3-dimensionale penetrierende Multielektrodenarrays zur Stimulation und Ableitung in der Retina

Brusius, Janis Sebastian; Wagner, Hermann; Offenhäusser, Andreas

doi:HT018611382

3-dimensionale penetrierende Multielektrodenarrays zur Stimulation und Ableitung in der Retina = 3-dimensional penetrating multi-electrode arrays for stimulation and recording in the retina = Dreidimensionale penetrierende Multielektrodenarrays zur Stimulation und Ableitung in der Retina

Brusius, Janis Sebastian

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Janis Sebastian Brusius

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangVII, 147 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor) ; Wagner, Hermann (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-01-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-RWTH-2015-01074
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/463850/files/463850.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/463850/files/463850.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Retinal prostheses (frei) ; retinale Prothese (frei) ; MEAs (frei) ; Multielektrodenarray (frei) ; multi-electrode array (frei) ; retina (frei) ; stimulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Eine Vielzahl von retinalen Degenerationskrankheiten führt zum Absterben der Photorezeptorzellen, wodurch die Retina ihre Lichtempfindlichkeit verliert. Weltweit sind mehrere Millionen Menschen von diesen degenerativen Krankheiten betroffen. Retinale Prothesen versuchen die Funktion der Photorezeptorzellen zu ersetzen, indem sie die verbleibenden Neurone des retinalen Netzwerkes elektrisch stimulieren. Bisherige retinale Implantate nutzen planare Multielektrodenarrays (MEAs), die dem retinalen Netzwerk flächig aufliegen. Diese planaren MEAs erreichen meist nur einzelne Schichten des retinalen Netzwerkes und ermöglichen es nicht, die neuronale Antwort auf eine Stimulation parallel zu messen. Abhilfe können penetrierende, bidirektionale MEAs schaffen, welche die Retina in vertikaler Richtung durchstechen. Mit diesen speziellen MEAs kann neuronale Aktivität abgeleitet werden und parallel elektrisch stimuliert werden.Das Hauptziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung eines penetrierenden, bidirektionalen MEAs, mit dem in mehreren Schichten des retinalen Netzwerkes parallel stimuliert und abgeleitet werden kann. Das vorgestellte MEA besteht aus vier Schwertern, die die Retina in vertikaler Richtung penetrieren. Jedes Schwert trägt vier linear angeordnete Elektroden. Die Dimensionen des MEAs und die Abstände der Elektroden wurden so gewählt, dass sie als Basis für ein bidirektionales Implantat dienen können, indem sie die Anatomie der Retina berücksichtigen. Als Elektrodenmaterial kamen verschiedene Beschichtungen aus Iridium, Iridiumoxid und dem leitfähigen Polymer Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT) zum Einsatz. Deren Eignung als Stimulations- und Ableitelektroden wurde getestet. Die beste mechanische und chemische Stabilität wiesen Elektroden aus Iridiumoxid auf. Die geringsten Impedanzen wurden mit Elektrodenbeschichtungen aus PEDOT erreicht. Nur mit PEDOT-Elektroden konnte ausreichend Ladung übertragen werden, um messbare neuronale Antworten auszulösen. PEDOT-Beschichtungen zeigten sich jedoch anfällig für mechanische und chemische Einflüsse während der Versuche, wie durch Impedanzspektroskopie und elektronenmikroskopische Aufnahmen dokumentiert wurde.Im zweiten Teil der Arbeit wurden die entwickelten penetrierenden MEAs erstmalig in der extrahierten Rattenretina eingesetzt. Es wurde eine Methode entwickelt, die MEAs innerhalb der Retina anhand der elektrischen Aktivität von Ganglienzellen reproduzierbar zu positionieren. Mit unterschiedlichen Stimulationsparametern wurde in der Nähe der Bipolarzellen erfolgreich stimuliert und die Reaktion der Ganglienzellen extrazellulär gemessen. Der Stimulationserfolg war abhängig von der transferierten Ladung und von der Frequenz der Stimulationsfolgen. Durch die anschließende pharmakologische Blockierung der synaptischen Übertragung innerhalb der Retina konnte gezeigt werden, dass die Stimulation auf tiefere Schichten der Retina wirkte - vermutlich auf die Bipolarzellen.In der degenerierten Retina von rd10 Mäusen konnten charakteristische niederfrequente Oszillationen gemessen werden, die durch die Blockierung der synaptischen Übertragung reversibel geblockt wurden. So konnte gezeigt werden, dass sich die hier entwickelte MEA-Architektur für den prinzipiellen Einsatz in einem bidirektionalen retinalen Implantat eignet.

A variety of retinal degenerating diseases leads to the loss of photoreceptor cells, causing the retina to lose its light-sensitivity. Several million people worldwide are suffering from those degenerative diseases.Retinal prostheses try to replace the functionality of photoreceptor cells by electrically stimulating the remaining neurons of the retinal network.Previous retinal implants use planar multi-electrode arrays (MEAs), covering the retinal network in a 2–dimensional manner. Those MEAs usually contact only single layers within the retina and are not capable of recording the neuronal response and stimulate electrically through the same device. Relief could derive from penetrating, bidirectional MEAs, which penetrate the retina in the vertical direction and are able to both, record neuronal activity and perform electrical stimulation.The main aim of this thesis was the development of a penetrating, bidirectional MEA, with which multiple layers of the retinal network can be recorded and stimulated simultaneously. The MEA presented in this thesis consists of four shanks penetrating the retina in vertical direction. Every single shank carries four linearly aligned electrodes. The dimensions of the MEA and the arrangement of the electrodes were chosen in a way they could serve as the basis of a retinal implant.Different materials were used for coating the microelectrodes: iridium, iridiumoxide and the conductive polymer poly-3,4-ethylendioxythiphene. Their appropriateness to act as coatings on stimulation and recording electrodes was tested. Iridiumoxide proved to have the best mechanical and chemical stability. The lowest impedances were achieved with PEDOT coatings. Only with PEDOT-coated electrodes, it was possible to transfer sufficient charge to elicit neuronal responses. However, PEDOT coatings were easily degraded by mechanical and chemical influences during the experiments as shown by impedance spectroscopy and electron microscopy imaging.In the second part of this thesis the new penetrating MEAs were used for the first time to perform experiments in the extracted retina of rats. A method was established to reliably position the MEAs, monitoring the electrical activity of retinal ganglion cells.Different stimulation parameters were used to successfully stimulate close to the retinal bipolar cells. The ganglion cells’ reaction to the electrical stimulation of the network was recorded extracellularly. The success of electrical stimulation mainly depended on the absolute amount of charge transferred to the tissue and the frequency of stimulation patterns. By pharmacologically blocking the synaptic transmission within the retina, it could be shown that the stimulation affected the deeper retinal layers – presumably the bipolar cells.By means of penetrating MEAs, characteristic low-frequency oscillations could be measured in the degenerated retina of rd10 mice. By reversibly blocking the synaptic transmission, it could be shown that the chosen MEA-architecture is feasible for the use in a future bidirectional retinal implant.

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