Design of a registration system for neuron signals in microelectrode array with stocastic resonance

This PhD thesis aims at the study and practical implementation of a complete system capable of recording electrical signals from a Microelectrode Array. This multi-electrode planar matrix known as MEA (MicroElectrode Array), is built with the same technology as nanoscale integrated circuits, and allows a biological culture of neural cells to be performed at its center. Through studies on MEAs, we can better understand the pattern of spikes and bursts generated by neurons on in vitro cultures. The electrical signals captured and recorded from microelectrodes have an amplitude of the order of microvolts (µV) and need to be amplified by special circuits, with filters capable of selecting the frequency band of interest. However, often the electrical levels of the signals captured in MEAs are so small that they cannot be amplified by conventional techniques, as they are of the same order as the random noise level produced by the amplifier circuits. Some electrical signals are impossible to record through operational amplifiers conventionally used in electronics. In this paper, we describe the application of the Stochastic Resonance Phenomenon (SR) to record signals of very low intensity compared to conventional amplification methods for signals captured in MEA. Therefore, the work of this thesis consists in the development of the acquisition and recording system of signals from in vitro cultured neurons in MEA, using conventional and SR methods; electrical measurements of the developed bench system and comparison with the values obtained in the simulation, testing conventional amplifiers and SR amplification systems and validation of the entire device in a real experiment with an in vitro culture of neurons, which was performed in an electrophysiology laboratory at the Federal University of Uberlândia. The results of these experiments showed stochastic resonance is useful for detecting signals below 100 µV p-p. For higher amplitude signals, there is no advantage in using the RE as an amplification element due to the distortion produced in the signals.Não recebi financiamentoEsta tese de Doutorado tem como objetivo o estudo e a implementação prática de um sistema completo capaz de registrar os sinais elétricos provenientes de uma Matriz de microeletrodo. Essa matriz planar com múltiplos microeletrodos conhecida como MEA (MicroElectrode Array), é construída com a mesma tecnologia dos circuitos integrados em nanoescala, e permite que seja efetuada em seu centro uma cultura biológica de células neurais. Através dos estudos em MEAs pode-se entender melhor o padrão de spikes e bursts gerados pelos neurônios em culturas in vitro. Os sinais elétricos capturados e registrados pelos microeletrodos tem amplitude da ordem de microvolts (µV) e precisam ser amplificados por circuitos especiais, dotados de filtros capazes de permitir selecionar a banda de frequências de interesse. Entretanto, muitas vezes os níveis elétricos dos sinais capturados em MEAs são tão pequenos que não é possível amplificá-los através das técnicas convencionais, pois estes são da mesma ordem do nível de ruído aleatório produzido pelos circuitos amplificadores. Alguns sinais elétricos são impossíveis de serem registrados através dos amplificadores operacionais convencionalmente usados em eletrônica. Neste trabalho, é descrita a aplicação do Fenômeno de Ressonância Estocástica (RE), para registrar sinais de intensidade muito pequena, em comparação com os métodos de amplificação convencionais para sinais capturados em MEA. Para tanto, o trabalho desta tese consiste no desenvolvimento do sistema de aquisição e gravação de sinais de neurônios cultivados in vitro em MEA, usando métodos convencionais e RE; realização de medidas elétricas do sistema desenvolvido em bancada e comparação com os valores obtidos na simulação, testando amplificadores convencionais e sistemas RE e a validação de todo o sistema em um experimento real com uma cultura in vitro de neurônios, que foi efetuada em laboratório de eletrofisiologia na Universidade Federal de Uberlândia. Os resultados destes experimentos mostraram que a ressonância estocástica é útil para detectar sinais de amplitude inferior a 100 µV p-p. Para sinais de maior amplitude, não existe vantagem no uso da RE como elemento de amplificação, devido à distorção produzida nos sinais