Nanostraw- Nanocavity MEAs as a new tool for long-term and high sensitive recording of neuronal signals

Shokoohimehr, Pegah; Fitter, Joerg; Offenhäusser, Andreas

doi:HT021182355

Nanostraw- Nanocavity MEAs as a new tool for long-term and high sensitive recording of neuronal signals

Shokoohimehr, Pegah^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Pegah Shokoohimehr, M.Sc.

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-95806-593-2

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Information ; 76

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Druckausgabe: 2021. - Onlineausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Fitter, Joerg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-04-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-11307
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/836436/files/836436.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
MEAs (frei) ; cell-electrode interactions (frei) ; long-term recordings (frei) ; nanostraw (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die elektrische Messung neuronaler Signale hat grundlegende Entdeckungen in den Neurowissenschaften ermöglicht. Die Patch-Clamp-Methode, als wichtiger Standard elektrophysiologischer Messungen, hat als erste Methode einen Zugang zum Innersten der Zelle mittels einer Elektrode realisiert. Mit dieser Methode ist die Aufzeichnung der Signale aus dem gesamten Spektrum der Membranpotentiale, vom Aktionspotential bis hin zu unterschwelligen Signalen, wie post-synaptischen Potentialen, möglich. Aufgrund ihres invasiven Charakters ist eine langfristige Messung von Zellen schwierig. Extrazelluläre Elektroden, wie z.B. Mikroelektroden-Arrays, ermöglichen dagegen auch langfristige Messungen von neuronalen Netzwerken. Mit diesen Elektroden kann jedoch nur ein Bruchteil der auftretenden Aktionspotentiale gemessen werden. Das ist auf das Fehlen einer starken Zell-Elektroden-Verbindung und das damit einhergehende hohe Rauschen der Elektroden zurückzuführen. Daher hat sich die Forschung der letzten Jahrzehnte hauptsächlich auf die Lösung dieses Problems konzentriert. Die Entwicklung von vertikalen 3D-Nanoelektroden ermöglichte einen ersten, vielversprechenden Zugang zum Zellinneren. Das geschah jedoch in den meisten Fällen nur mit Hilfe äußerer Kräfte wie Opto/Elektro-Poration. Deswegen sind diese transienten Methoden für langfristige Messungen nicht geeignet.In dieser Arbeit habe ich Nanostruktur-Mikroelektroden entwickelt, indem ich die Vorteile von Nanoröhren sowie von Nanokavitäten kombinierte. Während die Verwendung von Nano-Röhren das Eindringen in die Zellmembran ermöglicht, sorgen Nanokavitäten für einen hohen Abdichtwiderstand. Spontane elektrophysiologische Messungen mit unseren Nanoelektroden zeigen sowohl extrazelluläre als auch intrazelluläre (in 20 % der Fälle) Aktionspotentiale kortikaler Rattenneuronen über einen langen Zeitraum. Der Ansatz erlaubt somit kontinuierliche Messungen mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältniss, hoher Empfindlichkeit sowie die Möglichkeit post-synaptische Potentiale aufzuzeichnen. Um die räumliche Auflösung der Messungen von neuronalen Netzwerken weiter zu verbessern, können unsere Nanoelektroden in CMOS-Geräte integriert werden. Dies ist für neurophysiologischen Studien von großem Interesse.

Electrical measurement of neuronal signals has enabled fundamental discoveries in neuroscience. Patch clamp method as a key standard of electrophysiological device has been shown an access to the interior single cell using an electrode. Via this method recording of the signals from the entire spectrum of the membrane potentials, from action potential down to sub-threshold signals such as post synaptic potentials, is feasible. Due to the invasive nature of this method, long term recording of the cell is challenging. Extracellular electrodes, such as microelectrode arrays, in contrast enable long term recordings of neuronal networks. However, these electrodes can only measure a fraction of the action potentials, which is due to the lack of proper cell-electrode coupling and high noise of the electrodes. Research in the last decade has been focused on overcoming these limitations. Development of the vertical 3D nanoelectrodes has allowed to access the cell’s interior, however in most cases after the application of external forces such as opto/electro-poration, and therefore these transient methods are not suitable for long term recordings.In this thesis, I developed nanostructure microelectrodes by associating two approaches of nanostraws and nanocavities. Using nanostraws facilitate penetration to the cell membrane, and the introduction of nanocavities provide high seal-resistance. The spontaneous electrophysiological recording using our nanoelectrodes demonstrate both extracellular and intracellular (20% of cases) action potentials of cortical rat neurons over long period of time. This approach enables the continuous high signal to noise ratio recordings with high sensitivity and the ability to record post synaptic potentials. To further improve the spatial resolution of neuronal network recordings, our nanoelectrodes can be integrated to CMOS-devices, which is of great interest for the neurophysiological studies.

OpenAccess:
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