Die elektrische Stimulation von Nervenzellen mit extrazellulären Elektroden spielt eine wichtige Rolle in der Hirnforschung und der Neuroprothetik. Ihr Grundgedanke ist, dass der elektrische Strom einer Elektrode das Potenzial in der Umgebung eines Neurons so beeinflusst, dass ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Der angestrebte Mechanismus für eine minimalinvasive Wechselwirkung ist ein rein kapazitiver Strom zwischen Elektrode und Elektrolyt und das reversible Öffnen von spannungsabhängigen Ionenkanälen in der Zellmembran. In dieser Arbeit wird die extrazelluläre Stimulation einer auf einem planaren Elektrolyt/Oxid/Silizium-Kondensator adhärierten Zelle studiert. Als Oxide kommen HfO2 und TiO2 mit einer hohen Dielektrizitätskonstante zum Einsatz. Zur Analyse und Kontrolle der Membranströme und der intrazellulären Spannung wird die Patch-Clamp-Technik verwendet. Eine definierte Spannungsänderung am Kondensator bewirkt einen Stromfluss durch den Spalt zwischen unterer Zellmembran und Substrat und erzeugt dort eine lokal begrenzte, extrazelluläre Spannung. Die Wirkung dieser Spannung auf die Polarisation der oberen und unteren Zellmembran und auf das Verhalten der Ionenkanäle wird anhand identifizierter Neurone aus Lymnaea stagnalis untersucht. Kombinierte Messungen im Voltage- und Current-Clamp belegen, dass der Mechanismus der Reizung auf dem Öffnen von Natriumkanälen beruht und wesentlich vom Vorzeichen der extrazellulären Spannung abhängt. Eine periodische Stimulation ermöglicht das Reizen von Säugetierzellen unter physiologischen Bedingungen. Anhand eines Modellsystems aus HEK-Zellen mit rekombinanten Natriumkanälen wird gezeigt, dass die Summation der unterschwelligen Antworten einzelner Perioden zu einem überschwelligen Reiz führt, in Analogie zum sogenannten Gildemeister-Effekt. Auf dieser Basis werden hippocampale Rattenneurone in dissoziierten Zellkulturen erfolgreich stimuliert. Die Ergebnisse werden vor dem Hintergrund der Zellgeometrie und der lokalen Modulation der Elektrolytspannung diskutiert. Der Reizmechanimus bei Rattenneuronen konnte in dieser Arbeit jedoch nicht abschließend geklärt werden.     «

Die elektrische Stimulation von Nervenzellen mit extrazellulären Elektroden spielt eine wichtige Rolle in der Hirnforschung und der Neuroprothetik. Ihr Grundgedanke ist, dass der elektrische Strom einer Elektrode das Potenzial in der Umgebung eines Neurons so beeinflusst, dass ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Der angestrebte Mechanismus für eine minimalinvasive Wechselwirkung ist ein rein kapazitiver Strom zwischen Elektrode und Elektrolyt und das reversible Öffnen von spannungsabhängigen Io...     »

Electrical stimulation of nerve cells with extracellular electrodes is a classical technique in brain research and a fundamental tool in neuroprosthesis. Electrical current that originates from an electrode creates a gradient of extracellular electrical potential around the neuron such that an action potential may be elicited. The desired mechanism for a truely non-invasive interaction is a purely capacitive coupling between electrode and electrolyte and a reversible activation of voltage-gated ion channels in the cell membrane. In this work we study the extracellular stimulation of individual cells in the situation of cell adhesion on a planar electrolyte-oxide-silicon (EOS) capacitor. The insulating material was HfO2 or TiO2 with a high dielectric constant. Membrane current and intracellular voltage were measured or controlled using the patch-clamp technique. A defined voltage change at the capacitor led to a current flow along the cleft between attached cell membrane and substrate and produced a local extracellular voltage there. Its impact on the polarization of attached and free membrane domains and on the reaction of ion channels was studied with identified neurons from Lymnaea stagnalis. Combined measurements under voltage and current-clamp revealed that the stimulation mechanism relied on the activation of sodium channels and strongly depended on the polarity of the extracellular voltage. Periodic stimulation enabled the excitation of mammalian cells under physiological conditions. Within a model system consisting of HEK cells with recombinant sodium channels it could be shown that summation of sub-threshold responses of individual pulses led to supra-threshold excitation, in analogy to the Gildemeister effect. On this basis, also rat neurons were successfully stimulated. The results are discussed in the context of cell geometry and of the local modulation of bath voltage. However, the mechanism of stimulation with rat neurons remained dubious.     «

Electrical stimulation of nerve cells with extracellular electrodes is a classical technique in brain research and a fundamental tool in neuroprosthesis. Electrical current that originates from an electrode creates a gradient of extracellular electrical potential around the neuron such that an action potential may be elicited. The desired mechanism for a truely non-invasive interaction is a purely capacitive coupling between electrode and electrolyte and a reversible activation of voltage-gated...     »