マイクロ電極アレイ

標準的なタイプのin vitro MEAは、8 x 8または6 x 10の電極パターンで提供されます。電極は通常、酸化インジウムスズ、白金黒、または窒化チタンで構成され、直径は10～30μmです。これらのアレイは通常、単一細胞培養または急性脳スライスに使用されます。^{[ 3 ]}

in vitro MEAにおける課題の 1 つは、マイクロメートルオーダーの短い作動距離を必要とする高倍率レンズを使用する顕微鏡でイメージングすることです。この問題を回避するために、カバー スリップ ガラスを使用して「薄型」 MEA が作成されました。これらのアレイは約 180 μm なので、高倍率レンズで使用できます。^{[ 3 ] [ 11 ]}

生体外MEAにおけるもう一つの課題は、ガラス基板の剛性であり、これは生体組織の柔らかく柔軟な性質を再現しないため、細胞の挙動や実験結果に影響を与えます。^{[ 12 ] [ 13 ]} この制限に対処するため、生体組織の機械的特性をより良くシミュレートするために、柔軟で伸縮性のあるマイクロ電極アレイが開発されました。^{[ 13 ] [ 14 ]} BioMedical Sustainable Elastic Electronic DevicesやFlexcell International Corporationなどの柔軟で伸縮性のあるMEAのメーカーは、細胞により生理学的に正確な環境を提供することで、生体外研究 の関連性を高めるためにMEA技術を進歩させています。^{[ 15 ] [ 16 ]}

別の特殊な設計では、60個の電極が500μm間隔で6×5のアレイに分割されています。グループ内の電極は 直径10μmで、30μm間隔で配置されています。このようなアレイは、ニューロンの局所的な応答を調べるとともに、オルガノタイプスライスの機能的接続性を研究するために使用されます。^{[ 3 ] [ 17 ]}

空間分解能はMEAの主要な利点の1つであり、高密度MEAを使用すると、長距離にわたって送信された信号をより高い精度で取得できます。これらのアレイは通常、2.8 x 2.8  mmの領域をカバーする256個の電極の正方形グリッドパターンを備えています。^{[ 3 ]}

空間分解能の向上は、親指の爪ほどの大きさの小型チップ上に数千個の電極と集積された読み出し回路および刺激回路を備えたCMOSベースの高密度マイクロ電極アレイによって実現される。^{[ 18 ]}単一の軸索に沿って伝わる信号の分解能さえも実証されている。^{[ 19 ]}

質の高い信号を得るためには、電極と組織が互いに密接に接触している必要があります。穴あきMEA設計では、基板の開口部に負圧をかけることで、組織切片を電極上に配置して接触を強化し、記録される信号を向上させることができます。^{[ 3 ]}

電極インピーダンスを下げる別のアプローチとしては、界面材料の改質、例えばカーボンナノチューブの使用^{[ 20 ] [ 21 ]}、あるいは電極の構造の改質、例えば金ナノピラー^{[ 22 ]やナノキャビティ[ 23 ]}の使用などがある。

CMOS MEAの主な用途は神経細胞の長期細胞外in vitro記録であったが、^{[ 24 ]} 最近ではその機能が拡張され、神経細胞の高感度多電極細胞内in vitro記録が可能になり、^{[ 25 ]}長期細胞外記録を補完している。

埋め込み型MEAの主なカテゴリは、マイクロワイヤ、シリコンベース^{[ 26 ]} 、およびフレキシブルマイクロ電極アレイの3つです。マイクロワイヤMEAは主にステンレス鋼またはタングステンでできており、三角測量によって記録された個々のニューロンの位置を推定するために使用できます。シリコンベースのマイクロ電極アレイには、ミシガンアレイとユタアレイの2つの特定のモデルがあります。ミシガンアレイは、マイクロワイヤMEAよりも埋め込み用のセンサーの密度が高く、空間分解能も高くなっています。また、シャンクの端だけでなく、シャンクの長さに沿って信号を取得できます。ミシガンアレイとは対照的に、ユタアレイは100本の導電性シリコン針で構成される3Dです。ただし、ユタアレイでは、各電極の先端からのみ信号が受信されるため、一度に取得できる情報量が制限されます。さらに、ユタアレイは寸法とパラメータが固定されているのに対し、ミシガンアレイは設計の自由度が高いです。ポリイミド、パリレン、またはベンゾシクロブテンで作られた柔軟なアレイは、シリコンのヤング率が脳組織のヤング率よりもはるかに大きいため、せん断誘発性炎症に寄与し、機械的適合性が高くなるため、剛性マイクロ電極アレイよりも有利である。^{[ 9 ] [ 13 ] [ 27 ]}

一般的に、パッチクランプなどの従来の方法と比較した場合のin vitroアレイの主な利点は次のとおりです。^{[ 30 ]}

• 複数の電極を個別にではなく一度に配置できるようにする
• 同一の実験設定内で複数の対照群を設定できる機能（1つの電極を対照群として、他の電極を実験群として使用するなど）。これは、刺激実験において特に重要となる。
• アレイ内で異なる録音サイトを選択できる機能
• 複数のサイトから同時にデータを受信する機能
• 網膜が損傷していない状態での記録は、リアルタイムでの光刺激を与える可能性や、例えば受容野を再構築できる可能性などから、非常に興味深い。

さらに、in vitroアレイは細胞膜を破る必要がないため、パッチクランプ法と比較して非侵襲的である。

しかしながら、生体内アレイに関しては、パッチクランプ法に比べて空間分解能が高いことが大きな利点です。埋め込み型アレイを用いることで、個々のニューロンから信号を取得でき、位置や運動速度といった情報を得ることが可能となり、義肢の制御に利用できます。少なくともげっ歯類においては、動物の行動中に数十個の埋め込み電極を用いた大規模な並列記録が可能です。このため、このような細胞外記録は、神経回路の同定やその機能の研究において最適な方法となっています。しかしながら、多電極細胞外アレイを用いた記録対象ニューロンの明確な同定は、現在もなお課題として残っています。

試験管内MEAは、パッチクランプ法やダイナミッククランプ法に比べて空間分解能が低いため、単一細胞の記録や刺激にはあまり適していません。MEA電極が他の細胞に効果的に伝達できる信号の複雑さも、ダイナミッククランプ法の能力に比べて限られています。

マイクロ電極アレイの埋め込み、特に慢性埋め込みに関しては、いくつかの生物学的反応もみられます。^{[ 31 ]}これらの影響の中で最も注目すべきは、神経細胞の喪失、グリア瘢痕、および機能する電極数の減少です。^{[ 32 ]}埋め込みに対する組織の反応は、MEAシャンクのサイズ、シャンク間の距離、MEA材料の組成、挿入期間など、多くの要因に依存します。組織の反応は通常、短期反応と長期反応に分けられます。短期反応は埋め込み後数時間以内に発生し、デバイスを囲むアストロサイトとグリア細胞の増加から始まります。動員されたミクログリアは炎症を開始し、異物の貪食プロセスが始まります。時間が経つにつれて、デバイスに動員されたアストロサイトとミクログリアが蓄積し始め、デバイスの周囲数十マイクロメートルに広がるアレイを囲む鞘を形成します。これにより、電極プローブ間のスペースが増加するだけでなく、電極が絶縁され、インピーダンス測定値が増加します。アレイの慢性的な埋め込みに伴う問題は、これらのデバイスの研究の原動力となってきた。ある新しい研究では、慢性的な埋め込みによって引き起こされる炎症の神経変性効果を調べた。^{[ 33 ]}免疫組織化学マーカーは、電極記録部位の近くにアルツハイマー病の指標である過リン酸化タウが驚くほど存在することを示した。電極材料の貪食は、生体適合性反応の問題も提起するが、研究によると、生体内では軽微であり、12 週間後にはほとんど存在しなくなる。デバイス挿入の悪影響を最小限に抑える研究には、ラミニンなどのニューロン付着を促進するタンパク質や薬剤溶出物質でデバイスの表面をコーティングすることが含まれる。^{[ 34 ] [ 13 ]}

解離した神経ネットワークの性質は、生体内モデルと比較した場合、その薬理学的反応の特性を変化させたり低下させたりしないようで、MEA は、より単純で制御された環境で解離した神経細胞培養に対する薬理学的効果を研究するために使用できることを示唆している。 ^{[ 35 ]}解離した神経ネットワークに対する MEA を使用した薬理学的研究は数多くあり、例えばエタノールを用いた研究などがある。^{[ 36 ]} MEA を使用した研究室間検証も実施されている。^{[ 37 ]}

さらに、行動レベルで研究される現象を分離した皮質ネットワークレベルに還元することで、ネットワーク機能のさまざまな生物物理学的側面に関する膨大な研究が行われてきました。たとえば、さまざまな入力信号の空間的^{[ 38 ]}および時間的^{[ 39 ]}特徴を抽出するネットワークの能力、同期のダイナミクス^{[ 40 ]} 、神経調節に対する感度^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}、および閉ループ方式を使用した学習の速度論^{[ 44 ] [ 45 ]}などです。最後に、MEA技術と共焦点顕微鏡を組み合わせることで、ネットワーク活動とシナプスリモデリングの関係を研究することができます^{[ 11 ] 。}

MEAは、コントローラーとしてニューロンネットワークと非生物システムをインターフェースするために使用されてきました。たとえば、MEAを使用してニューラルコンピュータインターフェースを作成できます。解離したラット皮質ニューロンは、仮想環境内のアニマットを制御するために、閉じた刺激応答フィードバックループに統合されました。^{[ 46 ]}また、ポッター、マンダヴァン、デマース^{[ 47 ]} 、およびレディング大学のマーク・ハモンド、ケビン・ワーウィック、ベン・ウォーリーによって、MEAを使用して閉じたループ刺激応答システムが構築されました。約30万個の解離したラットニューロンがMEA上に播種され、ロボットのモーターと超音波センサーに接続され、感知されたときに障害物を回避するように条件付けられました。 ^{[ 48 ]}同様に、テクニオンのシモン・マロムと同僚は、MEA上で成長している解離したニューロンネットワークをレゴマインドストームロボットに接続しました 。ロボットの視覚野はネットワークによって分類され、障害物との衝突を完全に回避するようにロボットの車輪にコマンドが送信されました。^{[ 38 ]}この「ブライテンベルク車両」は、逆ニューロエンジニアリングの不確定性を実証するために使用され、関連するすべての情報に事実上無制限にアクセスできる単純な設定であっても、^{[ 49 ]}ロボットの動作を制御するために使用された特定のニューラルコーディングスキームを確実に推測することは不可能であることを示しました。

MEAは海馬スライスにおけるネットワーク発火を観察するために使用されてきた。^{[ 50 ]}

現在、消費者が使用できる埋め込み型インターフェースには、深部脳刺激装置、人工内耳、心臓ペースメーカーなどがあります。深部脳刺激（DBS）は、パーキンソン病などの運動障害の治療に効果的であり、^{[ 51 ]}人工内耳は、聴神経の刺激を補助することで、多くの人の聴力改善に役立っています。MEAは、その驚くべき可能性から、神経科学研究の重要な分野となっています。研究によると、MEAは、記憶形成や知覚などのプロセスに関する洞察を提供し、てんかん、うつ病、強迫性障害 などの症状に対する治療的価値も持つ可能性があることが示唆されています。脊髄損傷後の運動制御の回復やALSの治療のためにインターフェースデバイスを使用した臨床試験が、BrainGateというプロジェクトで開始されています（ビデオデモを参照：BrainGate）。 MEAは、時間とともに変化する信号を記録するために必要な高解像度を提供し、ケビン・ワーウィック、マーク・ガソン、ピーター・カイバードによって示されたように、義肢装置の制御とフィードバックの取得の両方に使用できる能力を備えています。^{[ 52 ] [ 53 ]}研究によると、MEAの使用は、視覚経路を刺激することによって視力の回復に役立つ可能性があります。^{[ 9 ]}