Войти
В неврологии одиночные записи предоставляют метод измерения электрофизиологические ответы одиночных нейронов с использованием системы микроэлектрод. Когда нейрон генерирует потенциал действия, сигнал распространяется вниз по нейрону в виде тока, который входит и выходит из клетки через возбудимые участки мембраны в соме и аксоне. Микроэлектрод вставляется в мозг, где он может регистрировать скорость изменения напряжения во времени. Эти микроэлектроды должны быть проводниками с тонким наконечником и низким сопротивлением; В первую очередь это стеклянные микропипетки, металлические микроэлектроды из платины, вольфрама, иридия или даже оксида иридия. Микроэлектроды можно осторожно размещать близко к клеточной мембране, что позволяет записывать внеклеточно.
Единичные записи широко используются в когнитивной науке, где это позволяет анализ познания человека и кортикальное картирование. Затем эта информация может быть применена к технологиям интерфейса мозг-машина (BMI) для управления мозгом внешних устройств.
Существует множество методов записи активности мозга, включая электроэнцефалографию (ЭЭГ), магнитоэнцефалография (МЭГ) и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) - но они не позволяют разрешить одиночный нейрон. Нейроны - это основные функциональные единицы мозга; они передают информацию через тело, используя электрические сигналы, называемые потенциалами действия. В настоящее время одиночные записи обеспечивают наиболее точные записи отдельных нейронов. Единичная единица определяется как одиночный возбуждающий нейрон, спайковые потенциалы которого четко изолированы записывающим микроэлектродом.
Способность записывать сигналы от нейронов сосредоточена вокруг электрического тока, протекающего через нейрон. Когда потенциал действия распространяется через клетку, электрический ток течет внутрь и из сомы и аксонов в областях возбудимой мембраны. Этот ток создает измеримый изменяющийся потенциал напряжения внутри (и вне) ячейки. Это позволяет использовать два основных типа одиночных записей. Внутриклеточные одиночные записи происходят внутри нейрона и измеряют изменение напряжения (относительно времени) на мембране во время потенциалов действия. Это выводит в виде следа с информацией о мембранном потенциале покоя, постсинаптических потенциалах и выбросах через сому (или аксон). В качестве альтернативы, когда микроэлектрод находится близко к поверхности клетки, внеклеточные записи измеряют изменение напряжения (относительно времени) вне клетки, давая только информацию о выбросах. Для единичной записи могут использоваться различные типы микроэлектродов; они обычно имеют высокий импеданс, тонкие наконечники и токопроводящие. Тонкие наконечники обеспечивают легкое проникновение без значительного повреждения ячейки, но они также коррелируют с высоким импедансом. Кроме того, электрическая и / или ионная проводимость позволяет производить записи как с неполяризуемых, так и с поляризуемых электродов. Два основных класса электродов - это стеклянные микропипетки и металлические электроды. Стеклянные микропипетки, заполненные электролитом, в основном используются для внутриклеточных единичных записей; металлические электроды (обычно изготовленные из нержавеющей стали, платины, вольфрама или иридия) и используемые для обоих типов записей.
Одноканальные записи предоставили инструменты для исследования мозга и применения этих знаний в современных технологиях. Когнитивные ученые использовали единичные записи в мозгу животных и людей для изучения поведения и функций. Электроды также могут быть введены в мозг эпилептических пациентов для определения положения эпилептических очагов. В последнее время в интерфейсах мозговой машины (ИМТ) стали использовать единичные записи. ИМТ записывает сигналы мозга и декодирует предполагаемый ответ, который затем управляет движением внешнего устройства (например, компьютерного курсора или протеза).
Возможность записи с отдельных устройств началось с открытия, что нервная система обладает электрическими свойствами. С тех пор записи отдельных единиц стали важным методом понимания механизмов и функций нервной системы. На протяжении многих лет запись отдельных единиц продолжала давать представление о топографическом картировании коры головного мозга. Постепенное развитие массивов микроэлектродов позволило вести запись с нескольких устройств одновременно.
В основе единичных записей лежит способность записывать электрические сигналы от нейронов.
Когда микроэлектрод вводится в водный ионный раствор, катионы и анионы вступают в реакцию с электрод, создающий поверхность раздела электрод-электролит. Формирование этого слоя получило название слоя Гельмгольца. Распределение заряда происходит по электроду, что создает потенциал, который можно измерить относительно электрода сравнения. Метод регистрации нейронального потенциала зависит от типа используемого электрода. Неполяризуемые электроды обратимы (ионы в растворе заряжаются и разряжаются). Это создает ток, протекающий через электрод, что позволяет измерять напряжение через электрод во времени. Обычно неполяризуемые электроды представляют собой стеклянные микропипетки, заполненные ионным раствором или металлом. В качестве альтернативы идеальные поляризованные электроды не имеют преобразования ионов; Обычно это металлические электроды. Вместо этого ионы и электроны на поверхности металла становятся поляризованными по отношению к потенциалу раствора. Заряды ориентируются на границе раздела, создавая двойной электрический слой; металл тогда действует как конденсатор. Изменение емкости во времени можно измерить и преобразовать в напряжение с помощью мостовой схемы. Используя эту технику, когда нейроны генерируют потенциал действия, они создают изменения в потенциальных полях, которые можно регистрировать с помощью микроэлектродов.
Внутриклеточно электроды непосредственно регистрируют возбуждение действия, покой и постсинаптические потенциалы. Когда нейрон срабатывает, ток течет внутрь и наружу через возбудимые области в аксонах и теле клетки нейрона. Это создает потенциальные поля вокруг нейрона. Электрод рядом с нейроном может обнаруживать эти внеклеточные потенциальные поля, создавая спайк.
Основным оборудованием, необходимым для записи отдельных единиц, являются микроэлектроды, усилители, микроманипуляторы и записывающие устройства. Тип используемого микроэлектрода будет зависеть от области применения. Высокое сопротивление этих электродов создает проблемы 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 на катодном повторителе в качестве устройства согласования импеданса для сбора напряжения и подачи его на обычный усилитель. Для записи с одного нейрона необходимо использовать микроманипуляторы, чтобы точно ввести электрод в мозг. Это особенно важно для внутриклеточной единичной записи.
Наконец, сигналы должны быть экспортированы на записывающее устройство. После усиления сигналы фильтруются различными методами. Они могут быть записаны с помощью осциллографа и камеры, но более современные технологии преобразуют сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя и выводят на компьютер для сохранения. Обработка данных позволяет разделять и анализировать отдельные элементы.
Существует два основных типа микроэлектродов, используемых для записи отдельных элементов: стекло микропипетки и металлические электроды. Оба электрода имеют высокий импеданс, но стеклянные микропипетки обладают высоким сопротивлением, а металлические электроды имеют частотно-зависимый импеданс. Стеклянные микропипетки идеально подходят для измерения потенциала покоя и действия, а металлические электроды лучше всего подходят для измерения внеклеточных спайков. Каждый тип имеет разные свойства и ограничения, которые могут быть полезны в определенных приложениях.
Стеклянные микропипетки наполнены ионным раствором, чтобы сделать их проводящими; электрод серебро-хлорид серебра (Ag-AgCl) погружают в заполняющий раствор в качестве электрического контакта. В идеале ионные растворы должны иметь ионы, подобные ионным частицам вокруг электрода; концентрация внутри электрода и окружающей жидкости должна быть одинаковой. Кроме того, характеристики диффузии различных ионов внутри электрода должны быть аналогичными. Ион также должен быть способен «обеспечивать пропускную способность по току, достаточную для нужд эксперимента». И что немаловажно, он не должен вызывать биологические изменения в клетке, из которой производится запись. Электроды Ag-AgCl в основном используются с раствором хлорида калия (KCl). С электродами Ag-AgCl ионы реагируют с ним, создавая электрические градиенты на границе раздела, создавая изменение напряжения во времени. В электрическом отношении наконечники стеклянных микроэлектродов обладают высоким сопротивлением и емкостью. Они имеют размер наконечника примерно 0,5–1,5 мкм при сопротивлении примерно 10–50 МОм. Маленькие наконечники позволяют легко проникать через клеточную мембрану с минимальным повреждением для внутриклеточных записей. Микропипетки идеально подходят для измерения потенциалов мембраны покоя и с некоторыми настройками могут записывать потенциалы действия. При использовании стеклянных микропипеток следует учитывать некоторые моменты. Чтобы компенсировать высокое сопротивление стеклянных микропипеток, в качестве усилителя первой ступени необходимо использовать катодный повторитель . Кроме того, в стекле и проводящем растворе возникает высокая емкость, которая может ослаблять высокочастотные отклики. Этим электродам и усилителям также свойственны электрические помехи.
Металлические электроды изготавливаются из различных типов металлов, обычно из кремния, платины и вольфрама. Они «напоминают протекающий электролитический конденсатор, имея очень высокий низкочастотный импеданс и низкий высокочастотный импеданс». Они больше подходят для измерения внеклеточных потенциалов действия, хотя также можно использовать стеклянные микропипетки. Металлические электроды полезны в некоторых случаях, потому что они имеют высокое отношение сигнал-шум из-за более низкого импеданса для частотного диапазона пиковых сигналов. Они также имеют лучшую механическую жесткость для прокалывания тканей мозга. Наконец, из них легче изготовить наконечники различной формы и размеров в больших количествах. Платиновые электроды покрыты платиновым черным покрытием и изолированы стеклом. «Обычно они обеспечивают стабильную запись, высокое отношение сигнал / шум, хорошую изоляцию, и они довольно прочные с наконечниками обычных размеров». Единственным ограничением является то, что наконечники очень тонкие и хрупкие. Кремниевые электроды представляют собой электроды из сплава, легированного кремнием, и изолирующим стеклянным покровным слоем. Кремниевая технология обеспечивает лучшую механическую жесткость и является хорошим поддерживающим носителем, позволяющим разместить несколько участков записи на одном электроде. 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 высоких частот. При фильтрации медленные сигналы теряются, поэтому вольфрам - не лучший выбор для записи этих сигналов.
Запись отдельных единиц позволила отслеживать активность отдельных нейронов. Это позволило исследователям обнаружить роль различных частей мозга в функциях и поведении. В последнее время запись от отдельных нейронов может быть использована для создания устройств, управляемых разумом.
Неинвазивные инструменты для изучения ЦНС были разработаны для получения структурной и функциональной информации, но они не обеспечивают очень высокого разрешения. Чтобы решить эту проблему, использовались инвазивные методы записи. Методы единичной записи обеспечивают высокое пространственное и временное разрешение, что позволяет оценивать информацию о взаимосвязи между структурой, функцией и поведением мозга. Изучая активность мозга на уровне нейронов, исследователи могут связать активность мозга с поведением и создать нейронные карты, описывающие поток информации через мозг. Например, Boraud et al. сообщают об использовании единичных записей для определения структурной организации базальных ганглиев у пациентов с болезнью Паркинсона. Вызванные потенциалы обеспечивают метод связи поведения с функцией мозга. Стимулируя различные реакции, можно визуализировать, какая часть мозга активирована. Этот метод использовался для исследования когнитивных функций, таких как восприятие, память, язык, эмоции и моторный контроль.
Интерфейсы мозг-машина (ИМТ) были разработаны в рамках последние 20 лет. Регистрируя единичные потенциалы, эти устройства могут декодировать сигналы через компьютер и выводить этот сигнал для управления внешним устройством, таким как компьютерный курсор или протез. ИМТ может восстанавливать функцию у пациентов с параличом или неврологическими заболеваниями. Эта технология имеет потенциал для широкого круга пациентов, но пока не доступна клинически из-за недостаточной надежности регистрации сигналов с течением времени. Основная гипотеза относительно этой неудачи заключается в том, что хроническая воспалительная реакция вокруг электрода вызывает нейродегенерацию, которая снижает количество нейронов, с которых он может вести запись (Nicolelis, 2001). В 2004 г. было начато пилотное клиническое испытание BrainGate с целью «проверки безопасности и осуществимости системы нейронного интерфейса на основе интракортикальной 100-электродной кремниевой записывающей матрицы». Эта инициатива оказалась успешной в продвижении ИМК, и в 2011 году были опубликованы данные, показывающие длительный компьютерный контроль у пациента с тетраплегией (Simeral, 2011).
