Entwicklung eines Messsystems zur Erfassung von Aktionspotentialen von in-vitro kultivierten Nervenzellen mittels mikrostrukturierter Elektrodenarrays

Abstract

Wie in integrierten Schaltungen ist in den wesentlich komplexeren neuronalen Netzwerken der Biologie und Medizin die Verschaltung von Einheiten und die Signalweitergabe wichtig für das Verständnis der Funktionsweise. In der vorliegenden Arbeit wird ein Messsystem zur Abnahme, Verstärkung und Analyse von Signalen neuronaler Kulturen entwickelt. Dazu wird ein Multielektrodenarray mit 60 Mikroelektroden gefertigt und dieses mit bestehenden Multielektrodenarrays verglichen. Es wird eine Verstärkerschaltung für neuronale Signale, die vom Multielektrodenarray mittels einer selbst entworfenen Multielektrodenarray-Halterung abgenommen werden, entwickelt. Dazu werden niederfrequente Störsignale von der Verstärkerschaltung gefiltert und das Eingangssignal um den Faktor Tausend verstärkt. Um das Multielektrodenarray und die Verstärkerschaltung aufzunehmen und von äußeren Einflüssen abzuschirmen wird ein spezielles Gehäuse entwickelt.<br />Über eine Datenkarte werden die Signale mit einer Samplingrate von 10 kS/s erfasst und an einen Steuerrechner weitergeleitet. Anschließend werden die Signale von einer selbstentwickelten Analysesoftware auf Aktionspotentiale untersucht.<br />Zur Überprüfung der Funktionalität des Messsystems werden mehrere Messungen mit zuvor kultivierten Neuronen von P5 WT sowie [alpha]5[[alpha] tief 5][beta]2[[beta] tief 2] KO Mäusen durchgeführt und ausgewertet. Dabei werden bei mehreren Messungen Aktionspotentiale von der Analysesoftware erkannt. Der Nachweis neuronaler Aktivität wird mit dem Stimulator Nikotin und dem Inhibitor Tetrodotoxin erbracht, die als externer Faktor auf die neuronale Aktivität einwirken.<br />Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen, dass mit dem mikrostrukturierten Elektrodenarray, der Verstärkerschaltung und der Analysesoftware die Messung neuronaler Signale von Zellkulturen erfolgreich durchgeführt werden kann. Somit steht eine vielseitige Analyseplattform für neuronale Studien zur Verfügung.<br />

In integrated circuits, as in much more complex neuronal networks in biology and medicine signal interconnection of units and signal transduction is important for understanding of functionality. In the present work a measurement system for recording, amplifying, and analyzing signals from neuronal cultures is presented. For this purpose a multielectrode array containing 60 microelectrodes is produced and compared with commercial obtainable multielectrode arrays.<br />An amplifier circuit, processing the neuronal signals recorded at the multielectrode array is developed. Low-frequency interference signals are filtered by this amplification circuit. A casing is developed and constructed as housing of the microelectrode array and the amplification circuit. The casing shields the electronics from external influences.<br />The signals are recorded using a data acquisition card and are analysed for the presence of action potentials using a self-developed analysis software.<br />To verify the functionality of the measurement system, multiple measurements of pre-cultured neurons from P5 WT and [alpha]5[[alpha] tief 5][beta]2[[beta] tief 2] KO mice are carried out and analysed.<br />Thereby, action potentials are identified by analysis software. The confirmation of neuronal activity is provided by using nicotine as stimulator and tetrodotoxin as inhibitor, which are acting as external factors on neuronal activity.<br />The results of the present work show successful measurements of neuronal signals using the microelectrode array, the amplifier circuit and the analysis software. Therefore, the system represents a multifunctional analysis platform for neuronal studies.