神经芯片及其在生物嗅觉传感机理中的研究

论文摘要

神经电生理研究,历来是神经科学研究的主要内容。但是,目前神经元电信号的记录,仍主要依赖于以膜片钳为代表的细胞膜微电极穿刺或钳制技术。该类方法因其对细胞的穿刺损害作用,难以实现长时程测量,同时也难以实现对神经元网络的多位点同时测量。有鉴于此,研究者们陆续采用微机械加工技术开展了基于细胞传感器（cell-based biosensor）的微电极阵列（microelectrode array,MEA）和场效应管（field effect transistor,FET）阵列等神经芯片（neurochip）技术的研究,用以实现神经元胞外电位的记录。作为一种体外检测的新型细胞芯片技术,其实质就是在MEA或FET阵列传感器芯片表面培养神经元,使神经元通过一层薄的电解液同芯片的电极或栅极相耦合,构成可以实现控制电路和神经系统双向通讯的生物芯片,从而对细胞的电生理特性进行传感测量。该技术以其可对多个细胞同时进行长期、无损检测的特点,已在药物筛选、环境检测等生物医学领域得到了初步的应用。同时,该芯片技术同样适用于神经系统在体研究,从而在脑的高级功能、神经修复、以及人工器官等研究领域展示出了诱人的前景。 本论文首先从器件设计和细胞培养两个关键技术入手,建立了小鼠胚胎干细胞（embryonic stem cells）来源的基于光寻址电位传感器（light addressable potentiometric sensor,LAPS）的新型神经芯片技术,并在药物筛选等研究的基础上,从离体与在体两个方面,将该技术应用到了生物嗅觉的研究之中,为神经芯片技术拓展了新的应用领域。本论文的主要内容和贡献如下: 1.利用LAPS的光寻址特性,实现了神经芯片的细胞跟踪定位检测。MEA和FET阵列芯片都有一个共同的局限,即由于检测位点均为芯片表面固定的电极或栅极,被测细胞需要培养生长在这些特定位点,所以给细胞培养技术提出了很高的要求。LAPS芯片则是基于微机械加工技术的另一类新型细胞传感器,细胞电位的改变可通过检测LAPS的光生电流得以测量。利用其光源的可寻址特性,方便对芯片表面随机培养细胞的跟踪定位,从而克服了上述阵列传感器固定检测位点几何特性的限制。

论文目录

• 摘要
• Abstraot
• 第一章 绪论
• 1.1 神经芯片的研究目的
• 1.2 神经芯片的研究现状
• 1.2.1 离体检测微电极阵列（MEA）神经芯片
• 1.2.2 在体检测微电极阵列（MEA）探针芯片
• 1.2.3 场效应晶体管（FET）阵列神经芯片
• 1.2.4 光寻址电位传感器（LAPS）神经芯片
• 1.3 神经芯片的应用研究
• 1.3.1 用于神经元网络研究
• 1.3.2 用于神经药理学研究
• 1.3.3 用于脑的高级功能研究
• 1.3.4 用于神经修复研究
• 1.4 本论文主要研究内容
• 1.5 本章参考文献
• 第二章 嗅觉神经芯片研究的生物学基础
• 2.1 引言
• 2.2 细胞的生物电现象
• 2.2.1 神经细胞的静息电位和动作电位
• 2.2.2 心肌细胞的静息电位和动作电位
• 2.3 神经信息的传递过程
• 2.3.1 受体和跨膜信号转导
• 2.3.2 神经递质与突触传递
• 2.4 嗅觉感受的膜电位与信号转导机制
• 2.4.1 嗅觉感受细胞和气味受体
• 2.4.2 嗅觉信号转导的分子机制
• 2.5 嗅觉信息的编码
• 2.5.1 嗅觉感受细胞的嗅觉编码
• 2.5.2 嗅球细胞的嗅觉编码
• 2.5.3 嗅觉中枢的嗅觉编码
• 2.6 小结
• 2.7 本章参考文献
• 第三章 神经芯片的细胞与培养
• 3.1 引言
• 3.2 神经芯片研究中的细胞来源
• 3.2.1 原代分离培养
• 3.2.2 转化细胞系传代培养
• 3.2.3 干细胞体外诱导分化培养
• 3.3 神经芯片的细胞培养环境条件
• 3.3.1 细胞的培养环境条件
• 3.3.2 神经芯片的培养条件
• 3.4 细胞的分离与原代培养
• 3.4.1 神经细胞的培养方法
• 3.4.2 心肌细胞的培养方法
• 3.4.3 嗅上皮细胞的培养方法
• 3.4.4 嗅球细胞的培养方法
• 3.5 小鼠胚胎干细胞体外诱导分化培养
• 3.5.1 神经干细胞体外诱导分化
• 3.5.2 神经细胞的免疫组化染色
• 3.5.3 心肌干细胞体外诱导分化
• 3.5.4 心肌细胞的免疫组化染色
• 3.6 小结
• 3.7 本章参考文献
• 第四章 LAPS神经芯片及其测试系统
• 4.1 引言
• 4.2 LAPS的测量原理
• 4.2.1 LAPS的光生电流
• 4.2.2 LAPS细胞传感器
• 4.3 LAPS神经芯片的设计与测试原理
• 4.3.1 LAPS芯片的生物相容性
• 4.3.2 细胞与LAPS器件界面模型
• 4.3.3 LAPS神经芯片的测量原理
• 4.3.4 LAPS神经芯片的结构优化
• 4.4 LAPS神经芯片的制备
• 4.4.1 LAPS芯片的加工
• 4.4.2 LAPS器件的封装
• 4.5 LAPS神经芯片的测试系统
• 4.5.1 LAPS的细胞胞外电位测量系统
• 4.5.2 LAPS测试系统的细胞培养环境
• 4.5.3 LAPS芯片测试系统的性能评价
• 4.6 小结
• 4.7 本章参考文献
• 第五章 干细胞LAPS芯片及其在药物筛选中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 细胞培养结果
• 5.2.1 海马神经元原代培养结果
• 5.2.2 心肌细胞的原代培养结果
• 5.2.3 神经干细胞的体外分化与培养结果
• 5.2.4 心肌干细胞的体外分化与培养结果
• 5.3 干细胞芯片的细胞电生理检测
• 5.3.1 神经细胞的电生理检测
• 5.3.2 心肌细胞的电生理检测
• 5.3.3 电生理信号的参数分析
• 5.4 干细胞芯片的药物筛选分析结果
• 5.5 干细胞芯片分析与讨论
• 5.6 小结
• 5.7 本章参考文献
• 第六章 嗅觉神经芯片用于气味检测机理的研究
• 6.1 引言
• 6.2 嗅觉神经芯片的仿生设计
• 6.3 嗅觉细胞在LAPS表面的培养
• 6.3.1 嗅觉感受细胞的培养结果
• 6.3.2 嗅球细胞的培养结果
• 6.4 嗅觉神经芯片的体外测试结果
• 6.4.1 嗅球僧帽细胞对谷氨酸刺激的响应
• 6.4.2 嗅粘膜感受细胞对气味分子的响应
• 6.5 嗅觉神经芯片分析与讨论
• 6.6 小结
• 6.7 本章参考文献
• 第七章 微探针芯片及其对嗅觉传感机理的在体研究
• 7.1 引言
• 7.2 微探针及其测量系统
• 7.2.1 微探针的制备
• 7.2.2 循环伏安法电化学测量系统
• 7.3 微探针的多巴胺测量
• 7.3.1 微探针的Nafion处理
• 7.3.2 多巴胺的溶液测量
• 7.4 大鼠嗅粘膜单胺类神经递质的在体测量
• 7.4.1 基础水平测量
• 7.4.2 三叉神经刺激后测量
• 7.5 微探针芯片结果讨论
• 7.6 小结
• 7.7 本章参考文献
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 8.2.1 嗅觉干细胞芯片研究展望
• 8.2.2 LAPS嗅觉芯片研究展望
• 8.2.3 嗅觉人工突触平台研究展望
• 8.3 本章参考文献
• 致谢
• 附录1 作者在攻读博士期间发表的文章
• 附录2 本文彩图