微电子神经芯片与神经元集群信号传递和处理机理研究

本申请拟对神经元集群电活动产生激励与探测的微电神经子芯片和神经元集群之间信号传递和处理机理开展研究,内容包括：1）与标准CMOS工艺兼容的硅基二维神经元信号激励与探测微电极阵列（MEA）的设计、实现与后续加工；2）可通过标准CMOS工艺实现的神经元电信号处理集成电路设计；3）大规模二维微电极阵列与信号处理电路的单片集成实现与测试；4）单神经元和神经元集群之间自发与诱发电信号的多位点探测与处理；5）神经元集群电信号的生成、传递和处理特性分析。研究意义在于：1）探索构造电子信息与生物神经信息混合系统的有效途径；2）探索单个神经元胞体、树突与轴突各结构之间和神经元集群之间生物神经信号的生成与传递机理；3）为大脑内巨量神经元集群认知过程的研究提供底层的原初信号；4）为由大量神经元和神经纤维构成的脊髓受损后的神经信号再生提供微观机理。

研究团队设计了新型的，具有可用于神经信号探测和激励的大规模微米级尺寸MEA、神经信号激励和神经信号探测放大专用集成电路的CMOS工艺神经芯片，并将大规模存储器读写的技术创新式地应用于该芯片的设计。各阶段分别完成了：1）采用硅基工艺，设计与实现大规模二维神经元电信号探测与激励用MEA；2）采用CMOS工艺，设计与实现大规模二维神经元电信号探测与激励用MEA，及神经元电信号激励电路、探测放大电路，并与MEA实现单片集成；3）.通过专用工艺实现MEA与神经元电接触区的生物相容金属化后加工；4）解决腔内可培养神经元、电极阵列区域可显微的芯片的封装问题和封装体于细胞接触面材料的生物相容性问题；5）在封装器件腔内培养出可在显微镜下识别的由神经元集群的树突和轴突连接形成的神经网络，完成神经网络上各电极接触点处电信号的激励与探测。6）对探测到的多位点自发或诱发电信号结合外激励信号进行时域内的脉冲波形分析和序列分析，空间上的关联分析和多输入单输出之间的运算关系分析。团队采用医用硅橡胶对芯片与培养腔进行封装，通过多聚赖氨酸和纤连蛋白对电极表面进行连续包被改善其表面生物相容性。在表面分别培养大鼠嗜铬细胞瘤细胞（PC12）和大鼠海马神经元细胞，使其形成网络连接。在MEA神经信号激励采集系统平台上，完成神经网络单路刺激多路探测（PC12和海马神经元）、神经递质单独刺激（PC12）、电信号及神经递质联合刺激（PC12）、不同温度条件下神经细胞激励阈值探测（PC12）、不同浓度酒精条件下神经细胞激励阈值探测（PC12）等实验，并在MATLAB软件平台下，对数据进行分析，结果表明海马神经元和PC12细胞电信号激励阈值分别为50mV和35mV（受神经网络活性状态影响有1mV左右波动）；PC12传递速率约为0.8m/s，海马神经元约为33m/s；8g/mL神经递质单独刺激时可以获取神经信号；神经递质与电激励联合刺激条件下，阈值之下的电激励信号联合最低刺激浓度之下的神经递质共同刺激可以获取神经信号，并且随着神经递质浓度的升高，电激励信号幅值逐渐降低，表明以电信号阈值的改变作为尺度衡量化合物对神经信号响应的影响是可行的；从35℃至42℃升温时细胞电激励阈值成反比变化，低于35℃很难采集到信号，高于42℃则细胞快速凋亡；酒精浓度从0上升至10mmol/L时PC12细胞激励响应阈值阈值变化与酒精浓度成正比变化