神經(jīng)系統的信息傳導主要是通過(guò)神經(jīng)放電而實(shí)現的，神經(jīng)元作為神經(jīng)系統的基本單元，其產(chǎn)生的電信號含有豐富的信息，故而研究神經(jīng)細胞電信號的采集與處理有著(zhù)重要意義[1]。神經(jīng)細胞產(chǎn)生的電信號電位幅度一般在90～130mV，對于不同測量方法得到的神經(jīng)細胞電信號也不盡相同，現主要技術(shù)有膜片鉗技術(shù)[2]和微電極陣列技術(shù)[3]。

膜片鉗技術(shù)對神經(jīng)細胞電信號進(jìn)行采集需要受過(guò)良好訓練的電生理學(xué)專(zhuān)家進(jìn)行，采集難度較大，且通量低、數據采集慢?；谖㈦姌O對神經(jīng)細胞電信號進(jìn)行采集，可將細胞直接在電極芯片上進(jìn)行無(wú)創(chuàng )培養，隨時(shí)觀(guān)察其生長(cháng)情況，進(jìn)而方便、快速地采集到神經(jīng)細胞電信號。雖然以微電極陣列為傳感器對神經(jīng)細胞電信號進(jìn)行采集的方法由來(lái)已久，但是一直存在因為電極材料問(wèn)題使得神經(jīng)細胞不能很好地在電極表面生長(cháng)且影響觀(guān)察，或者沒(méi)有相對應的外圍放大濾波裝置使得神經(jīng)細胞電信號不能很好地獲得等問(wèn)題。

該實(shí)驗用到的微電極陣列以玻璃為基底，并對電極表面鍍金，同時(shí)采用專(zhuān)用的微電極芯片連接器、放大濾波電路、信號采集卡完成神經(jīng)細胞電信號的采集。之后為更好地對后續信號進(jìn)行特征提取與分類(lèi)，采用經(jīng)驗模態(tài)分解（Empirical Mode De?composition，EMD）[4]的方法對信號進(jìn)行分解，再根據信號分量特征選取信號的真實(shí)部分進(jìn)行重組，得到去除噪聲的神經(jīng)細胞電信號。通過(guò)文中提出的方法，使得對神經(jīng)細胞電信號的研究更加便利。

1、神經(jīng)細胞電信號采集系統

本文采用微電極陣列采集神經(jīng)細胞電信號的方法。文中用到的神經(jīng)細胞是現提取的小鼠神經(jīng)細胞，微電極是共有60通道、單個(gè)電極圓盤(pán)直徑30μm、兩電極圓盤(pán)間距100μm的微電極陣列。首先需在微電極表面固定培養皿，對培養皿所在區域進(jìn)行氧等離子體處理，使得離體的神經(jīng)細胞可在電極圓盤(pán)上貼壁生長(cháng)。當神經(jīng)細胞培養2～3天后，在顯微鏡下觀(guān)察到細胞生長(cháng)狀況良好，可進(jìn)行電信號采集。微電極與神經(jīng)細胞在微電極芯片的生長(cháng)情況如圖1所示。

圖1微電極及在微電極芯片上培養的神經(jīng)細胞放大圖

神經(jīng)細胞電生理特性采集系統如圖2所示，主要包括電源、微電極芯片及接口裝置、前置放大器、數據采集卡、計算機。系統的預處理電路包括前置放大電路和濾波電路，主要負責將微弱的神經(jīng)細胞電信號進(jìn)行放大，同時(shí)去除基線(xiàn)漂移和高頻干擾信號，以供接下來(lái)的信號采集系統完成信號采集工作?；贚abVIEW的數據采集系統由上位PC機結合LabVIEW實(shí)現，將放大濾波電路處理后的信號經(jīng)由NI-4462數據采集卡進(jìn)行采集，以完成對前置放大器采集的電信號進(jìn)行傳輸、轉換和存儲。計算機與信號采集卡之間采用PCI外部設備互聯(lián)總線(xiàn)的方式進(jìn)行上下位機間的通信[5]，將記錄的信號傳輸至電腦上進(jìn)行波形顯示和數據保存。

圖2神經(jīng)細胞電信號采集系統

2、神經(jīng)細胞電信號處理

通過(guò)微電極及其外圍設備采集到如圖3所示神經(jīng)細胞電信號后，發(fā)現離體培養的神經(jīng)細胞電信號幅值為75mV～125mV之間，且發(fā)放模式多呈爆發(fā)模式發(fā)放[6]，符合神經(jīng)細胞的電信號發(fā)放情況。

圖3神經(jīng)細胞電信號

由于檢測到的電信號主要是由細胞膜外吸附正電荷產(chǎn)生的場(chǎng)電勢，離體培養的細胞又與電極之間是容性連接，根據電容量與兩個(gè)極板的距離成反比的理論，細胞膜與電極間的依附程度對其是否能達到最佳耦合是至關(guān)重要的[7]。場(chǎng)電勢的大小與細胞－電極接觸間隙形成的電阻成比例。因此，細胞在電極上完全覆蓋的程度決定了細胞－電極界面的電特性，同時(shí)電極和細胞接觸的幾何形狀，如大小、尺寸以及相互位置也對其有影響[8]。在電極上培養細胞時(shí)發(fā)現，細胞在貼壁生長(cháng)時(shí)經(jīng)常會(huì )出現一個(gè)電極圓盤(pán)周?chē)卸鄠€(gè)神經(jīng)細胞同時(shí)存在，導致單個(gè)細胞不能完全與電極接觸，所以會(huì )出現采集到的神經(jīng)細胞電信號可能是多個(gè)細胞共同活動(dòng)的結果，導致細胞之間產(chǎn)生影響。同時(shí)采集電信號時(shí)細胞通過(guò)培養液與電極接觸產(chǎn)生的阻抗、電噪聲和環(huán)境噪聲也會(huì )影響采集結果[9]，不可避免地會(huì )摻雜生物噪聲及外來(lái)噪聲。

經(jīng)驗模態(tài)分解方法可以根據信號的實(shí)際情況，自適應地分解信號，可對采集到的非平穩、非線(xiàn)性神經(jīng)電信號進(jìn)行較好的處理。本文參考Hilbert-Huang變換，利用EMD方法將一組摻雜噪聲的神經(jīng)細胞電信號分解為若干本征模態(tài)函數IMF（Intrinsic Mode Function），所分解出來(lái)的各IMF分量包含了原噪聲信號的不同時(shí)間尺度的局部特征信號。之后對IMF分量進(jìn)行希爾伯特變換取得各分量的瞬時(shí)頻率，進(jìn)而有選擇性地恢復原信號[10]。具體步驟如下：

（1）利用EMD方法將圖3中摻雜噪聲的神經(jīng)細胞電信號分解為若干本征模態(tài)函數IMF，以此可以實(shí)現真實(shí)信號與噪聲信號的近似分離。原始信號可以表示成式（1）：

即原始信號分解成n個(gè)固有模態(tài)（IMF）和一個(gè)殘余信號rn(t)，殘余信號是一個(gè)平均的趨勢或是一個(gè)常數[11]。所有分量如圖4所示。

圖4信號分解后的IMF分量圖

由圖4可知，IMF1～IMF4分量的頻率相對較大，初步判斷為高頻噪聲，IMF5～IMF8的頻率相對較小，初步判斷為信號的真實(shí)部分。下面將結合各IMF分量的希爾伯特變換得到的幅頻特性圖再做進(jìn)一步的判斷。

（2）對提取的各IMF分量進(jìn)行希爾伯特變換，進(jìn)而得到信號的幅頻特性圖，求得信號的瞬時(shí)頻率[12]為式（2）：

圖5各分量幅頻特性圖

由圖5可以看出，IMF1～IMF4的幅頻特性圖中，包含很多大于50Hz的峰值，而IMF5～IMF8的幅頻特性圖中峰值主要集中于0～50Hz。進(jìn)一步可以判定IMF1～IMF4為噪聲部分，IMF5～IMF8為信號的有用部分。

（3）對判定為噪聲的成分進(jìn)行去除，對判定為有用的信號成分加以保留，利用式（3）對信號進(jìn)行重構。

得到去除噪聲后的信號，原始信號與去除噪聲后的信號波形對比如圖6所示。

圖6原始信號與去除噪聲后的信號波形對比圖

由圖6結果對比表明，先對信號進(jìn)行經(jīng)驗模態(tài)分解，之后根據分解信號特征去除噪聲部分，再把有用部分進(jìn)行整合得到新的信號，這種方法不但能夠有效地抑制噪聲，還可以較好地保留原始神經(jīng)細胞電信號的波形成分。

3、結論

本文利用微電極陣列對神經(jīng)細胞電信號進(jìn)行了采集，通過(guò)實(shí)驗發(fā)現神經(jīng)細胞可以在微電極上很好地生長(cháng)，經(jīng)過(guò)2～3天培養就可以在顯微鏡下觀(guān)察到細胞已在電極圓盤(pán)周?chē)N壁生長(cháng)，對神經(jīng)細胞電信號進(jìn)行測量時(shí)發(fā)現可以產(chǎn)生75mV～125mV的明顯放電現象。之后通過(guò)經(jīng)驗模態(tài)分解方法將原始的神經(jīng)細胞電信號分解成多個(gè)IMF分量，以此實(shí)現真實(shí)信號與噪聲信號的近似分離。之后從高頻IMF分量中找出包含噪聲的分量，然后將其剔除，剩余的IMF分量不做處理。最后將剩余未做處理的IMF分量重新整合就能獲得去除噪聲的真實(shí)信號。

雖然經(jīng)過(guò)對比處理前與處理后的信號波形，發(fā)現本文的方法比較適合對用微電極采集到的神經(jīng)細胞電信號去除噪聲，但是由于在培養神經(jīng)細胞過(guò)程中不能很好的控制細胞生長(cháng)方向和數量，導致一些電極圓盤(pán)上長(cháng)有很多神經(jīng)細胞，另一些上面卻只有很稀少或沒(méi)有神經(jīng)細胞，故而在使用微電極陣列對神經(jīng)細胞電信號進(jìn)行采集時(shí)各細胞間不可避免的會(huì )產(chǎn)生干擾。在后續的研究中會(huì )通過(guò)改變微電極陣列結構，或者利用加藥的方法來(lái)控制神經(jīng)細胞在微電極上定向生長(cháng)，完成特定神經(jīng)細胞電信號的采集。

本文提出了一種簡(jiǎn)單可行的實(shí)驗方法，可完成神經(jīng)細胞電信號的采集與處理。這種方法為之后研究神經(jīng)細胞奠定了基礎，尤其可對研究神經(jīng)細胞電信號內蘊涵的豐富信息提供幫助，繼而為生物醫學(xué)、神經(jīng)信息學(xué)、新型傳感器等眾多領(lǐng)域的研究提供基礎。