神经电生理研究,历来是神经科学研究的主要内容。但是,目前神经元电信号的记录,仍主要依赖于以膜片钳为代表的细胞膜微电极穿刺或钳制技术。该类方法因其对细胞的穿刺损害作用,难以实现长时程测量,同时也难以实现对神经元网络的多位点同时测量。有鉴于此,研究者们陆续采用微机械加工技术开展了基于细胞传感器(cell-based biosensor)的微电极阵列(microelectrode array,MEA)和场效应管(field effect transistor,FET)阵列等神经芯片(neurochip)技术的研究,用以实现神经元胞外电位的记录。作为一种体外检测的新型细胞芯片技术,其实质就是在MEA或FET阵列传感器芯片表面培养神经元,使神经元通过一层薄的电解液同芯片的电极或栅极相耦合,构成可以实现控制电路和神经系统双向通讯的生物芯片,从而对细胞的电生理特性进行传感测量。该技术以其可对多个细胞同时进行长期、无损检测的特点,已在药物筛选、环境检测等生物医学领域得到了初步的应用。同时,该芯片技术同样适用于神经系统在体研究,从而在脑的高级功能、神经修复、以及人工器官等研究领域展示出了诱人的前景。 本论文首先从器件设计和细胞培养两个关键技术入手,建立了小鼠胚胎干细胞(embryonic stem cells)来源的基于光寻址电位传感器(light addressable potentiometric sensor,LAPS)的新型神经芯片技术,并在药物筛选等研究的基础上,从离体与在体两个方面,将该技术应用到了生物嗅觉的研究之中,为神经芯片技术拓展了新的应用领域。本论文的主要内容和贡献如下: 1.利用LAPS的光寻址特性,实现了神经芯片的细胞跟踪定位检测。MEA和FET阵列芯片都有一个共同的局限,即由于检测位点均为芯片表面固定的电极或栅极,被测细胞需要培养生长在这些特定位点,所以给细胞培养技术提出了很高的要求。LAPS芯片则是基于微机械加工技术的另一类新型细胞传感器,细胞电位的改变可通过检测LAPS的光生电流得以测量。利用其光源的可寻址特性,方便对芯片表面随机培养细胞的跟踪定位,从而克服了上述阵列传感器固定检测位点几何特性的限制。