อาร์เรย์ไมโครอิเล็กโทรด ( MEA ) (เรียกอีกอย่างว่าอาร์เรย์มัลติอิเล็กโทรด^{[ 1 ] [ 2 ]} ) เป็นอุปกรณ์ที่มีไมโครอิเล็กโทรด หลายตัว (หลายสิบถึงหลายพันตัว) ซึ่ง ใช้ในการรับหรือส่งสัญญาณประสาท โดยพื้นฐานแล้วทำหน้าที่เป็นอินเทอร์เฟซประสาทที่เชื่อมต่อ เซลล์ประสาทกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ MEA แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ MEA ที่ฝังได้ ซึ่งใช้ในร่างกายและ MEA ที่ไม่สามารถฝังได้ ซึ่งใช้ในหลอดทดลอง ในแต่ละประเภทจะมี อาร์เรย์ไมโครอิเล็กโทรดแบบแข็ง แบบยืดหยุ่น และ แบบยืด ได้

เมื่อ เซลล์ประสาทและเซลล์กล้ามเนื้อ ถูกกระตุ้น จะสร้าง กระแสไอออน ผ่าน เยื่อหุ้ม เซลล์ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าระหว่างภายในและภายนอกเซลล์ ในระหว่างการบันทึกอิเล็กโทรดบน MEA จะแปลงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าจากสิ่งแวดล้อมที่ส่งผ่านไอออนไปเป็นกระแสที่ส่งผ่านอิเล็กตรอน (กระแสอิเล็กตรอน) เมื่อทำการกระตุ้นอิเล็กโทรดจะแปลงกระแสอิเล็กตรอนไปเป็นกระแสไอออนผ่านตัวกลาง ซึ่งจะกระตุ้นช่องไอออนที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าบนเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ที่สามารถถูกกระตุ้นได้ ทำให้เซลล์เกิดการลดขั้วและกระตุ้นให้เกิดศักย์ไฟฟ้าหากเป็นเซลล์ประสาท หรือเกิดการกระตุกหากเป็นเซลล์กล้ามเนื้อ

ขนาดและรูปร่างของสัญญาณที่บันทึกขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ได้แก่ ลักษณะของตัวกลางที่เซลล์หรือเซลล์ต่างๆ ตั้งอยู่ (เช่นการนำไฟฟ้าความจุและความสม่ำเสมอ ของตัวกลาง ) ลักษณะของการสัมผัสระหว่างเซลล์และอิเล็กโทรด MEA (เช่น พื้นที่สัมผัสและความแน่น) ลักษณะของอิเล็กโทรด MEA เอง (เช่น รูปทรงเรขาคณิต อิมพีแดนซ์และสัญญาณรบกวน) การประมวลผลสัญญาณอนาล็อก (เช่น อัตราขยายแบนด์วิดท์และพฤติกรรมของระบบ นอก ความถี่ตัด ) และ คุณสมบัติ การสุ่มตัวอย่าง ข้อมูล (เช่นอัตราการสุ่มตัวอย่างและการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล ) ^{[ 3 ]}สำหรับการบันทึกเซลล์เดี่ยวที่ปกคลุมอิเล็กโทรดแบบระนาบเพียงบางส่วน แรงดันไฟฟ้าที่แผ่นสัมผัสจะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของบริเวณที่ทับซ้อนกันของเซลล์และอิเล็กโทรดโดยประมาณ คูณด้วยอัตราส่วนของพื้นที่ผิวของบริเวณที่ทับซ้อนกันต่อพื้นที่ของอิเล็กโทรดทั้งหมด หรือ:

${\displaystyle V_{pad}=V_{overlap}\times {\frac {A_{overlap}}{A_{electrode}}}}$

โดยถือว่าบริเวณรอบอิเล็กโทรดเป็นฉนวนที่ดีและมีความจุไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องน้อยมาก^{[ 3 ]}อย่างไรก็ตาม สมการข้างต้นอาศัยการจำลองอิเล็กโทรด เซลล์ และสภาพแวดล้อมโดยรอบเป็นแผนภาพวงจร สมมูล วิธีการอื่นในการทำนายพฤติกรรมของเซลล์-อิเล็กโทรดคือการจำลองระบบโดยใช้ การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดตามเรขาคณิตเพื่อพยายามหลีกเลี่ยงข้อจำกัดของการทำให้ระบบง่ายเกินไปในแผนภาพองค์ประกอบวงจรแบบรวม^{[ 4 ]}

MEA สามารถใช้ในการ ทดลอง ทางสรีรวิทยาไฟฟ้าบนชิ้นเนื้อหรือเซลล์เพาะเลี้ยงที่แยกตัวออกจากกันได้ สำหรับชิ้นเนื้อที่สดใหม่ การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ภายในชิ้นเนื้อก่อนการสกัดและการเพาะเลี้ยงจะยังคงอยู่มากหรือน้อย ในขณะที่การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ในเซลล์เพาะเลี้ยงที่แยกตัวออกจากกันจะถูกทำลายก่อนการเพาะเลี้ยง สำหรับเซลล์ประสาทที่แยกตัวออกจากกัน เซลล์ประสาทจะสร้างเครือข่ายขึ้นเอง โดยธรรมชาติ ^{[ 5 ]}

จะเห็นได้ว่าแอมพลิจูด แรงดันไฟฟ้า ที่อิเล็กโทรดได้รับนั้นสัมพันธ์ผกผันกับระยะห่างที่เซลล์เกิดการลดขั้ว^{[ 6 ]}ดังนั้น อาจจำเป็นต้องเพาะเลี้ยงเซลล์หรือวางเซลล์ให้ใกล้กับอิเล็กโทรดมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในกรณีของชิ้นเนื้อ จะมีชั้นของเซลล์ที่ตายแล้วซึ่งไม่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเกิดขึ้นรอบๆ บริเวณที่ผ่าตัดเนื่องจากอาการบวมน้ำ^{[ 7 ]}วิธีหนึ่งที่จะจัดการกับปัญหานี้คือการสร้าง MEA ที่มีอิเล็กโทรดสามมิติที่สร้างขึ้นโดยการปิดบังและการกัดด้วยสารเคมี อิเล็กโทรดสามมิติเหล่านี้จะแทรกซึมเข้าไปในชั้นเซลล์ที่ตายแล้วของชิ้นเนื้อ ทำให้ระยะห่างระหว่างเซลล์ที่มีชีวิตกับอิเล็กโทรดลดลง^{[ 8 ]}ในการเพาะเลี้ยงแบบแยกเซลล์ การยึดเกาะที่เหมาะสมของเซลล์กับพื้นผิว MEA มีความสำคัญต่อการได้รับสัญญาณที่แข็งแรง

อาร์เรย์ฝังตัวชุดแรกคืออาร์เรย์ไมโครไวร์ที่พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 ^{[ 9 ]}การทดลองครั้งแรกที่เกี่ยวข้องกับการใช้อาร์เรย์ของอิเล็กโทรดแบบระนาบเพื่อบันทึกจากเซลล์เพาะเลี้ยงนั้นดำเนินการในปี 1972 โดย CA Thomas, Jr. และเพื่อนร่วมงานของเขา^{[ 6 ]}การจัดเตรียมการทดลองใช้ อาร์เรย์อิเล็กโทรด ทองคำ ขนาด 2 x 15 ที่เคลือบด้วยแพลทินัมแบล็กโดยแต่ละอิเล็กโทรดเว้นระยะห่างกัน 100 ไมโครเมตรเซลล์กล้ามเนื้อที่เก็บเกี่ยวจาก ลูกไก่ ในระยะตัวอ่อนจะถูกแยกและเพาะเลี้ยงบน MEA และบันทึกสัญญาณที่มีแอมพลิจูดสูงถึง 1 mV ^{[ 10 ]} MEA ถูกสร้างขึ้นและใช้เพื่อสำรวจสรีรวิทยาไฟฟ้าของปมประสาท หอยทาก โดยอิสระโดยGuenter Grossและเพื่อนร่วมงานของเขาที่ Center for Network Neuroscience ในปี 1977 โดยที่ไม่มีความรู้มาก่อนเกี่ยวกับงานของ Thomas และเพื่อนร่วมงานของเขา^{[ 6 ]}ในปี พ.ศ. 2525 กรอสส์ได้สังเกตกิจกรรมทางไฟฟ้าสรีรวิทยาที่เกิดขึ้นเองจาก เซลล์ ประสาทไขสันหลัง ที่แยกตัวออกมา และพบว่ากิจกรรมนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นอย่างมาก ที่อุณหภูมิต่ำกว่าประมาณ 30 องศาเซลเซียส แอมพลิจูดของสัญญาณจะลดลงอย่างรวดเร็วจนเหลือค่าที่ค่อนข้างน้อยที่อุณหภูมิห้อง^{[ 6 ]}

ก่อนทศวรรษ 1990 อุปสรรคสำคัญในการเข้าสู่การวิจัย MEA ของห้องปฏิบัติการใหม่ ๆ เกิดขึ้นเนื่องจากการผลิต MEA แบบกำหนดเองและซอฟต์แวร์ที่พวกเขาต้องพัฒนา^{[ 5 ]}อย่างไรก็ตาม ด้วยการมาถึงของพลังการประมวลผลที่ราคาไม่แพง^{[ 3 ]}และฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ MEA เชิงพาณิชย์^{[ 5 ]}ห้องปฏิบัติการอื่น ๆ อีกมากมายจึงสามารถทำการวิจัยโดยใช้ MEA ได้

แผงไมโครอิเล็กโทรดสามารถแบ่งออกเป็นหมวดหมู่ย่อยตามการใช้งานที่เป็นไปได้ ได้แก่ แผงสำหรับใช้ ในหลอดทดลองและแผงสำหรับ ใช้ในสิ่งมีชีวิต

MEA แบบมาตรฐานในหลอดทดลองมีรูปแบบอิเล็กโทรด 8 x 8 หรือ 6 x 10 โดยทั่วไปอิเล็กโทรดจะประกอบด้วยอินเดียมทินออกไซด์ แพลทินัมแบล็กหรือไทเทเนียมไนไตรด์และมีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 10 ถึง 30 ไมโครเมตร อาร์เรย์เหล่านี้มักใช้สำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์เดี่ยวหรือชิ้นส่วนสมองเฉียบพลัน^{[ 3 ]}

ความท้าทายอย่างหนึ่งใน MEA ในหลอดทดลองคือการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้เลนส์กำลังขยายสูง ซึ่งต้องใช้ระยะการทำงาน ต่ำ ในระดับไมโครเมตร เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ จึงได้สร้าง MEA แบบ "บาง" ขึ้นโดยใช้กระจกปิดสไลด์ อาร์เรย์เหล่านี้มีความหนาประมาณ 180 ไมโครเมตร ทำให้สามารถใช้กับเลนส์กำลังขยายสูงได้^{[ 3 ] [ 11 ]}

ความท้าทายอีกประการหนึ่งในการทดลอง MEA ในหลอดทดลองคือความแข็งของพื้นผิวแก้ว ซึ่งไม่สามารถจำลองลักษณะที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นของเนื้อเยื่อทางชีวภาพได้ จึงส่งผลกระทบต่อพฤติกรรมของเซลล์และผลลัพธ์ของการทดลอง^{[ 12 ] [ 13 ]} เพื่อแก้ไขข้อจำกัดนี้ จึงได้มีการพัฒนา อาร์เรย์ไมโครอิเล็กโทรดที่ยืดหยุ่นและยืดได้เพื่อจำลองคุณสมบัติทางกลของเนื้อเยื่อที่มีชีวิตได้ดียิ่งขึ้น^{[ 13 ] [ 14 ]} ผู้ผลิต MEA ที่ยืดหยุ่นและยืดได้ เช่น BioMedical Sustainable Elastic Electronic Devices และ Flexcell International Corporation กำลังพัฒนาเทคโนโลยี MEA เพื่อเพิ่มความเกี่ยวข้องของ การวิจัย ในหลอดทดลองโดยการจัดสภาพแวดล้อมที่แม่นยำทางสรีรวิทยามากขึ้นสำหรับเซลล์^{[ 15 ] [ 16 ]}

ในการออกแบบพิเศษอีกแบบหนึ่ง อิเล็กโทรด 60 ตัวถูกแบ่งออกเป็นอาร์เรย์ 6 × 5 โดยมีระยะห่าง 500 μm อิเล็กโทรดภายในกลุ่มจะมีระยะห่าง 30 μm โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 μm อาร์เรย์เช่นนี้ใช้เพื่อตรวจสอบการตอบสนองเฉพาะที่ของเซลล์ประสาท ในขณะเดียวกันก็ศึกษาการเชื่อมต่อการทำงานของชิ้นส่วนออร์แกโนไทป์ด้วย^{[ 3 ] [ 17 ]}

ความละเอียดเชิงพื้นที่เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่งของ MEA และช่วยให้สามารถรับสัญญาณที่ส่งผ่านระยะทางไกลได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้นเมื่อใช้ MEA ที่มีความหนาแน่นสูง โดยทั่วไปอาร์เรย์เหล่านี้จะมีรูปแบบตารางสี่เหลี่ยมจัตุรัสของอิเล็กโทรด 256 ตัวที่ครอบคลุมพื้นที่ 2.8 x 2.8 มม. ^{[ 3 ]}

ความละเอียดเชิงพื้นที่ที่เพิ่มขึ้นนั้นได้มาจากอาร์เรย์ไมโครอิเล็กโทรดความหนาแน่นสูงแบบ CMOS ที่มีอิเล็กโทรดหลายพันตัว พร้อมด้วยวงจรการอ่านค่าและการกระตุ้นแบบบูรณาการบนชิปขนาดกะทัดรัดเท่าเล็บมือ^{[ 18 ]}แม้แต่ความละเอียดของสัญญาณที่แพร่กระจายไปตามแอกซอนเดี่ยวก็ได้รับการสาธิตแล้ว^{[ 19 ]}

เพื่อให้ได้สัญญาณที่มีคุณภาพ อิเล็กโทรดและเนื้อเยื่อต้องสัมผัสกันอย่างใกล้ชิด การออกแบบ MEA แบบเจาะรูจะใช้แรงดัน ลบ กับช่องเปิดในพื้นผิวเพื่อให้สามารถวางชิ้นเนื้อบนอิเล็กโทรดเพื่อเพิ่มการสัมผัสและบันทึกสัญญาณ^{[ 3 ]}

^{แนวทางอื่นในการลดอิมพีแดน ซ์}ของอิเล็กโทรดคือการปรับเปลี่ยนวัสดุอินเตอร์เฟซ เช่น การใช้ท่อนาโนคาร์บอน [ ^{20 ] [ 21 ]}หรือการปรับเปลี่ยนโครงสร้างของอิเล็กโทรด เช่น เสานาโนทองคำ^{[ 22 ]}หรือโพรงนาโน^{[ 23 ]}

ในขณะที่การบันทึกเซลล์ประสาทภายนอกเซลล์ในหลอดทดลองในระยะยาวเป็นแนวทางหลักของ CMOS MEA ^{[ 24 ]} ความสามารถของมันเพิ่งได้รับการขยายไปสู่การบันทึกเซลล์ประสาทภายในเซลล์ในหลอดทดลองด้วยอิเล็กโทรดหลายตัวที่มีความไวสูง^{[ 25 ]}ซึ่งเป็นการเสริมการบันทึกภายนอกเซลล์ในระยะยาว

MEA ที่ฝังได้มี 3 ประเภทหลัก ได้แก่ ไมโครไวร์ซิลิคอน^{[ 26 ]}และอาร์เรย์ไมโครอิเล็กโทรดแบบ ยืดหยุ่น ไมโครไวร์ MEA ส่วนใหญ่ทำจากสแตน เลสหรือทังสเตนและสามารถใช้ประมาณตำแหน่งของเซลล์ประสาทที่บันทึกไว้แต่ละเซลล์โดยใช้การหาตำแหน่งแบบสามเหลี่ยม อาร์เรย์ไมโครอิเล็กโทรดแบบซิลิคอนประกอบด้วย 2 รุ่นเฉพาะ ได้แก่ อาร์เรย์มิชิแกนและอาร์เรย์ยูทาห์ อาร์เรย์มิชิแกนช่วยให้มีความหนาแน่นของเซ็นเซอร์สำหรับการฝังที่สูงกว่า รวมถึงความละเอียดเชิงพื้นที่ที่สูงกว่าไมโครไวร์ MEA นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถรับสัญญาณได้ตลอดความยาวของก้าน แทนที่จะเป็นเพียงที่ปลายก้านเท่านั้น ในทางตรงกันข้ามกับอาร์เรย์มิชิแกน อาร์เรย์ยูทาห์เป็นแบบ 3 มิติ ประกอบด้วยเข็มซิลิคอนนำไฟฟ้า 100 เข็ม อย่างไรก็ตาม ในอาร์เรย์ยูทาห์ สัญญาณจะได้รับจากปลายของแต่ละอิเล็กโทรดเท่านั้น ซึ่งจำกัดปริมาณข้อมูลที่สามารถรับได้ในแต่ละครั้ง ยิ่งไปกว่านั้น อาร์เรย์ยูทาห์ผลิตขึ้นด้วยขนาดและพารามิเตอร์ที่กำหนดไว้ ในขณะที่อาร์เรย์มิชิแกนอนุญาตให้มีอิสระในการออกแบบมากกว่า อาร์เรย์ที่ยืดหยุ่นซึ่งทำจากโพลีอิไมด์พารีลีนหรือเบนโซไซโคลบิวทีนมีข้อได้เปรียบเหนืออาร์เรย์ไมโครอิเล็กโทรดแบบแข็ง เนื่องจากให้ความเข้ากันทางกลที่ใกล้เคียงกว่า เนื่องจากโมดูลัสของยัง ของซิลิคอนมีขนาดใหญ่กว่าของเนื้อเยื่อสมองมาก ซึ่งส่งผลให้เกิด การอักเสบ ที่เกิด จากแรงเฉือน^{[ 9 ] [ 13 ] [ 27 ]}

หน่วยพื้นฐานของการสื่อสารของเซลล์ประสาท อย่างน้อยในทางไฟฟ้า คือ ศักย์การกระทำ ปรากฏการณ์แบบทั้งหมดหรือไม่มีเลยนี้เกิดขึ้นที่เนินแอกซอน [ ^{28 ]}ส่งผลให้เกิดการลดขั้วของสภาพแวดล้อมภายในเซลล์ซึ่งแพร่กระจายไปตามแอกซอนการ ไหล ^ของไอออนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของแรงดันไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมภายนอกเซลล์ ซึ่งเป็นสิ่งที่อิเล็กโทรด MEA ตรวจจับได้ในที่สุด ดังนั้น การนับและการจัดเรียงสไปค์แรงดันไฟฟ้าจึงมักใช้ในการวิจัยเพื่อกำหนดลักษณะกิจกรรมของเครือข่าย การวิเคราะห์ชุดสไปค์ยังสามารถประหยัดเวลาในการประมวลผลและหน่วยความจำในการคำนวณเมื่อเทียบกับการวัดแรงดันไฟฟ้า การประทับเวลาของสไปค์จะถูกระบุว่าเป็นเวลาที่แรงดันไฟฟ้าที่วัดโดยอิเล็กโทรดแต่ละตัวเกินเกณฑ์ (มักกำหนดโดยค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานจากค่าเฉลี่ยของช่วงเวลาที่ไม่มีการทำงาน) การประทับเวลาเหล่านี้สามารถประมวลผลเพิ่มเติมเพื่อระบุกลุ่ม (สไปค์หลายตัวที่อยู่ใกล้กัน) การวิเคราะห์เพิ่มเติมของชุดเหล่านี้สามารถเปิดเผยการจัดระเบียบสไปค์และรูปแบบตามเวลาได้^{[ 29 ]}

โดยทั่วไป จุดแข็งหลักของ อาร์เรย์ ในหลอดทดลองเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม เช่นแพทช์แคลมป์ปิ้งได้แก่: ^{[ 30 ]}

• ช่วยให้สามารถวางอิเล็กโทรดหลายตัวพร้อมกันได้ แทนที่จะวางทีละตัว
• ความสามารถในการตั้งค่าชุดควบคุมภายในชุดการทดลองเดียวกัน (โดยใช้ขั้วไฟฟ้าหนึ่งตัวเป็นตัวควบคุมและตัวอื่น ๆ เป็นตัวทดลอง) สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการทดลองเกี่ยวกับการกระตุ้น
• ความสามารถในการเลือกไซต์บันทึกเสียงที่แตกต่างกันภายในอาร์เรย์
• ความสามารถในการรับข้อมูลจากหลายไซต์พร้อมกัน
• การบันทึกข้อมูลจากเรตินาที่ยังคงสภาพสมบูรณ์นั้นมีความน่าสนใจอย่างยิ่ง เนื่องจากความเป็นไปได้ในการส่งการกระตุ้นด้วยแสงแบบเรียลไทม์ และความเป็นไปได้ในการสร้างภาพสนามรับรู้ขึ้นมาใหม่ เป็นต้น

นอกจากนี้ อาร์เรย์ ในหลอดทดลองยังไม่รุกรานเซลล์เมื่อเทียบกับแพทช์แคลมป์ เนื่องจากไม่จำเป็นต้องเจาะเยื่อหุ้มเซลล์

อย่างไรก็ตาม ในส่วน ของอาร์เรย์ ในร่างกายข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือกว่าการบันทึกแบบแพทช์แคลมป์คือความละเอียดเชิงพื้นที่สูง อาร์เรย์ที่ฝังได้ช่วยให้สามารถรับสัญญาณจากเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ ทำให้ได้ข้อมูล เช่น ตำแหน่งหรือความเร็วของการเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อ ซึ่งสามารถนำมาใช้ควบคุม อุปกรณ์ เทียมได้ การบันทึกแบบขนานขนาดใหญ่ด้วยอิเล็กโทรดที่ฝังไว้หลายสิบตัวนั้นเป็นไปได้ อย่างน้อยในสัตว์ฟันแทะ ในระหว่างการแสดงพฤติกรรมของสัตว์ สิ่งนี้ทำให้การบันทึกนอกเซลล์เป็นวิธีการที่เลือกใช้ในการระบุวงจรประสาทและศึกษาการทำงานของวงจรเหล่านั้น อย่างไรก็ตาม การระบุเซลล์ประสาทที่บันทึกได้อย่างชัดเจนโดยใช้อาร์เรย์นอกเซลล์แบบหลายอิเล็กโทรด ยังคงเป็นปัญหาอยู่จนถึงปัจจุบัน

ในหลอดทดลอง (in vitro)การบันทึกและกระตุ้นเซลล์เดี่ยวด้วยอิเล็กโทรด MEA มีความละเอียดเชิงพื้นที่ต่ำกว่าระบบแพทช์แคลมป์และไดนามิกแคลมป์ความซับซ้อนของสัญญาณที่อิเล็กโทรด MEA สามารถส่งผ่านไปยังเซลล์อื่นได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้นมีจำกัดเมื่อเทียบกับความสามารถของไดนามิกแคลมป์

นอกจากนี้ยังมีการตอบสนองทางชีวภาพหลายประการต่อการฝังไมโครอิเล็กโทรดอาร์เรย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนของการฝังแบบเรื้อรัง^{[ 31 ]}ผลกระทบที่เด่นชัดที่สุด ได้แก่ การสูญเสียเซลล์ประสาท การเกิดแผลเป็นของเซลล์เกลียและการลดลงของจำนวนอิเล็กโทรดที่ใช้งานได้^{[ 32 ]}การตอบสนองของเนื้อเยื่อต่อการฝังขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย รวมถึงขนาดของก้าน MEA ระยะห่างระหว่างก้าน องค์ประกอบของวัสดุ MEA และระยะเวลาในการฝัง การตอบสนองของเนื้อเยื่อโดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นการตอบสนองระยะสั้นและระยะยาว การตอบสนองระยะสั้นเกิดขึ้นภายในไม่กี่ชั่วโมงหลังการฝัง และเริ่มต้นด้วยการเพิ่มจำนวนของเซลล์แอสโทรไซต์และเซลล์เกลีย ที่ล้อมรอบอุปกรณ์ จากนั้น ไมโครเกลียที่ถูกดึงเข้ามาจะเริ่มการอักเสบและกระบวนการกลืนกินวัสดุแปลกปลอมจะเริ่มต้นขึ้น เมื่อเวลาผ่านไป เซลล์แอสโทรไซต์และไมโครเกลียที่ถูกดึงเข้ามายังอุปกรณ์จะเริ่มสะสมตัว ก่อตัวเป็นปลอกหุ้มรอบอาร์เรย์ที่ขยายออกไปหลายสิบไมโครเมตรโดยรอบอุปกรณ์ สิ่งนี้ไม่เพียงแต่เพิ่มพื้นที่ระหว่างหัววัดอิเล็กโทรดเท่านั้น แต่ยังเป็นฉนวนของอิเล็กโทรดและเพิ่มการวัดค่าความต้านทาน ปัญหาของการฝังอาร์เรย์ในระยะยาวเป็นแรงผลักดันสำคัญในการวิจัยอุปกรณ์เหล่านี้ การศึกษาวิจัยชิ้นหนึ่งได้ตรวจสอบ ผลกระทบของการอักเสบที่ทำให้เกิดการเสื่อมของระบบ ประสาทที่เกิดจากการฝังในระยะยาว^{[ 33 ]} เครื่องหมาย ทางอิมมูโนฮิสโตเคมีแสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของเทาที่มีการฟอสฟอริเลชันสูง ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ของโรคอัลไซเมอร์ ใกล้กับบริเวณที่บันทึกอิเล็กโทรด การกลืนกินวัสดุอิเล็กโทรดยังทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับปัญหาการตอบสนองทางชีวภาพ ซึ่งการวิจัยชี้ให้เห็นว่ามีน้อยและแทบจะไม่มีเลยหลังจาก 12 สัปดาห์ในร่างกายการวิจัยเพื่อลดผลกระทบเชิงลบของการใส่อุปกรณ์รวมถึงการเคลือบพื้นผิวของอุปกรณ์ด้วยโปรตีนที่ส่งเสริมการยึดเกาะของเซลล์ประสาท เช่นลามินินหรือสารที่ปล่อย ยา ^{[ 34 ] [ 13 ]}

ลักษณะของเครือข่ายประสาท ที่แยกตัวออกมา ดูเหมือนจะไม่เปลี่ยนแปลงหรือลดทอนลักษณะของ การตอบสนอง ทางเภสัชวิทยาเมื่อเปรียบเทียบกับ แบบจำลอง ในร่างกายซึ่งแสดงให้เห็นว่า MEA สามารถใช้เพื่อศึกษาผลทางเภสัชวิทยาต่อวัฒนธรรมเซลล์ประสาทที่แยกตัวออกมาในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้ง่ายกว่า^{[ 35 ]}มีการศึกษาทางเภสัชวิทยาจำนวนมากโดยใช้ MEA กับเครือข่ายประสาทที่แยกตัวออกมา เช่น การศึกษาเกี่ยวกับเอทานอล [ ^{36 ] มี}การดำเนินการตรวจสอบความถูกต้องระหว่างห้องปฏิบัติการโดยใช้ MEA ^{[ 37 ]}

นอกจากนี้ ยังมีการดำเนินงานวิจัยจำนวนมากเกี่ยวกับแง่มุมทางชีวฟิสิกส์ต่างๆ ของการทำงานของเครือข่าย โดยการลดปรากฏการณ์ที่มักศึกษาในระดับพฤติกรรมลงเหลือระดับเครือข่ายคอร์เทกซ์ที่แยกส่วน ตัวอย่างเช่น ความสามารถของเครือข่ายดังกล่าวในการแยกคุณลักษณะเชิงพื้นที่^{[ 38 ]}และเชิงเวลา^{[ 39 ]}ของสัญญาณอินพุตต่างๆ พลวัตของการซิงโครไนซ์^{[ 40 ]}ความไวต่อการปรับเปลี่ยนระบบประสาท^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}และจลนศาสตร์ของการเรียนรู้โดยใช้ระบอบวงปิด^{[ 44 ] [ 45 ]}สุดท้าย การรวมเทคโนโลยี MEA เข้ากับกล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอลทำให้สามารถศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างกิจกรรมเครือข่ายและการปรับโครงสร้างของไซแนปส์ได้^{[ 11 ]}

MEA ถูกใช้เพื่อเชื่อมต่อเครือข่ายประสาทกับระบบที่ไม่ใช่ชีวภาพในฐานะตัวควบคุม ตัวอย่างเช่น สามารถสร้างอินเทอร์เฟซประสาท-คอมพิวเตอร์โดยใช้ MEA ได้ เซลล์ ประสาทคอ ร์เทกซ์ของหนูที่แยกตัวออกมา ถูกรวมเข้ากับวงจรป้อนกลับแบบกระตุ้น-ตอบสนองแบบปิดเพื่อควบคุมแอนิแมทในสภาพแวดล้อมเสมือนจริง^{[ 46 ]}ระบบ กระตุ้น-ตอบสนอง แบบวงปิดยังถูกสร้างขึ้นโดยใช้ MEA โดย Potter, Mandhavan และ DeMarse ^{[ 47 ]}และโดย Mark Hammond, Kevin Warwickและ Ben Whalley ในมหาวิทยาลัย Readingเซลล์ประสาทของหนูที่แยกตัวออกมาประมาณ 300,000 เซลล์ถูกวางบน MEA ซึ่งเชื่อมต่อกับมอเตอร์และ เซ็นเซอร์ อัลตราซาวนด์บนหุ่นยนต์ และได้รับการปรับสภาพให้หลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางเมื่อตรวจจับได้^{[ 48 ]}ในทำนองเดียวกัน Shimon Marom และเพื่อนร่วมงานในTechnionได้เชื่อมต่อเครือข่ายประสาทที่แยกตัวออกมาซึ่งเติบโตบน MEA กับ หุ่นยนต์Lego Mindstormsขอบเขตการมองเห็นของหุ่นยนต์ถูกจำแนกโดยเครือข่าย และคำสั่งถูกส่งไปยังล้อของหุ่นยนต์เพื่อให้หลีกเลี่ยงการชนสิ่งกีดขวางได้อย่างสมบูรณ์^{[ 38 ]} "ยานพาหนะ Braitenberg"นี้ถูกใช้เพื่อสาธิตความไม่แน่นอนของวิศวกรรมประสาทแบบย้อนกลับ โดยแสดงให้เห็นว่าแม้ในการตั้งค่าที่เรียบง่ายซึ่งสามารถเข้าถึงข้อมูลที่เกี่ยวข้องทุกชิ้นได้อย่างไม่จำกัด^{[ 49 ]}ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะสรุปได้อย่างแน่นอนถึง รูปแบบ การเข้ารหัสประสาท เฉพาะ ที่ใช้ในการขับเคลื่อนพฤติกรรมของหุ่นยนต์

MEA ถูกใช้เพื่อสังเกตการทำงานของเครือข่ายในชิ้นส่วนของฮิปโปแคมปัส^{[ 50 ]}

ปัจจุบันมีอินเทอร์เฟซฝังตัวหลายชนิดที่วางจำหน่ายสำหรับผู้บริโภค ได้แก่เครื่องกระตุ้นสมองส่วนลึกเครื่องปลูกถ่ายประสาทหูเทียมและเครื่องกระตุ้นหัวใจการกระตุ้นสมองส่วนลึก (DBS) มีประสิทธิภาพในการรักษาความผิดปกติของการเคลื่อนไหว เช่นโรคพาร์กินสัน [ ^{51 ]}และเครื่องปลูกถ่ายประสาทหูเทียมช่วยให้หลายคนมีการได้ยินที่ดีขึ้นโดยการช่วยกระตุ้นเส้น^{ประสาท}การ ได้ยิน เนื่องจากศักยภาพที่โดดเด่น MEA จึงเป็นสาขาการวิจัยทางประสาทวิทยาศาสตร์ที่สำคัญ การวิจัยชี้ให้เห็นว่า MEA อาจให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับกระบวนการต่างๆ เช่น การสร้างความทรงจำและการรับรู้ และอาจมีคุณค่าในการรักษาสำหรับภาวะต่างๆ เช่นโรคลมชักโรคซึมเศร้าและโรคย้ำคิดย้ำทำ การทดลองทางคลินิกโดยใช้อุปกรณ์อินเทอร์เฟซเพื่อฟื้นฟูการควบคุมการเคลื่อนไหวหลังจากได้รับบาดเจ็บที่ไขสันหลังหรือเพื่อรักษาโรค ALSได้เริ่มต้นขึ้นในโครงการชื่อ BrainGate (ดูวิดีโอสาธิต: BrainGate ) MEA ให้ความละเอียดสูงที่จำเป็นในการบันทึกสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ทำให้สามารถใช้ในการควบคุมและรับข้อมูลป้อนกลับจากอุปกรณ์เทียมได้ ดังที่แสดงให้เห็นโดยKevin Warwick , Mark GassonและPeter Kyberd [ ^{52 ] [ 53 ] งาน}วิจัยชี้ให้เห็นว่าการใช้ MEA อาจช่วยในการฟื้นฟูการมองเห็นโดยการกระตุ้นเส้นทางประสาทตา^{[ 9 ]}

การประชุมทางวิทยาศาสตร์สำหรับผู้ใช้งานจัดขึ้นทุกสองปี ณเมืองรอยท์ลิงเงน โดยสถาบันวิทยาศาสตร์ธรรมชาติและการแพทย์ (NMI) แห่งมหาวิทยาลัยทูบิงเงนการประชุมนี้เสนอภาพรวมที่ครอบคลุมทุกด้านที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาใหม่ๆ และการประยุกต์ใช้ไมโครอิเล็กโทรดอาร์เรย์ (MEA) ในปัจจุบัน ทั้งในด้านประสาทวิทยาพื้นฐานและประยุกต์ ตลอดจนการค้นพบยาในอุตสาหกรรม เภสัชวิทยาความปลอดภัย และเทคโนโลยีประสาท การประชุมที่จัดขึ้นทุกสองปีนี้ได้พัฒนาเป็นเวทีระดับนานาชาติสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่พัฒนาและใช้ MEA จากทั้งภาคอุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษา และได้รับการยอมรับว่าเป็นเวทีทางวิทยาศาสตร์ที่มีคุณภาพสูงและอัดแน่นไปด้วยข้อมูล บทความที่นำเสนอในการประชุมมีให้ดาวน์โหลดในรูปแบบหนังสือรายงานการประชุมแบบเปิดเผยข้อมูล

นอกจากจะนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์แล้ว MEA ยังถูกนำมาใช้ในศิลปะร่วมสมัยเพื่อสำรวจคำถามเชิงปรัชญาเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างเทคโนโลยีและชีววิทยา ตามความคิดแบบตะวันตก ชีววิทยาและเทคโนโลยีถูกแยกออกเป็นสองประเภทที่แตกต่างกัน คือbiosและtechnê ^{[ 54 ]}ในปี 2545 MEART: The Semi-living Artistถูกสร้างขึ้นเป็นโครงการศิลปะและวิทยาศาสตร์ร่วมกันระหว่างSymbioticAที่มหาวิทยาลัยเวสเทิร์นออสเตรเลียในเมืองเพิร์ธและ Potter Lab ที่สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียในเมืองแอตแลนตาเพื่อตั้งคำถามเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างชีววิทยาและเทคโนโลยี^{[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]} MEARTประกอบด้วยเซลล์ประสาทคอร์เทกซ์ของหนูที่เพาะเลี้ยงในหลอดทดลองบน MEA ในเมืองแอตแลนตา แขนหุ่นยนต์แบบใช้ลมที่สามารถวาดด้วยปากกาบนกระดาษในเมืองเพิร์ธ และซอฟต์แวร์เพื่อควบคุมการสื่อสารระหว่างทั้งสอง สัญญาณจากเซลล์ประสาทจะถูกส่งต่อในวงปิดระหว่างเมืองเพิร์ธและแอตแลนตาในขณะที่ MEA กระตุ้นแขนแบบใช้ลมMEARTได้รับการจัดแสดงต่อสาธารณชนเป็นครั้งแรกในนิทรรศการBiofeelที่สถาบันศิลปะร่วมสมัยเพิร์ธในปี 2545 ^{[ 57 ] [ 59 ]}

• แอนิแมท
• เครื่องกระตุ้นหัวใจเทียม
• การกระตุ้นสมองส่วนลึก
• แพทช์แคลมป์
• ไบโออิเล็กทรอนิกส์