摘要 - 物联网(IoT)设备的使用已通过许多不同的领域传播。农业的运输,健康和能源管理是使用物联网系统的一些领域。对物联网系统的无线通信技术的选择对于其最佳性能至关重要。但是,必须考虑此选择的因素,例如所需的覆盖范围或能源消耗。在本文中,已经执行了使用低成本物联网设备的WiFi和Lora低功率广泛区域网络(LPWAN)传输后确定可获得的电池寿命。具有5秒的传输间隔和默认设置,WiFi和Lora都获得了类似的结果。此外,WiFi的表现优于默认设置和30秒的传输间隔。最后,洛拉(Lora)在更改的设置变化时确实跑赢了wifi,因为洛拉(Lora)的传输功率为10 dbm。
光学透明神经微电极有助于同时从大脑表面进行电生理记录以及神经活动的光学成像和刺激。剩下的挑战是将电极尺寸缩小到单细胞大小并增加密度,以高空间分辨率记录大面积的神经活动,从而捕捉非线性神经动力学。在这里,我们开发了透明石墨烯微电极,它具有超小开口和大而透明的记录区域,视野中没有任何金延伸,高密度微电极阵列高达 256 个通道。我们使用铂纳米粒子来克服石墨烯的量子电容极限,并将微电极直径缩小到 20 μm。引入了层间掺杂的双层石墨烯以防止开路故障。我们进行了多模态实验,将微电极阵列的皮质电位记录与小鼠视觉皮层的双光子钙成像相结合。我们的结果表明,视觉诱发反应在空间上是局部的,适用于高
平面微电极阵列(MEAS) - 体外或体内 - 神经元信号记录缺乏对神经网络功能和突触可变性的详细理解所需的空间分辨率和功能的信号噪声比(SNR)。为了克服这些局限性,将高度可定制的三维(3D)打印过程与薄膜技术结合使用,并使用自动对准模板辅助的电化学沉积工艺来制造基于3D打印的衡量标准,以基于STI效率或灵活的底物。显示具有设计灵活性和身体鲁棒性的设备用于记录不同体外和体内应用中的神经活动,可实现高高度比率3D微电极高达33:1。在这里,测量在3D神经元培养物,视网膜外植体和活小鼠皮层中成功记录神经活动,从而证明了3D MEA的多功能性,同时保持高质量的神经记录。可自定义的3D MEA为在常规或各种病理状况下(体外和体内)研究神经活动提供了独特的机会,并有助于药物筛查和神经调节系统的开发,这些系统可以准确地监测大型神经网络的活性。
使用小鼠和大鼠模型进行神经接口领域已经取得了进展,但这些模型的可互换性的标准化尚未建立。小鼠模型允许使用转基因、光遗传学和先进的成像方式,可用于检查与神经植入物本身相关的生物影响和故障机制。直接比较小鼠和大鼠模型之间的电生理数据的能力对于神经接口的开发和评估至关重要。这两种啮齿动物模型中最明显的区别是尺寸,这引起了人们对设备引起的组织应变作用的担忧。植入的微电极阵列对脑组织施加的应变被认为会影响长期记录性能。因此,了解植入物与组织尺寸比差异引起的组织应变的任何潜在差异对于验证大鼠和小鼠模型的可互换性至关重要。因此,本研究旨在调查电生理差异和预测设备引起的组织应变。从植入动物身上收集了 8 周的大鼠和小鼠电生理记录。使用有限元模型评估植入皮层内微电极的组织应变,同时考虑到两种模型在皮层深度、植入深度和电极几何形状方面的差异。与小鼠模型相比,大鼠模型在急性而非慢性时间点记录单个单元活动的通道百分比和每个通道记录的单元数量更大。此外,有限元模型还显示两种啮齿动物模型之间在组织应变方面没有预测差异。总的来说
由于其“全或无”动作电位反应,单个神经元(或单位)被公认为大脑的基本计算单位。有大量动物文献支持研究神经元放电作为了解神经元微电路和大脑功能的一种方式的机制重要性。尽管大多数研究都强调生理学,但人们越来越认识到,研究单个单位可以为疾病的系统级机制提供新的见解。微电极记录在人类中越来越普遍,与此同时,颅内脑电图记录在局灶性癫痫术前评估中的应用也越来越多。除了单个单位数据外,微电极记录还记录局部场电位和高频振荡,其中一些可能与临床大电极记录的不同。然而,微电极几乎只用于研究环境,目前没有迹象表明将微电极记录纳入常规临床护理。在这篇评论中,我们总结了 65 年来人类癫痫患者微电极记录的经验教训。我们介绍了可以利用的电极构造、如何记录和处理微电极数据的原理以及对发作动力学、发作间期动力学和认知的见解。最后,我们评论了将单单位记录纳入临床护理的可能性,重点关注潜在的临床适应症,每种适应症都有其特定的证据基础和挑战。
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摘要:人类多能干细胞 (hPSC) 衍生的神经元培养物已成为人类大脑电活动的模型。微电极阵列 (MEA) 可测量细胞培养物或组织的细胞外电位变化,并能够记录神经元网络活动。MEA 已应用于人类受试者和 hPSC 衍生的大脑模型。在这里,我们回顾了使用 MEA 对 hPSC 衍生的二维和三维大脑模型进行功能表征的文献,并在生理和病理背景下检查了它们的网络功能。我们还总结了人类大脑的 MEA 结果,并将其与有关 hPSC 衍生大脑模型的 MEA 记录的文献进行比较。MEA 记录显示二维 hPSC 衍生大脑模型中的网络活动与人类大脑相当,并揭示了疾病模型中与病理相关的变化。与二维模型相比,三维 hPSC 衍生模型(例如脑类器官)具有更相关的微环境、组织结构和对更复杂的网络活动进行建模的潜力。hPSC 衍生的大脑模型重现了人类大脑网络功能的许多方面并提供了有效的疾病模型,但这些方法需要分化方法、生物工程和可用的 MEA 技术方面的某些进步才能充分发挥其潜力。
摘要:皮层内微电极阵列 (MEA) 可用于多种应用,从基础神经科学研究到作为脑机接口 (BCI) 系统的一部分提供与大脑的紧密接口,旨在恢复患有神经系统疾病或损伤的人的功能。不幸的是,MEA 往往会过早失效,导致许多应用的功能丧失。MEA 失效的一个重要因素是氧化应激,这是由慢性炎症激活的小胶质细胞和巨噬细胞在植入部位周围释放活性氧 (ROS) 引起的。抗氧化剂提供了一种减轻氧化应激、改善组织健康和 MEA 性能的方法。在这里,我们研究使用临床上可用的抗氧化剂富马酸二甲酯 (DMF) 来减少大鼠 MEA 模型中的神经炎症反应并改善 MEA 性能。每日使用 DMF 治疗 16 周后,MEA 设备在亚慢性(第 5-11 周)阶段的记录能力显著提高(活性电极产率为 42%,而对照组为 35%)。然而,这些亚慢性改善在慢性植入阶段消失,因为在植入后 16 周,接受 DMF 治疗的动物的神经炎症反应更为严重。然而,在亚慢性阶段,治疗组和对照组之间的神经炎症并无区别。尽管长期使用效果更差,但 MEA 性能的暂时改善(<12 周)是有意义的。使用 DMF 对 MEA 设备进行短期改进可以改善有限时间研究的使用。应进一步努力探索 DMF 治疗动物在 16 周时间点神经炎症反应恶化背后的机制,并评估其对特定应用的有用性。
1 费城儿童医院儿科神经内科,宾夕法尼亚州费城 19104,2 宾夕法尼亚大学生物工程系,宾夕法尼亚州费城 19104,3 宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院神经科学系,宾夕法尼亚州费城 19104,4 宾夕法尼亚大学神经工程与治疗中心,宾夕法尼亚州费城 19104,5 迈克尔·J·克雷森茨退伍军人医疗中心神经创伤、神经变性和修复中心,宾夕法尼亚州费城 19104,6 宾夕法尼亚大学生物化学与分子生物物理学研究生组,宾夕法尼亚州费城 19104,7 宾夕法尼亚大学物理与天文学系,宾夕法尼亚州费城 19104,8 宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院神经内科,宾夕法尼亚州费城 19104,9 物理医学与宾夕法尼亚大学康复科,宾夕法尼亚州费城 19104
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