Nervensysteme basieren auf der Zusammenarbeit zahlreicher Nervenzellen. Um ihre Arbeitsweise aufklären zu können, benötigt man eine Methode, die es erlaubt, die Aktivität einer großen Zahl von Nervenzellen auf der Ebene einzelner Zellen zu beobachten. In der vorliegenden Arbeit wurden hierfür geeignete Sensoren entwickelt. Mit rauscharmen Elektrolyt-Oxid-Silizium-Feldeffekttransistoren (EOS-FETs) konnten die beim Feuern von Säugetierneuronen entstehenden sehr kleinen extrazellulären Spannungen detektiert werden. Ausgehend von den Skalierungsgesetzen der Zell-Transistor-Kopplung und der Rauschmechanismen wurde eine optimale Sensorgröße abgeleitet. Möglichkeiten zur Reduzierung des Verstärker- und Transistorrauschens wurden untersucht und eine Prozeßführung entwickelt, die rauscharme, glatte und optisch homogene Chips liefert. Die Charakterisierung der nach diesem Prozeß gebauten Transistoren zeigte sowohl die erwartete Abhängigkeit des Rauschens von den Parametern des Transistors als auch die gute Übereinstimmung der Kennlinien mit dem Ergebnis eines numerischen Simulationsprogramms für Feldeffekttransistoren. Nervenzellen aus dem Hippocampus der Ratte wurden auf den Chips kultiviert. Die spontanen Aktionspotentiale einzelner Neurone konnten verletzungsfrei und mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis detektiert werden. Das Transistorrauschen erwies sich als so gering, daß bereits die thermodynamische Grenze extrazellulärer Messungen erreicht wurde: Das Rauschen wurde nicht mehr von den Transistoren, sondern von den Zellen dominiert. Ein zur Beschreibung dieses Abdichtungsrauschens entwickeltes Modell konnte die Beobachtungen, insbesondere den ungewöhnlichen Exponenten der Frequenzabhängigkeit, erklären. Zum Vergleich mit der traditionellen Methode für extrazelluläre Messungen, planaren Metallelektroden, wurden dichte, erwachsene Kulturen aus Rattenneuronen untersucht. Die dabei beobachteten Signale waren um knapp eine Größenordnung stärker als es von Metallelektroden berichtet wird. Die Diskrepanz wird diskutiert und auf die Andersartigkeit der Meßmethoden und der Kontaktausbildung zurückgeführt. Die hier vorgestellten Transistoren weisen mehrere für Sensoren wünschenswerte Eigenschaften auf: Ihr Rauschen bewegt sich nahe an der thermodynamischen Grenze, ihre glasartige Oberfläche ist biokompatibel, chemisch homogen und extrem glatt, so daß das biologische System durch die Anwesenheit der Sensoren nicht beeinflußt wird. Sie sind in der Lage, neben den elektrischen auch chemische Signale der Zellen zu detektieren, und kommen in gewissem Sinne sogar ohne jegliche Zellsignale aus, können sei doch bereits die bloße Adhäsion von Zellen nachweisen. Diese Merkmale machen die Transistoren interessant für zahlreiche weitere Anwendungen in Neurobiologie, Zellbiologie und Pharmakologie. Und mit der Beobachtung des Abdichtungsrauschens steht eine neue Methode zur Untersuchung der Zelladhäsion zur Verfügung, die sich zudem auch in vielen nichtbiologischen Situationen anwenden läßt.
Übersetzte Kurzfassung:
Nervous systems are based on the cooperation of numerous neurons. In order to investigate their functioning a method is required which allows the observation of the activity of a large number of neurons at the level of individual cells. In this thesis, suitable sensors for this application have been developed. With low-noise electrolyte-oxide-silicon field-effect transistors the small extracellular voltages arising during the elicitation of action potentials could be detected. Starting from the scaling laws of the cell-transistor-coupling and the noise mechanisms an optimal sensor size was determined. Measures to reduce the noise of amplifier and transitors were examined and a process was developed which yields chips with low noise and a smooth and optical homogeneous surface. The characterisation of the transistors built with this process showed the expected dependency of the noise on the transistors' parameters and a good agreement of the device behaviour with the results of a numerical simulation package for field-effect transitors. Neurons from the rat's hippocampus were cultivated on the chips. Spontaneous action potentials were recorded with good signal-to-noise ratios and without injuring the neurons. The transistor noise proved to be so low that the thermodynamic limit of extracellular measurements became visible: The noise was not dominated any more by the transitors but by the cells. A model developed to describe this sealing noise was able to to explain the observations, in particular the unusual exponent of frequency dependence. In order to draw a comparison with the traditional method for extracellular recordings (planar metal electrodes) dense mature cultures of rat neurons were examined. The observed signals were about a magnitude larger than those reported from metal electrodes. The discrepancy is discussed and attributed to the differences of the measurement methods and the contact types. The transistors presented in this work have several features desirable for sensors: Their noise is close to the thermodynamic limit, their glass-like surface ist biocompatible, chemical homogeneous and extremly flat, which prevents influencing the biological system by the sensors' presence. They are able to record not just the electrical, but also the chemical signals of the cells and can even do without any cell signals at all, as they are able to detect the mere adhesion of cells. These features render the transistors attractive for many additional applications in neurobiology, cell biology and pharmacology. The observation of adhesion noise provides a new method to investigate cell adhesion and in addition can be applied in many non-biological situations.
Veröffentlichung:
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