基于微電極陣列的神經(jīng)細(xì)胞電信號采集與處理

張曉旭，楊立波，宋正勛，2，趙立

（1.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 國家納米操縱與制造國際聯(lián)合研究中心，長春 130022；3.長春海拉車燈有限公司，長春 130033）

神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳導(dǎo)主要是通過神經(jīng)放電而實現(xiàn)的，神經(jīng)元作為神經(jīng)系統(tǒng)的基本單元，其產(chǎn)生的電信號含有豐富的信息，故而研究神經(jīng)細(xì)胞電信號的采集與處理有著重要意義[1]。神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生的電信號電位幅度一般在90～130mV，對于不同測量方法得到的神經(jīng)細(xì)胞電信號也不盡相同，現(xiàn)主要技術(shù)有膜片鉗技術(shù)[2]和微電極陣列技術(shù)[3]。

膜片鉗技術(shù)對神經(jīng)細(xì)胞電信號進行采集需要受過良好訓(xùn)練的電生理學(xué)專家進行，采集難度較大，且通量低、數(shù)據(jù)采集慢?；谖㈦姌O對神經(jīng)細(xì)胞電信號進行采集，可將細(xì)胞直接在電極芯片上進行無創(chuàng)培養(yǎng)，隨時觀察其生長情況，進而方便、快速地采集到神經(jīng)細(xì)胞電信號。雖然以微電極陣列為傳感器對神經(jīng)細(xì)胞電信號進行采集的方法由來已久，但是一直存在因為電極材料問題使得神經(jīng)細(xì)胞不能很好地在電極表面生長且影響觀察，或者沒有相對應(yīng)的外圍放大濾波裝置使得神經(jīng)細(xì)胞電信號不能很好地獲得等問題。該實驗用到的微電極陣列以玻璃為基底，并對電極表面鍍金，同時采用專用的微電極芯片連接器、放大濾波電路、信號采集卡完成神經(jīng)細(xì)胞電信號的采集。之后為更好地對后續(xù)信號進行特征提取與分類，采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode De?composition，EMD）[4]的方法對信號進行分解，再根據(jù)信號分量特征選取信號的真實部分進行重組，得到去除噪聲的神經(jīng)細(xì)胞電信號。通過文中提出的方法，使得對神經(jīng)細(xì)胞電信號的研究更加便利。

1 神經(jīng)細(xì)胞電信號采集系統(tǒng)

本文采用微電極陣列采集神經(jīng)細(xì)胞電信號的方法。文中用到的神經(jīng)細(xì)胞是現(xiàn)提取的小鼠神經(jīng)細(xì)胞，微電極是共有60通道、單個電極圓盤直徑30μm、兩電極圓盤間距100μm的微電極陣列。首先需在微電極表面固定培養(yǎng)皿，對培養(yǎng)皿所在區(qū)域進行氧等離子體處理，使得離體的神經(jīng)細(xì)胞可在電極圓盤上貼壁生長。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)2～3天后，在顯微鏡下觀察到細(xì)胞生長狀況良好，可進行電信號采集。微電極與神經(jīng)細(xì)胞在微電極芯片的生長情況如圖1所示。

圖1 微電極及在微電極芯片上培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞放大圖

神經(jīng)細(xì)胞電生理特性采集系統(tǒng)如圖2所示，主要包括電源、微電極芯片及接口裝置、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機。系統(tǒng)的預(yù)處理電路包括前置放大電路和濾波電路，主要負(fù)責(zé)將微弱的神經(jīng)細(xì)胞電信號進行放大，同時去除基線漂移和高頻干擾信號，以供接下來的信號采集系統(tǒng)完成信號采集工作?；贚abVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由上位PC機結(jié)合LabVIEW實現(xiàn)，將放大濾波電路處理后的信號經(jīng)由NI-4462數(shù)據(jù)采集卡進行采集，以完成對前置放大器采集的電信號進行傳輸、轉(zhuǎn)換和存儲。計算機與信號采集卡之間采用PCI外部設(shè)備互聯(lián)總線的方式進行上下位機間的通信[5]，將記錄的信號傳輸至電腦上進行波形顯示和數(shù)據(jù)保存。

圖2 神經(jīng)細(xì)胞電信號采集系統(tǒng)

2 神經(jīng)細(xì)胞電信號處理

通過微電極及其外圍設(shè)備采集到如圖3所示神經(jīng)細(xì)胞電信號后，發(fā)現(xiàn)離體培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞電信號幅值為75mV～125mV之間，且發(fā)放模式多呈爆發(fā)模式發(fā)放[6]，符合神經(jīng)細(xì)胞的電信號發(fā)放情況。

圖3 神經(jīng)細(xì)胞電信號

由于檢測到的電信號主要是由細(xì)胞膜外吸附正電荷產(chǎn)生的場電勢，離體培養(yǎng)的細(xì)胞又與電極之間是容性連接，根據(jù)電容量與兩個極板的距離成反比的理論，細(xì)胞膜與電極間的依附程度對其是否能達到最佳耦合是至關(guān)重要的[7]。場電勢的大小與細(xì)胞－電極接觸間隙形成的電阻成比例。因此，細(xì)胞在電極上完全覆蓋的程度決定了細(xì)胞－電極界面的電特性，同時電極和細(xì)胞接觸的幾何形狀，如大小、尺寸以及相互位置也對其有影響[8]。在電極上培養(yǎng)細(xì)胞時發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在貼壁生長時經(jīng)常會出現(xiàn)一個電極圓盤周圍有多個神經(jīng)細(xì)胞同時存在，導(dǎo)致單個細(xì)胞不能完全與電極接觸，所以會出現(xiàn)采集到的神經(jīng)細(xì)胞電信號可能是多個細(xì)胞共同活動的結(jié)果，導(dǎo)致細(xì)胞之間產(chǎn)生影響。同時采集電信號時細(xì)胞通過培養(yǎng)液與電極接觸產(chǎn)生的阻抗、電噪聲和環(huán)境噪聲也會影響采集結(jié)果[9]，不可避免地會摻雜生物噪聲及外來噪聲。

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法可以根據(jù)信號的實際情況，自適應(yīng)地分解信號，可對采集到的非平穩(wěn)、非線性神經(jīng)電信號進行較好的處理。本文參考Hilbert-Huang變換，利用EMD方法將一組摻雜噪聲的神經(jīng)細(xì)胞電信號分解為若干本征模態(tài)函數(shù)IMF（Intrinsic Mode Function），所分解出來的各IMF分量包含了原噪聲信號的不同時間尺度的局部特征信號。之后對IMF分量進行希爾伯特變換取得各分量的瞬時頻率，進而有選擇性地恢復(fù)原信號[10]。具體步驟如下：

（1）利用EMD方法將圖3中摻雜噪聲的神經(jīng)細(xì)胞電信號分解為若干本征模態(tài)函數(shù)IMF，以此可以實現(xiàn)真實信號與噪聲信號的近似分離。原始信號可以表示成式（1）：

即原始信號分解成n個固有模態(tài)（IMF）和一個殘余信號rn(t)，殘余信號是一個平均的趨勢或是一個常數(shù)[11]。所有分量如圖4所示。

圖4 信號分解后的IMF分量圖

由圖4可知，IMF1～IMF4分量的頻率相對較大，初步判斷為高頻噪聲，IMF5～IMF8的頻率相對較小，初步判斷為信號的真實部分。下面將結(jié)合各IMF分量的希爾伯特變換得到的幅頻特性圖再做進一步的判斷。

（2）對提取的各IMF分量進行希爾伯特變換，進而得到信號的幅頻特性圖，求得信號的瞬時頻率[12]為式（2）：

各分量的幅頻特性如圖5所示。

圖5 各分量幅頻特性圖

由圖5可以看出，IMF1～IMF4的幅頻特性圖中，包含很多大于50Hz的峰值，而IMF5～IMF8的幅頻特性圖中峰值主要集中于0～50Hz。進一步可以判定IMF1～IMF4為噪聲部分，IMF5～IMF8為信號的有用部分。

（3）對判定為噪聲的成分進行去除，對判定為有用的信號成分加以保留，利用式（3）對信號進行重構(gòu)。

得到去除噪聲后的信號，原始信號與去除噪聲后的信號波形對比如圖6所示。

圖6 原始信號與去除噪聲后的信號波形對比圖

由圖6結(jié)果對比表明，先對信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，之后根據(jù)分解信號特征去除噪聲部分，再把有用部分進行整合得到新的信號，這種方法不但能夠有效地抑制噪聲，還可以較好地保留原始神經(jīng)細(xì)胞電信號的波形成分。

3 結(jié)論

本文利用微電極陣列對神經(jīng)細(xì)胞電信號進行了采集，通過實驗發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞可以在微電極上很好地生長，經(jīng)過2～3天培養(yǎng)就可以在顯微鏡下觀察到細(xì)胞已在電極圓盤周圍貼壁生長，對神經(jīng)細(xì)胞電信號進行測量時發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生75mV～125mV的明顯放電現(xiàn)象。之后通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法將原始的神經(jīng)細(xì)胞電信號分解成多個IMF分量，以此實現(xiàn)真實信號與噪聲信號的近似分離。之后從高頻IMF分量中找出包含噪聲的分量，然后將其剔除，剩余的IMF分量不做處理。最后將剩余未做處理的IMF分量重新整合就能獲得去除噪聲的真實信號。

雖然經(jīng)過對比處理前與處理后的信號波形，發(fā)現(xiàn)本文的方法比較適合對用微電極采集到的神經(jīng)細(xì)胞電信號去除噪聲，但是由于在培養(yǎng)神經(jīng)細(xì)胞過程中不能很好的控制細(xì)胞生長方向和數(shù)量，導(dǎo)致一些電極圓盤上長有很多神經(jīng)細(xì)胞，另一些上面卻只有很稀少或沒有神經(jīng)細(xì)胞，故而在使用微電極陣列對神經(jīng)細(xì)胞電信號進行采集時各細(xì)胞間不可避免的會產(chǎn)生干擾。在后續(xù)的研究中會通過改變微電極陣列結(jié)構(gòu)，或者利用加藥的方法來控制神經(jīng)細(xì)胞在微電極上定向生長，完成特定神經(jīng)細(xì)胞電信號的采集。

本文提出了一種簡單可行的實驗方法，可完成神經(jīng)細(xì)胞電信號的采集與處理。這種方法為之后研究神經(jīng)細(xì)胞奠定了基礎(chǔ)，尤其可對研究神經(jīng)細(xì)胞電信號內(nèi)蘊涵的豐富信息提供幫助，繼而為生物醫(yī)學(xué)、神經(jīng)信息學(xué)、新型傳感器等眾多領(lǐng)域的研究提供基礎(chǔ)。