В неврологии единичные записи обеспечивают метод измерения электрофизиологических ответов одного нейрона с использованием системы микроэлектродов . Когда нейрон генерирует потенциал действия , сигнал распространяется вниз по нейрону в виде тока, который входит и выходит из клетки через возбудимые участки мембраны в соме и аксоне . В мозг вводится микроэлектрод, который регистрирует скорость изменения напряжения во времени. Эти микроэлектроды должны быть проводниками с тонкими наконечниками и высоким импедансом; [1]в основном это стеклянные микропипетки, металлические микроэлектроды из платины, вольфрама, иридия или даже оксида иридия. [2] [3] [4] Микроэлектроды могут быть аккуратно размещены близко к клеточной мембране , что позволяет вести внеклеточную запись .
Отдельные записи широко используются в когнитивной науке , где они позволяют анализировать познание человека и корковое картирование . Затем эта информация может быть применена к технологиям интерфейса мозг-машина (ИМТ) для управления мозгом внешними устройствами. [5]
Существует множество методов записи мозговой активности, включая электроэнцефалографию (ЭЭГ), магнитоэнцефалографию (МЭГ) и функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), но они не позволяют получить разрешение отдельных нейронов. [6] Нейроны являются основными функциональными единицами мозга; они передают информацию через тело, используя электрические сигналы, называемые потенциалами действия. В настоящее время единичные записи обеспечивают наиболее точные записи от одного нейрона. Единая единица определяется как один активный нейрон, пиковые потенциалы которого четко изолированы записывающим микроэлектродом. [3]
Способность записывать сигналы от нейронов сосредоточена вокруг электрического тока, протекающего через нейрон. Когда потенциал действия распространяется по клетке, электрический ток течет внутрь и наружу сомы и аксонов в возбудимых участках мембраны. Этот ток создает измеримый изменяющийся потенциал напряжения внутри (и снаружи) клетки. Это позволяет использовать два основных типа одиночных записей. Внутриклеточные одиночные записи происходят внутри нейрона и измеряют изменение напряжения (относительно времени) через мембрану во время потенциалов действия. Это выводится в виде кривой с информацией о потенциале покоя мембраны., постсинаптические потенциалы и спайки через сому (или аксон). В качестве альтернативы, когда микроэлектрод находится близко к поверхности клетки, внеклеточные записи измеряют изменение напряжения (относительно времени) вне клетки, давая только информацию о всплеске. [7] Различные типы микроэлектродов могут использоваться для одиночных записей; они обычно имеют высокий импеданс, тонкие наконечники и токопроводящие. Тонкие наконечники обеспечивают легкое проникновение без серьезного повреждения ячейки, но они также коррелируют с высоким импедансом. Кроме того, электрическая и/или ионная проводимость позволяет осуществлять запись как с неполяризуемых, так и с поляризуемых электродов. [8]Двумя основными классами электродов являются стеклянные микропипетки и металлические электроды. Заполненные электролитом стеклянные микропипетки в основном используются для внутриклеточных единичных записей; металлические электроды (обычно из нержавеющей стали, платины, вольфрама или иридия) и используются для обоих типов записи. [3]
Отдельные записи предоставили инструменты для изучения мозга и применения этих знаний к современным технологиям. Ученые-когнитивисты использовали единичные записи в мозгу животных и людей для изучения поведения и функций. Электроды также могут быть введены в мозг больных эпилепсией для определения положения эпилептических очагов. [6] Совсем недавно в интерфейсах «мозг-машина» (ИМТ) использовались отдельные записи. ИМТ записывают сигналы мозга и декодируют предполагаемую реакцию, которая затем управляет движением внешнего устройства (например, компьютерного курсора или протеза). [5]