神器MEA：神经元信号采集方式进入新纪元|电信号 / 开普饭

　　什么是MEA？

　　神经元、心肌细胞等是一类具有电活动特性的特殊细胞，电生理技术就是用各种手段检测细胞的电信号，从而反应细胞的功能和活性。离体条件下常用的电生理技术包括膜片钳记录以及细胞外记录等。

　　如左图所示，膜片钳技术能够记录到单个细胞内的信号，包括动作电位以及膜电位的细微变化；细胞外记录的方法能够记录到单个细胞的动作电位以及一群细胞的场电位变化。然而膜片钳一次只能记录单个或者几个细胞，并且由于侵入性对细胞的破坏，记录时间较短；MEA技术就是将多个电极以阵列的形式集成于一个芯片上，每一个电极都可进行细胞外记录（也可作为刺激电极），优势是在不需要微操等辅助设备的情况下，能够同时记录一群细胞并且支持长达数天的观察。

　　什么是高密度MEA？

　　传统的MEA电极密度很低，电极数一般小于300个。近来原属于瑞士苏黎世联邦理工大学的MaxWell团队开发了一项新技术——CMOS（互补金属氧化物半导体）高密度MEA。利用CMOS传感器原理以及先进的微加工技术，大大缩小了传感器体积，在2×4mm2 范围内集成多达26400个电极, 两个电极的间距仅17.4um,几乎跟一个细胞的大小一样，极大提高了信号的空间分辨率，同时新技术还大大降低了记录噪音。

　　高密度的优势

　　高密度MEA的电极密度和传统MEA相比增加了大约两个数量级，其优势并不仅仅是数据量的增加。从上图可以看到，传统低密度MEA上，大量细胞的信号无法被有效采集（红色框内），此外，单个电极采集数个神经元的信号，提取单个神经元的信号变得非常困难，需要后期大量的时间和精力利用算法进行Spike Sorting。而高密度MEA中，每一个神经元都有数个电极记录，利用电极的位置空间信息和信号的时间信息，即可轻松有效地将单个细胞的信号sorting出来。

　　右图显示的是传统的，利用特征值进行的Spike sorting方法，这种方法即便可以对Spike进行Sorting，细胞的空间信息也已经无法找寻，而高密度MEA可以直接利用spike的时空信息快速而准确地sorting大量神经元（左图），并且完美保留了不同细胞的空间关系信息。左图中每一个点表示每一个记录电极，每一种颜色代表同一个细胞的spike信号。

　　由此高密度MEA可实现以下多种难以通过膜片钳或者传统MEA实现的功能：

　　1. 可检测样品中每一个细胞，并得到每一个细胞各自的信号以及空间位置信息

　　得益于高密度的电极排布，电极间距跟细胞大小类似，每次记录，整个样品区域内的所有细胞的信号都可以被收集到，这相比通过膜片钳或者低密度MEA进行的抽样分析，数据在统计学上的可靠性大大增加。

　　左图为荧光成像显示的细胞位置，右图为同一样本利用高密度MEA检测到的细胞放电图，（红=高频，蓝=低频），两者显示出非常高的位置重叠性。

　　2. 可进行network的研究

　　神经细胞、心肌细胞都是需要形成细胞网络然后一起完成某种功能，大量细胞呈现出的network情况也可以反应细胞的成熟度，并与很多疾病密切相关。

　　视频：高时间分辨率显示多个相邻细胞的连续放电

　　上图每一行代表一个细胞，每一个点为一个spike，可清晰看到细胞网络出现规律性的Burst放电。

　　3. 可进行circuit水平的研究

　　采用传统的膜片钳方法来研究几个神经元间的连接环路，通常需要利用多Patch钳制每个细胞，技术要求高，也十分耗时耗力，并且只能看到这几个细胞间的连接，效率比较低下。高密度MEA在sorting得到的每一个神经元的spike信息的基础上，通过大数据分析每两个神经元间spike的相关性（兴奋性：正相关，抑制性：负相关），可轻松判断这两个神经元之间是否存在兴奋性或抑制性连接，以此高效地分析整个神经网络中的神经环路。