Implementação de um sistema de eletrodos microfabricados para registro e estimulação neural extracelular in vitro

Abstract

O objetivo principal deste trabalho foi implementar um sistema de eletrodos microfabricados para registro e estimulação neural extracelular in vitro. A estrutura dos arranjos de microeletrodos (MEAs) foi caracterizada através de imagens por microscopia óptica e por microscopia eletrônica de varredura. A análise qualitativa da composição química foi feita por espectroscopia de raios X por energia dispersiva e a análise do nível de ruído foi realizada através da avaliação do valor RMS dos potenciais registrados com os sensores preenchidos com solução salina padrão. Uma interface eletrônica entre um MEA e um sistema de aquisição de dados convencional com oito canais foi construída e testes de desempenho foram realizados. Um sistema MEA comercial foi instalado e validado através de experimentação com cultura neuronal e fatias de cérebro de roedor. A tentativa de adaptação de um sistema convencional de perfusão por bomba peristáltica ao sistema MEA mostrou-se insatisfatória devido ao alto nível de ruído dos registros. Procedimentos experimentais relacionados ao correto manuseio dos MEAs foram definidos, e investigou-se a influência de diferentes parâmetros sobre a atividade detectada com os sensores. Finalmente, a análise dos dados com cultura celular indicou detecção de potenciais de campo locais (PCLs) de maior amplitude, maior contagem de spikes e maior freqüência de atividade nos registros obtidos com meio de cultura padrão. Os dados com fatias de tecido indicaram a detecção de maior número de spikes por minuto, de maior freqüência de atividade e de maior amplitude pico-a-pico dos spikes nos microeletrodos que captaram PCLs de maior amplitude.

The main goal of this work was to implement a microfabricated electrode system for in vitro neural stimulation and recording. The MEA biosensor structural characterization was obtained by optical and scanning electrical microscopy images. Qualitative analysis of the chemical composition was made through energy-dispersive X-ray spectroscopy. Analysis of the noise level was conducted by evaluating the RMS value of the potentials recorded with sensors filled with standard saline solution. An electronic interface between a MEA and a conventional data acquisition system with eight channels was constructed and performance tests of the built interface were conducted. Installation of a MEA commercial system was carried out and preliminary tests were performed by experimenting with rodent neuronal cell culture and brain slices. An attempt was made to adapt a conventional perfusion system by peristaltic pump to the MEA system; however, the results were unsatisfactory due to the high noise level of the recordings. Experimental procedures related to the proper handling of MEAs were defined, and the influence of different parameters involved in experimentation with MEAs was investigated. Finally, the data analysis of cell culture recordings indicated detection of local field potentials (LFPs) of greater amplitude, higher counts of spikes and higher spike frequency in the records obtained with standard culture medium compared to those obtained with extracellular electrophysiological solution. The data analysis of cortical slices recordings indicated the detection of a greater number of spikes per minute, higher spike frequency and greater peak-to-peak spikes amplitudes by the microelectrodes that have captured LFPs of greater magnitude.