微小電極アレイ

微小電極アレイ（MEA ）（マルチ電極アレイ^{[1] [2]}とも呼ばれる）は、神経信号を取得または送信する複数（数十から数千）の微小電極を含むデバイスであり、本質的にはニューロンを電子回路に接続する神経インターフェースとして機能します。MEAには、生体内で使用される埋め込み型MEAと、生体外で使用される非埋め込み型MEAの2つの一般的なクラスがあります。各クラスには、剛性、柔軟性、伸縮性の微小電極アレイがあります。

ニューロンと筋細胞は興奮すると膜を通してイオン電流を生成し、細胞の内部と外部の間の電圧変化を引き起こします。記録時には、 MEA の電極がイオンによって運ばれる環境からの電圧変化を電子によって運ばれる電流(電流)に変換します。刺激時には、電極が電子電流を媒体を通してイオン電流に変換します。これにより、興奮性細胞の膜にある電圧依存性イオン チャネルがトリガーされ、細胞が脱分極してニューロンの場合は活動電位が、筋細胞の場合はけいれんがトリガーされます。^{[引用が必要]}

記録された信号のサイズと形状は、いくつかの要因によって異なります。細胞が配置されている媒体の性質（媒体の電気伝導率、静電容量、均質性など）、細胞とMEA電極の接触の性質（接触面積と密閉性など）、MEA電極自体の性質（形状、インピーダンス、ノイズなど）、アナログ信号処理（システムのゲイン、帯域幅、カットオフ周波数外での動作など）、データサンプリング特性（サンプリングレートやデジタル信号処理など）です。^[3]平面電極を部分的に覆う単一の細胞の記録の場合、接触パッドの電圧は、細胞と電極の重なり合う領域の電圧に、重なり合う領域の表面積と電極全体の面積の比を乗じた値にほぼ等しくなります。

${\displaystyle V_{pad}=V_{overlap}\times {\frac {A_{overlap}}{A_{electrode}}}}$

電極の周囲の領域は十分に絶縁されており、それに関連する静電容量は非常に小さいと仮定します。^[3]ただし、上記の式は、電極、細胞、およびその周囲を等価回路図としてモデル化することに依存しています。細胞電極の挙動を予測する別の方法は、集中回路要素図でシステムを過度に単純化することの制限を回避するために、ジオメトリベースの有限要素解析を使用してシステムをモデル化することです。 ^[4]

MEAは組織切片や解離細胞培養物に対して電気生理学的実験を行うために使用できます。急性組織切片の場合、抽出および培養前の組織切片内の細胞間の接続は多かれ少なかれ保存されていますが、解離培養物中の細胞間接続は培養前に破壊されています。解離神経細胞培養物では、神経細胞が自発的にネットワークを形成します。^[5]

電極が受ける電圧振幅は、細胞が脱分極する距離に反比例することがわかります。 ^[6]したがって、細胞を培養するか、またはできるだけ電極の近くに配置する必要がある場合があります。組織切片では、浮腫のために切開部位の周囲に電気的に受動的な死細胞の層が形成されます。^[7]これに対処する方法は、マスキングと化学エッチングによって製造された3次元電極を使用してMEAを製造することです。これらの3D電極は切片組織の死細胞層を貫通し、生細胞と電極間の距離を縮めます。^[8]解離培養では、細胞がMEA基板に適切に付着することが、堅牢な信号を得るために重要です。

最初の埋め込み型アレイは、1950年代に開発されたマイクロワイヤアレイでした。^[9]培養細胞から記録するために平面電極アレイを使用する最初の実験は、1972年にCA Thomas, Jr.と彼の同僚によって行われました。^[6]実験装置は、プラチナブラックでメッキされた金電極の2 x 15アレイを使用し、それぞれが互いに100μm離れていました。胚のニワトリから採取された心筋細胞は分離され、MEA上で培養され、最大1mVの振幅の信号が記録されました。 ^[10] MEAは、Thomasと彼の同僚の研究について事前に知らされることなく、1977年にネットワーク神経科学センターのGuenter Grossと彼の同僚によって独自に構築され、カタツムリの神経節の電気生理学を調査するために使用されました。 ^{[6] 1982年、Grossは分離した}脊髄ニューロンからの自発的な電気生理学的活動を観察し、活動が温度に大きく依存することを発見しました。約30℃以下では信号振幅は急速に減少し、室温では比較的小さな値になります。^[6]

1990年代以前は、MEA研究を実施しようとする新しい研究室には、カスタムMEAの製造と開発する必要があったソフトウェアのために、大きな参入障壁が存在していました。 ^{[5]しかし、手頃な価格のコンピューティングパワー[3]}と市販のMEAハードウェアとソフトウェアの登場により、^[5]他の多くの研究室がMEAを使用した研究を実施できるようになりました。

マイクロ電極アレイは、その潜在的な用途に基づいて、 in vitroアレイとin vivoアレイというサブカテゴリに分類できます。

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、インジウムスズ酸化物、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]

体外MEAの課題の1つは、高出力レンズを使用する顕微鏡で画像化することであり、マイクロメートルオーダーの短い作動距離が必要です。この問題を回避するために、カバーガラスを使用して「薄い」MEAが作成されました。これらのアレイは約180μmで、高出力レンズで使用できます。^{[3] [11]}

試験管内微小電極アレイのもう一つの課題は、ガラス基板の剛性であり、これは生物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] この制限に対処するために、生体組織の機械的特性をよりよくシミュレートするために、柔軟で伸縮性のある微小電極アレイが開発されました。^[13] BioMedical Sustainable Elastic Electronic DevicesやFlexcell International Corporationなどの柔軟で伸縮性のある微小電極アレイのメーカーは、細胞にとってより生理学的に正確な環境を提供することで、試験管内研究 の関連性を高めるためにMEA技術を進歩させています。 ^{[14] [15]}

別の特別な設計では、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30μm間隔で、直径は10μmです。このようなアレイは、ニューロンの局所的な反応を調べるのに使用され、同時に器官型スライスの機能的接続性も研究します。^{[3] [16]}

空間分解能はMEAの重要な利点の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]

CMOSベースの高密度マイクロ電極アレイは、数千個の電極と、親指の爪ほどの大きさの小型チップ上に集積された読み出しおよび刺激回路を備えており、空間分解能が向上しています。^[17]単一の軸索に沿って伝播する信号の分解能も実証されています。^[18]

高品質の信号を得るためには、電極と組織が互いに密着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が加わるため、組織切片を電極上に配置して接触を強化し、信号を記録することができます。^[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、界面材料の改変、例えばカーボンナノチューブの使用^{[19] [20]}や、電極構造の改変、例えば金ナノピラー^[21]やナノキャビティ^{[22]によるものがある。}

埋め込み型 MEA の 3 つの主なカテゴリは、マイクロワイヤ、シリコンベース、^[23] 、およびフレキシブル マイクロ電極アレイです。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作られており、三角測量によって個々の記録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 アレイという 2 つの特定のモデルがあります。ミシガン アレイでは、マイクロワイヤ MEA よりも高密度の埋め込みセンサーと高い空間分解能が可能です。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することもできます。ミシガン アレイとは対照的に、ユタ アレイは 3D で、100 本の導電性シリコン針で構成されています。ただし、ユタ アレイでは、信号は各電極の先端からのみ受信されるため、一度に取得できる情報量が制限されます。さらに、ユタ アレイは固定の寸法とパラメーターで製造されるのに対し、ミシガン アレイでは設計の自由度が高くなります。ポリイミド、パリレン、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、より近い機械的適合性を提供するという点で、剛性の微小電極アレイよりも優れています。^[9]

ニューロンのコミュニケーションの基本単位は、少なくとも電気的には、活動電位です。この全か無かの現象は軸索丘陵で発生し、^[24]細胞内環境の脱分極を引き起こし、軸索に沿って伝播します。細胞膜を通過するこのイオンの流れは、細胞外環境で急激な電圧変化を生み出し、それが最終的に MEA 電極によって検出されます。したがって、電圧スパイクのカウントとソートは、ネットワーク活動を特徴付ける研究でよく使用されます。スパイク列の分析は、電圧測定と比較して、処理時間と計算メモリを節約することもできます。スパイクのタイムスタンプは、個々の電極によって測定された電圧がしきい値を超えた時間として識別されます (多くの場合、非アクティブ期間の平均からの標準偏差によって定義されます)。これらのタイムスタンプをさらに処理して、バースト (近接した複数のスパイク) を識別できます。これらの列をさらに分析すると、スパイクの構成と時間パターンが明らかになります。^[25]

一般的に、パッチクランプ法などの従来の方法と比較した場合のin vitroアレイの主な強みは次のとおりです。^[26]

• 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
• 同じ実験設定内でコントロールを設定する機能（1 つの電極をコントロールとして使用し、他の電極を実験として使用します）。これは刺激実験で特に重要です。
• アレイ内の異なる記録サイトを選択する機能
• 複数のサイトから同時にデータを受信する機能
• 無傷の網膜からの記録は、リアルタイムの光刺激を与える可能性や、例えば受容野を再構築する可能性があるため、非常に興味深いものです。

さらに、in vitroアレイは細胞膜を破壊する必要がないため、パッチクランプ法に比べて非侵襲的です。

しかし、生体アレイに関しては、パッチクランプ法に対する主な利点は、空間分解能が高いことです。埋め込み型アレイでは、個々のニューロンから信号を取得できるため、位置や運動速度などの情報が得られ、人工装置の制御に使用できます。少なくともげっ歯類では、動物の行動中に、数十個の埋め込み電極を使用した大規模な並列記録が可能です。そのため、このような細胞外記録は、神経回路を識別し、その機能を研究するための最適な方法です。しかし、マルチ電極細胞外アレイを使用して記録されたニューロンを明確に識別することは、現在でも問題となっています。

パッチクランプやダイナミッククランプシステムに比べると、 in vitro MEA は空間分解能が低いため、単一細胞の記録や刺激には適していません。MEA 電極が他の細胞に効果的に伝達できる信号の複雑さは、ダイナミッククランプの機能に比べると限られています。

マイクロ電極アレイの埋め込みに対しても、特に慢性的な埋め込みに関しては、いくつかの生物学的反応があります。これらの影響の中で最も顕著なものは、神経細胞の損失、グリア細胞の瘢痕化、および機能する電極の数の減少です。^[27]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、デバイスを取り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。次に、集まったミクログリアが炎症を開始し、異物の貪食プロセスが始まります。時間が経つにつれて、デバイスに集まったアストロサイトとミクログリアが蓄積し始め、アレイを取り囲む鞘を形成し、デバイスの周囲数十マイクロメートルに広がります。これにより、電極プローブ間のスペースが広がるだけでなく、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いる。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。 ^[28] 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高リン酸化タウが存在するという驚くべき結果を示した。電極材料の貪食は、生体適合性反応の問題も提起する。研究では、生体内での反応は軽微であり、12週間後にはほとんど存在しなくなることが示唆されている。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。^[29]

解離神経回路網の性質は、生体内モデルと比較して、その薬理学的反応の特性が変化したり減少したりすることはないようであり、これは、MEAがより単純で制御された環境で解離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。 ^{[30]解離神経回路網に対するMEAを使用した多くの薬理学的研究、例えば}エタノールを用いた研究。^[31] MEAを使用した研究室間検証が実施されている。^[32]

さらに、通常は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まで縮小することで、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ました。たとえば、さまざまな入力信号の空間的^[33]および時間的^[34]特徴、同期のダイナミクス^{[35] 、}神経調節に対する感度^{[36] [37] [38]}、および閉ループレジームを使用した学習の速度論^{[39] [40]を抽出するこのようなネットワークの能力などです。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、ニューロン ネットワークを非生物系とコントローラとして接続するために使用されています。たとえば、MEA を使用してニューラル コンピュータ インターフェイスを作成できます。分離したラットの皮質ニューロンを刺激応答の閉じたフィードバック ループに統合して、仮想環境内のアニマットを制御しました。^[41]閉ループ刺激応答システムは、Potter、Mandhavan、DeMarse、^{[42]および}レディング大学のMark Hammond、Kevin Warwick、Ben Whalleyによっても MEA を使用して構築されています。約 30 万個の分離したラットのニューロンが MEA 上にプレーティングされ、ロボットのモーターと超音波センサーに接続され、障害物を感知するとそれを避けるように条件付けされました。 ^{[43]この線に沿って、}テクニオンの Shimon Marom と同僚は、MEA 上で成長している分離ニューロン ネットワークを Lego Mindstormsロボットに接続しました。ロボットの視野はネットワークによって分類され、障害物にぶつからないようにロボットの車輪に命令が送られた。^[33]この「ブレイテンベルク車両」は、リバース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、あらゆる関連情報に実質的に無制限にアクセスできる単純な設定であっても、^{[44]ロボットの行動を駆動するために使用された特定の}神経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。^[45]

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、脳深部刺激装置、人工内耳、心臓ペースメーカーなどがあります。脳深部刺激療法（DBS）はパーキンソン病などの運動障害の治療に有効であり、^[46]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を改善するのに役立っています。MEA は、その驚くべき可能性から、神経科学研究の主要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への洞察を提供し、てんかん、うつ病、強迫性障害などの症状に対する治療価値も持つ可能性があります^{[要出典] 。脊髄損傷後の運動制御の回復や}筋萎縮性側索硬化症（ALS）の治療にインターフェース デバイスを使用する臨床試験が、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・ガッソン、ピーター・カイバードによって示されたように、人工装置の制御とフィードバックの取得の両方に使用することができます。^{[47] [48]研究では、MEAの使用は}光学経路を刺激することで視力の回復を助けることができる可能性があることが示唆されています。^[9]

ロイトリンゲンでは、テュービンゲン大学の自然科学・医学研究所 (NMI) が主催する半年に一度の科学ユーザー会議が開催されます。この会議では、基礎および応用神経科学、産業用医薬品の発見、安全性薬理学、神経技術におけるマイクロ電極アレイの新たな開発と現在の応用に関するあらゆる側面について、包括的な概要が提供されます。この半年に一度の会議は、産業界と学術界の両方で MEA を開発および使用する科学者のための国際的な場に発展し、情報満載の質の高い科学フォーラムとして認識されています。会議の寄稿は、オープン アクセスの議事録として入手できます。

MEA は科学的目的で使用されるだけでなく、現代美術において、テクノロジーと生物学の関係についての哲学的な疑問を調査するためにも使用されている。西洋思想では伝統的に、生物学とテクノロジーはbiosとtechnê という 2 つの明確なカテゴリに分けられてきた。 ^[49] 2002 年には、生物学とテクノロジーの関係を問うため、パースの西オーストラリア大学のSymbioticAとアトランタのジョージア工科大学の Potter Labによる共同芸術科学プロジェクトとしてMEART: The Semi-living Artist が作成された。 ^{[50] [51] [52] [53]} MEARTは、アトランタの MEA 上で試験管内で培養されたラットの大脳皮質ニューロン、パースの紙にペンで描画できる空気圧式ロボットアーム、および両者間の通信を制御するソフトウェアで構成されていた。ニューロンからの信号は、MEA が空気圧式アームを刺激することで、パースとアトランタの間で閉ループで中継された。MEARTは2002年にパース現代美術館で開催された展覧会「バイオフィール」で初めて一般公開されました。^{[52] [54]}

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