多电极阵列上长时间培养神经元网络的发育变化.pdf

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1、!第!"卷!第#期!$%%"年#月I"&多电极阵列上长时间培养神经元网络的发育变化"李向宁!周!炜!刘!曼!曾绍群!骆清铭""华中科技大学!生物医学光子学教育部重点实验室,武汉光电国家实验室"筹$!武汉)&##()摘要!!体外培养海马神经元网络的自发活动对于发育研究及学习记忆机制分析具有重要意义8为了研究体外培养网络自发放电随发育的变化!在多电极阵列芯片上长时间培养海马神经元网络!连续记录分析了培养$)周的网络发育过程8结果显示!网络整体放电频率从培养第$周到第J周逐渐增加!I&$)周基本稳定8对放电模式的分析表明!培养$周内出现自发%低频%不同步的锋电位’)&(周为同步簇发放电!(周出现同步

2、簇发和随机放电混合的复杂模式’I周后为高频随机放电模式!稳定)周以上8由此推测!高密度培养的神经元网络发育过程可以分为&个阶段!连接建立期%活动协同期和成熟期!同步放电是高密度培养神经元网络发育过程的一个重要现象!其模式表现形式随培养时间改变8关键词!!神经元网络!网络发育!多电极阵列系统!神经元培养%!!&&!!神经系统中有种类众多的神经细胞!相互连接形式8近期有报道发育过程中神经元群体的放非常复杂而准确)其相互影响是神经可塑性的基电模式对神经元短期发育以及对学习记忆具有重要础!也是学习’记忆的基础8正确地解释这样复杂作用!而对于高密度培养的神经元网络在长时间发的过程何以能有序地发生!是神经

3、科学研究的重大育过程中同步放电模式的变化尚不清楚8课题8神经网络自发发育是研究神经网络可塑性’本研究利用多电极阵列"+7.?-%9.9:?1069,11,=!神经修复的基础!而神经元自发活动在神经发育过P*O$系统上培养的胎鼠海马神经元网络记录了培%$&程中具有重要作用!其中突触的形成和可塑性是养$,$)周网络的自发电活动!分析了网络自发放目前最被认可的学习和记忆的分子机制8随着膜片电模式的发育过程8钳技术与共聚焦荧光成像技术的发展!人们已应用!!材料和方法脑片和神经元培养技术对培养不同时间的神经元进行了全细胞记录和光学标记!从而研究神经元发育神经元培养采用孕龄$J6的X-5?,1大鼠"由华过

4、程中电生理特性的变化8中科技大学同济医学院实验动物中心提供$8乙醚但是研究神经系统如何发育仅考虑单个神经元麻醉!逐层剖开腹部!剪切子宫!取出胎鼠8无菌或几对神经元的活动是不够的!必须分析神经元的条件下快速断头取脑!分离海马!放入盛有AMDD群体特性8在发育中或成熟的神经系统中!网络的的培养皿中!其成分为#L,T.$)#++0.(‘!FT.连接及其功能特性均依赖于群体神经元的自发活动&++0.(‘!A*[*D$#++0.(‘!调节@A至(8!!!!##"%$!%!&收稿!!##’%#!%$)收修改稿!"国家杰出青年科学基金"批准号#’##!""$)$’国家海外杰出青年科学基金"批准号#&#&!J

5、#$)$和教育部科学技术研究重大项目"批准号#重大$#)!#$资助!""通讯作者!*%+,-.#].70!+,-.8<75?89678:;!第!"卷!第#期!$%%"年#月I")在#8$!"R胰蛋白酶中&(k消化$#+-;!用吸管反纹表示一个锋电位"图$"3$$!长时间序列中以颜色复吹打制成分散均匀的细胞悬液!稀释至"l$#’细表示条纹内含的锋电位数目"图$":$$!光栅条纹序胞(+‘!接种于经"#(>(+‘多聚赖氨酸"D->+,公列可清晰直观地显示锋电位序列的时间分布8如图司$处理过夜的P*O培养皿中8在电极区附近!所示!海马神经元网络$X^e内部分电极出现单!区域内接种$"细胞悬液)$"+

6、-;后补加个’随机’自发锋电位!频率较低!小时间窗显示!++(‘$+‘培养液"JIRB7.39::015P06-G-96*,>.9P96-%电极间不存在同步现象!随后锋电位频率增大!出7+!$#R马血清!"#(+0.(‘/.7?,+,4$!在&(k!现部分电极同步现象8),"X^e网络活动表现为整"RTZ!培养箱中培养8!)<后全换液!以后每&天体同步形式!小时间窗显示各电极均为簇发放电换半液8未注明的药品中除马血清来自A=:.0;9公"3715?$模式!内部包含多个锋电位)’X^e后随机司外!均来自/-3:0公司8自发锋电位增多!同步活动的比率减小!网络放电实验采用多通道记录系统"P*O’#

7、D=5?9+!呈现复杂模式)IX^e后随机锋电位频率较高!基PTD/+3A!/91+,;=$!该系统由多电极阵列’本没有同步放电模式!网络放电频率稳定!可持续放大器P*O$#’#’温度控制器’数据采集卡PT%以上8T,16以及数据记录系统组成8多电极阵列底板是光栅图可以直观反映网络放电频率及放电模式":+l":+的透明石英玻璃)周围有’#个金属连的整体变化趋势!但不能清楚显示放电模式变化的接