Zum näheren Verständnis der extrazellulären Neuron-Silizium-Kopplung wird ein Modellsystem benötigt, das durch intrazelluläre Techniken kontrolliert werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb eine Methode zum Kontaktieren von Riesenvesikeln mittels Mikroelektroden entwickelt. Das neuartige Verfahren konnte anschließend zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften der Kopplung von Vesikeln an Silizium-Chips angewendet werden. Die Etablierung der Elektrophysiologie wurde durch die Kombination von drei Techniken ermöglicht: Zum einen mussten die Riesenvesikel mittels Albumin-beschichteter Plastikkäfige in einem entspannten Zustand fixiert werden. Zum anderen wurden die Mikroelektroden zur Vermittlung eines elektrostatischen Membrankontaktes unter sehr hohem Innendruck beschichtet, um einer Verstopfung entgegenzuwirken. Schließlich wurde der Membrandurchbruch durch Fluorescein-Injektionen verifiziert. Es stellte sich heraus, dass die dichten Kontakte zwischen Vesikeln und Mikroelektroden großflächig durch rollende Membranen gebildet werden. Die Abdichtungswiderstände erreichten dabei anfänglich den Gigaohm-Bereich. Mit steigender Membrananspannung fielen sie über einen maximalen Zeitraum von einer halben Stunde ab. Die entwickelte Methode wurde im zweiten Teil der Arbeit zur Messung der Signalübertragung von einer Mikroelektrode in ein unter dem Vesikel befindliches lineares Array aus 32 Feldeffekttransistoren angewandt. Das Sinus-Signal konnte mit Hilfe der Lock-In-Technik sowohl frequenz- als auch ortsaufgelöst detektiert werden. Diesen intrazellulären Experimenten wurden zum Vergleich ähnlich ablaufende Messungen mit extrazellulärer Anregung des Elektrolyten gegenübergestellt. Das Übertragungsverhalten des Vesikel-Chip-Kontakts wird weitestgehend durch eine dünne Elektrolytschicht bestimmt, die sich zwischen den beiden Einzelsystemen befindet. Um den Kontakt zu verbessern, wurde ein extrem hochohmiger Elektrolyt verwendet. Zur Interpretation der Messungen musste deshalb die theoretische Beschreibung des als zweidimensionalen Kern-Mantel-Leiter beschreibbaren Kontakts immens erweitert werden. Als Ergebnis wurde einerseits eine erhöhte Leitfähigkeit der Kontaktmembran festgestellt, die entweder auf die Membrananspannung oder die Albumin-Beschichtung des Chips zurückzuführen ist. Andererseits war der Widerstand des Elektrolyten im Spalt niedriger als im Außenraum, was mit einer leitfähigen diffusen Doppelschicht an der oxidierten Siliziumoberfläche begründet werden kann. Das Anstechen von Riesenvesikeln brachte zwei interessante oszillierende Nebeneffekte mit sich. Riss der Kontakt an der Mikroelektrode, so zeigten sich sowohl optisch als auch elektrisch vermessbare Membranporen. War der Effekt der rollenden Membran gut ausgeprägt, so konnten abwechselnd die Ausbildung eines zweiten kleineren Vesikels um die Mikroelektrode und die erneute Fusion mit dem Muttervesikel beobachtet werden.     «

Zum näheren Verständnis der extrazellulären Neuron-Silizium-Kopplung wird ein Modellsystem benötigt, das durch intrazelluläre Techniken kontrolliert werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb eine Methode zum Kontaktieren von Riesenvesikeln mittels Mikroelektroden entwickelt. Das neuartige Verfahren konnte anschließend zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften der Kopplung von Vesikeln an Silizium-Chips angewendet werden. Die Etablierung der Elektrophysiologie wurde durch die Komb...     »

In order to obtain a better understanding of the extracellular neuron-silicon coupling, a model system is needed which can be controlled by intracellular techniques. In the presented thesis a method to contact giant vesicles with microelectrodes was developed. This novel procedure was then used to determine the electrical properties of the coupling of vesicles to silicon chips. Successful electrophysiological recordings were achieved by a combination of three techniques: Firstly, the giant vesicle was fixed in a relaxed condition by albumin coated plastic cages. Secondly, the microelectrodes were coated with poly-l-lysine. This enabled an electrostatic membrane contact. To avoid clogging of the pipettes, very high internal pressures were applied during coating. Thirdly, the membrane breakthrough was verified by fluorescein injection. It was found out that the tight contacts between vesicles and microelectrodes originate from rolling membranes. Directly following breakthrough the seal resistances reached the gigaohmic range. Resulting from the growing membrane tension the resistances declined during a maximum period of half an hour. In the second part of the thesis the developed method was applied to measure the signal transmission from the microelectrode across the vesicle into a linear array of 32 field-effect-transistors located under the vesicle. By using the lock-in-technique the sinus signal could be detected in dependence of frequency and locus. These intracellular experiments were compared to similar measurements with extracellular stimulation of the electrolyte. The signal transmission across the vesicle-chip-contact was dominated by a thin electrolyte layer located between the two compartments. In order to improve this contact, an electrolyte with a very high resistance was used. To allow the interpretation of the measurements the standard two-dimensional core-coat-conductor model for the contact had to be significantly modified. Two results were obtained. Firstly, the conductance of the membrane adhering to the chip was much higher than expected. This may result from the membrane tension or the albumin coating of the chips. Secondly, the resistance of the electrolyte in the gap between vesicle and chip was much lower than in the exterior solution. The diffuse double layer on the oxidized silicon surface may account for this. The impaling of the giant vesicles showed two interesting oscillating side effects. Membrane pores appeared when the contact at the microelectrode was disrupted. These pores were observed optically and by electrical measurements. Furthermore budding of a small second vesicle on the microelectrode and its following fusion with the main vesicle could be observed if the rolling membrane effect was strong.     «

In order to obtain a better understanding of the extracellular neuron-silicon coupling, a model system is needed which can be controlled by intracellular techniques. In the presented thesis a method to contact giant vesicles with microelectrodes was developed. This novel procedure was then used to determine the electrical properties of the coupling of vesicles to silicon chips. Successful electrophysiological recordings were achieved by a combination of three techniques: Firstly, the giant vesic...     »