Rozprawa doktorska podejmuje temat rozwoju specjalizowanych układów scalonych do równoczesnej stymulacji oraz rejestracji aktywności elektrycznej komórek nerwowych przy użyciu matryc mikroelektrod oraz rozwój metod analizy danych w celu poszukiwania połączeń funkcjonalnych w naturalnych sieciach neuronowych. Wprowadzenie teoretyczne opisuje fizyczne i biologiczne podstawy przewodzenia potencjałów czynnościowych, model elektryczny synapsy oraz budowę mózgu myszy ze szczególnym uwzględnieniem hipokampa. Przedstawione zostały najnowsze zewnątrzkomórkowe metody rejestracji aktywności neuronów: matryce mikroelektrod. mikroigły oraz sondy krzemowe. W części projektowej przedstawiono projekt 64 kanałowego układu scalonego do rejestracji potencjałów czynnościowych, potencjałów polowych oraz stymulacji elektrycznej neuronów w eksperymentach in vivo oraz in vitro.
Cześć badawcza rozprawy koncentruje się na analizie danych uzyskanych z eksperymentów rejestracji aktywności spontanicznej w wycinkach mózgu myszy. Opracowana została metoda poszukiwania połączeń funkcjonalnych pomiędzy parami neuronów, dużo bardziej wydajna obliczeniowo niż stosowana powszechnie metoda drgań losowych. Wyniki analizy danych z 52 eksperymentów zostały przedstawione w postaci map połączeń funkcjonalnych nałożonych na obrazy struktur anatomicznych.
The main subjects of the Dissertation are: development of application specific integrated circuits for simultaneous electrical stimulation and recording from neural cells using microelectrode arrays and development of methods for automated recognition of functional connectivity in live neural networks.
The theoretical framework introduces and describes biological and physical fundamentals of action potentials, electrical model of the synapse, mouse brain anatomy focusing on hippocampal structure. The state-of-the-art techniques of extracellular neural signals recording are presented along with the most recent recording interfaces: microelectrode arrays, needles and silicon probes. Design of 64 channel integrated circuit for simultaneous recording of neural activity (both spike potentials and field potentials), and stimulation of neurons is presented. I he chip is foreseen for both in vivo and in vitro applications.
Experimental part of the Dissertation focuses on algorithms and methods for finding functional connections between pairs of neurons. A novel method for automatic functional connectivity recognition many times more computationally effective compared to currently used spike jittering has been proposed. The method has successfully been applied to data recorded during 52 experiments on cultured brain slices. Identified functional connections have been presented with respect to anatomical structures of mouse brain.
