Entwicklung eines elektronischen Messsystems (60 Kanäle, 24 Bit, 32kSPS) für neuronale Zellen auf Mikroelektroden Arrays

Abstract

Elektrophysiologische Untersuchungen von Nervenzellen sind seit Längerem bekannt und sind ein vielversprechendes Werkzeug für die Grundlagenforschung und Wirkstoffforschung geworden. Die folgende Diplomarbeit stellt die Entwicklung eines in-vitro elektrophysiologischen Messsystems dar. Dabei wird das Aktionspotential von elektrisch aktiven Zellen extrazellulär über ein Mikroelektroden-Array gemessen. Die größte Herausforderung an das Messsystem liegt dabei, Messsignale mit Amplituden im µV-Bereich aufzuzeichnen und dabei noch einen Signalrauschabstand zu erhalten, welcher Rückschlüsse auf das Nervensignal zulässt. Daher musste ein geeignetes Messkonzept gefunden werden, welches möglichst unempfindlich gegenüber Störquellen ist. Diverse Verstärker und Filterstufen wurden mit Hilfe von Simulationen entwickelt und verbessert. Durch einen modularen Aufbau bietet das System die Möglichkeit einer flexiblen Kanalerweiterung und als Vorhalt wurde eine Stimulationsmöglichkeit sowie eine Impedanz Messung integriert. Dadurch konnten die Systemkosten relativ niedrig gehalten werden. Eine Evaluierung des Messsystems konnte im ersten Schritt mit einem Signalgenerator und im zweiten Schritt mit lebenden Nervensignalen erfolgreich erhoben werden.

Electrophysiological studies of nerve cells have long been known and have become a promising tool in basic research and drug discovery. The following thesis presents the development of an in vitro electrophysiological measuring system. In this device the action potential of electrically active cells is measured extracellularly via a microelectrode array. The biggest challenge on the measuring system is to record signals with amplitudes in the microvolt range and still obtain a signal to noise ratio, which allows an conclusions to the nervous signal. Therefore, a suitable measuring concept had to be found, which is as possible insensitive to interferences. Various amplifiers and filter stages have been developed and improved with the help of simulations. Due to its modular design, the system offers the possibility of a flexible channel expansion and further a stimulation opportunity and an impedance measurement has been integrated. The system costs could be kept relatively low. An evaluation of the measurement system has been done successfully, in the first step with a signal generator and in the second step with signals from living nerve cells.