响应的线性相关系数为0.9889;同时,采用计时电流法获得了抗坏血酸在溶液浓度10~800μmol/L 范围内与电流响应的线性相关系数为0.9841。结合大鼠脑缺血模型开展了双模检测实验,在该模型中成功地同步检测到了神经动作电位发放和抗坏血酸浓度变化引起的电流变化,并发现大鼠大脑初级感觉皮层抗坏血酸浓度与动作电位发放呈一定负相关关系。     

用于在体神经递质检测的可佩戴式无线电化学检测仪

为了实现对微弱神经递质信号的在体实时检测,设计并实现了一种无线电化学检测仪器。系统硬件以低功耗微控制器MSP430为主控制器,包括了微弱电流检测模块、波形产生模块以及数据收发模块,具有尺寸小(2.3 cm×1.8 cm×0.6 cm),功耗低的特点。基于u C/OS操作系统设计了系统的下位机程序,结合上位机软件实现了检测数据的实时显示与分析。针对神经递质的实际检测需求,系统集成了计时电流法与快速循环伏安法两种电化学检测分析方法。利用快速循环伏安法对不同浓度的多巴胺标准溶液进行了测试,在浓度范围5.0×10#7~7.0×10#5mol/L内,系统检测的响应电流与多巴胺浓度之间线性相关系数R=0.99。在此基础上,开展了大鼠在体多巴胺检测的实验,并成功检测到大鼠尾状壳核脑区的电诱发多巴胺释放信号。实验结果表明,此仪器具有检测灵敏度高的优点,能够实现对大脑内神经递质信号的定性及定量分析,在神经科学研究领域具有广阔的应用前景。     

纳米TiN修饰平面微电极阵列在神经信息双模检测中的应用

采用氮化钛(TiN)修饰平面微电极阵列(pMEA),对其性能进行改进,开展了离体神经电生理和神经递质电化学的检测研究。采用磁控溅射法在实验室自制微电极阵列上修饰具有纳米结构的TiN材料,修饰后的微电极阻抗降低近一个数量级,背景噪声基线降至±6μV,信噪比是修饰前的1.7倍。在SD大鼠离体脑片神经电生理信号检测中,信噪比可达10∶1,能分离提取±12μV的微弱信号。神经递质多巴胺电化学信号检测下限达50 nmol/L(信噪比2∶1),浓度在0.05~100μmol/L内与电流响应的线性相关系数为0.998。实验结果表明,在微电极表面修饰纳米TiN,降低了微电极阻抗,提高了信噪比,实现了对神经信息微弱信号的检测。     

用于肿瘤标志物现场快速检测的便携式仪表的研制

针对肿瘤标志物高灵敏度现场快速检测的需求,将电化学检测技术与电子技术相结合,采用差分脉冲伏安法(Differential pulse voltammetry,DPV)研制了一种可用于肿瘤标志物现场快速检测的便携式仪表,检测电压和电流的分辨率分别为0.8 mV和1nA.结合实验室自制微流控纸芯片,利用该便携式仪表对肿瘤标志物癌胚抗原(Carcinoembryonic antigen,CEA)进行检测,实验结果表明,在1～500 μg/L浓度范围内,DPV峰值电流响应与CEA抗原浓度对数呈线性关系,线性相关系数为0.998,检出限为10 pg/mL.根据抗原抗体特异性结合和电化学检测原理,检测到电化学反应的微弱电流后,仪表可以根据已经标定的电流与浓度之间的比例关系自动计算出肿瘤标志物的浓度.此便携式仪表具有检测灵敏度高、检出限低等优点,可广泛应用于肿瘤标志物的即时检测.     

脑死亡过程中谷氨酸与场电位的同步检测微电极阵列研究

高浓度胞外K+会引起神经元的去极化、谷氨酸释放、甚至细胞死亡。为研究高浓度K+对在体神经元的影响,采用微机电系统( MEMS)方法制作了一种植入式微电极阵列( MEA),其上包含形状、位置固定的电化学(50伊150μm)和电生理(直径为15μm)检测位点,可同时进行脑内神经递质谷氨酸、局部场电位信号( LFP)双模检测。将这种MEA植入到大鼠纹状体后,给大鼠皮层施加高浓度K+刺激,结果表明,高钾刺激增加了纹状体内谷氨酸浓度,同时抑制了神经电生理活动。这是首次采用双模MEA研究神经元在体死亡过程,结果验证了双模微电极阵列在体检测的可行性,可用于研究脑内神经电化学、电生理的时空关系。