《微電子神經晶片與神經元集群信號傳遞和處理機理研究》是依託東南大學，由王志功擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：微電子神經晶片與神經元集群信號傳遞和處理機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王志功
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本申請擬對神經元集群電活動產生激勵與探測的微電神經子晶片和神經元集群之間信號傳遞和處理機理開展研究,內容包括：1、與標準CMOS工藝兼容的矽基二維神經元信號激勵與探測微電極陣列（MEA）的設計、實現與後續加工；2、可通過標準CMOS工藝實現的神經元電信號處理積體電路設計；3、大規模二維微電極陣列與信號處理電路的單片集成實現與測試；4、單神經元和神經元集群之間自發與誘發電信號的多位點探測與處理；5、神經元集群電信號的生成、傳遞和處理特性分析。研究意義在於：1、探索構造電子信息與生物神經信息混合系統的有效途徑；2、探索單個神經元胞體、樹突與軸突各結構之間和神經元集群之間生物神經信號的生成與傳遞機理；3、為大腦內巨量神經元集群認知過程的研究提供底層的原初信號；4、為由大量神經元和神經纖維構成的脊髓受損後的神經信號再生提供微觀機理。
結題摘要
研究團隊設計了新型的，具有可用於神經信號探測和激勵的大規模微米級尺寸MEA、神經信號激勵和神經信號探測放大專用積體電路的CMOS工藝神經晶片，並將大規模存儲器讀寫的技術創新式地套用於該晶片的設計。各階段分別完成了：1、採用矽基工藝，設計與實現大規模二維神經元電信號探測與激勵用MEA；2、採用CMOS工藝，設計與實現大規模二維神經元電信號探測與激勵用MEA，及神經元電信號激勵電路、探測放大電路，並與MEA實現單片集成；3、 通過專用工藝實現MEA與神經元電接觸區的生物相容金屬化後加工；4、解決腔內可培養神經元、電極陣列區域可顯微的晶片的封裝問題和封裝體於細胞接觸面材料的生物相容性問題；5、在封裝器件腔內培養出可在顯微鏡下識別的由神經元集群的樹突和軸突連線形成的神經網路，完成神經網路上各電極接觸點處電信號的激勵與探測。6、對探測到的多位點自發或誘發電信號結合外激勵信號進行時域內的脈衝波形分析和序列分析，空間上的關聯分析和多輸入單輸出之間的運算關係分析。團隊採用醫用矽橡膠對晶片與培養腔進行封裝，通過多聚賴氨酸和纖連蛋白對電極表面進行連續包被改善其表面生物相容性。在表面分別培養大鼠嗜鉻細胞瘤細胞（PC12）和大鼠海馬神經元細胞，使其形成網路連線。在MEA神經信號激勵採集系統平台上，完成神經網路單路刺激多路探測（PC12和海馬神經元）、神經遞質單獨刺激（PC12）、電信號及神經遞質聯合刺激（PC12）、不同溫度條件下神經細胞激勵閾值探測（PC12）、不同濃度酒精條件下神經細胞激勵閾值探測（PC12）等實驗，並在MATLAB軟體平台下，對數據進行分析，結果表明海馬神經元和PC12細胞電信號激勵閾值分別為50mV和35mV（受神經網路活性狀態影響有1mV左右波動）；PC12傳遞速率約為0.8m/s，海馬神經元約為33m/s；8g/mL神經遞質單獨刺激時可以獲取神經信號；神經遞質與電激勵聯合刺激條件下，閾值之下的電激勵信號聯合最低刺激濃度之下的神經遞質共同刺激可以獲取神經信號，並且隨著神經遞質濃度的升高，電激勵信號幅值逐漸降低，表明以電信號閾值的改變作為尺度衡量化合物對神經信號回響的影響是可行的；從35℃至42℃升溫時細胞電激勵閾值成反比變化，低於35℃很難採集到信號，高於42℃則細胞快速凋亡；酒精濃度從0上升至10mmol/L時PC12細胞激勵回響閾值閾值變化與酒精濃度成正比變化
