1.3 Электрическая стимуляция культуры нейронов

Электрическая стимуляция нейронной сети через пару соседних электродов последовательностью импульсов (400-800 мкс, амплитудой 400-800 мВ (Рис. 1.5)) с интервалом следования, соизмеримым интервалам следования спонтанных пачек (5-20 с), приводит к сетевому ответу в виде последовательности пачек. Пачка представляет собой популяционный разряд сети, регистрируемый на всех электродах матрицы в виде генерации импульсов с высокой частотой за короткий промежуток времени (0,2-2 с). При этом импульсы на электродах имеют противоположную полярность, что обеспечивает локализацию тока стимуляции в их окрестности.

Рисунок 1.5. Последовательность биполярных импульсов стимуляции с амплитудой 400 мВ и длительностью 600 мкс

Каждый импульс приводит к деполяризации нейронов с формированием вызванной пачечной активности. На Рис. 1.6А приведён пример растровой диаграммы вызванной пачечной активности, где по оси абсцисс отложено время, по оси ординат - номер электрода. Точками обозначены моменты генерации импульсов на электроде.

АБ

Рисунок 1.6. А - растр вызванной пачки импульсов. Б – частотный профиль ответа на стимул в виде суммарного числа импульсов на всех электродах за каждые 50 мс после стимулов

1.4 Протокол эксперимента

Известно, что при длительной стимуляции характеристики сетевого ответа, определённые функциональными связями между нейронами, в среднем не меняется, но обладает значительной вариабельностью.

Когда ответ на стимул удовлетворяет критерию обучения, стимуляция автоматически останавливается на 5 минут. Критерий обучения определяется как пороговое значение отношения суммарного количества вызванных ответов к количеству стимулов (R/S ≥ 0,1). Стимуляция с последующей паузой называется периодом цикла. Для каждого эксперимента выбирается пара электродов, при стимуляции которых более чем 50% приложенных стимулов вызывали сетевой ответ в виде пачки. В данном эксперименте под подкреплением понимается отключение стимуляции при получении ожидаемого ответа (достижения критерия обучения) на стимул.

В экспериментах с культурами по обучению формировать заданную активность (возникновения потенциалов действия в заданном интервале времени после стимула) посредством длительной повторяющейся стимуляции стереотипным сигналом, система модифицирует свою структурно-функциональную организацию под влиянием внешнего воздействия. Данный эффект отражается на изменении регистрируемой активности после стимула (Рис. 1.7). Подобное изменение является строго избирательным за счёт наличия в лабораторной установке системы обратной связи. Назначение обратной связи состоит в закреплении достигнутой структурно-функциональной организации путём отключения стимуляции при достижении параметрами регистрируемой активности требуемых значений.

А Б

Рисунок 1.7. А - Гистограмма ответов после стимулов на одном электроде до обучения. Б - Гистограмма ответов после стимулов после обучения содержит больше импульсов, чем до обучения

Контрольные вопросы

1. Что регистрируют электроды мультиэлектродной матрицы?

2. Какого типа сигнал подаётся на электроды при стимуляции?

3. Чему равна оптимальная частота следования стимулов, вызывающая сетевой отклик в культуре клеток?