Will man Netzwerke aus Nervenzellen auf einem Siliziumchip kontrollieren, muss die Auslösung von Aktionspotentialen durch Stimulation der Zellen vom Chip aus möglich sein. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Ionenkanäle in der Membran einer Zelle auf dem Siliziumchip zu öffnen, indem durch kapazitive Kopplung eine extrazelluläre Spannung erzeugt wird. Als Modellsystem dient eine Zelle, in welcher der rekombinante K+-Ionenkanal Kv1.3 exprimiert wird. Die Zelle wächst auf einem Siliziumchip, dessen Stimulationsspot mit einem Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante beschichtet ist. Die elektrische Kopplung lässt sich durch Verwendung eines Badelektrolyten niedriger Leitfähigkeit verstärken. Bei der elektrischen Stimulation entsteht durch Anlegen einer veränderlichen Spannung an den Siliziumchip eine Spannung über die untere Zellmembran. Die Ströme durch die Membran werden mit Hilfe der Patch-Clamp-Methode gemessen, bei der die Zelle durch eine Mikropipette kontaktiert wird. Durch eine optische und elektrische Charakterisierung des Chip-Zell-Interfaces werden die Zell- und Kopplungsparameter bestimmt. Die Zeitkonstante im Spalt bestimmt die Stärke der Kopplung und wird durch die gewählten Bedingungen so groß, dass sich durch Anlegen einer Spannungsrampe am Chip die Ionenkanäle öffnen. Dass die gemessenen Ströme tatsächlich auf das Öffnen der K+-Kanäle durch die extrazelluläre Spannung zurückzuführen sind, wird durch eine Reihe unterschiedlicher Experimente bestätigt. Um auch bei der Verwendung eines Badelektrolyten normaler Leitfähigkeit oder Dielektrika geringer Kapazität die Ionenkanäle zu öffnen, wird die Wirkung einer periodischen Stimulationsspannung hoher Frequenz auf die Ionenkanäle berechnet. Die numerische Simulation ergibt, dass sich durch abwechselnde Hyper- und Depolarisation der Membran die Kanäle schrittweise öffnen lassen, obwohl das mittlere Membranpotential auf seinem ursprünglichen Wert verbleibt.     «

Will man Netzwerke aus Nervenzellen auf einem Siliziumchip kontrollieren, muss die Auslösung von Aktionspotentialen durch Stimulation der Zellen vom Chip aus möglich sein. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Ionenkanäle in der Membran einer Zelle auf dem Siliziumchip zu öffnen, indem durch kapazitive Kopplung eine extrazelluläre Spannung erzeugt wird. Als Modellsystem dient eine Zelle, in welcher der rekombinante K+-Ionenkanal Kv1.3 exprimiert wird. Die Zelle wächst auf einem Siliziumchip, dessen Sti...     »

In order to control networks of nerve cells growing on silicon chips, it is necessary to elicit action potentials by electrical stimulation of the cells from the chip. It is the aim of this work to open the ion channels in the cell membrane by capacitive coupling from the chip to the cell and hereby generating an extracellular voltage. The model system is a cell which expresses the recombinant K+ channel Kv1.3. The cell is growing on a silicon chip which has a stimulation spot coated with a dielectric with a high capacitance. The electrical coupling is enhanced by a bath electrolyte with low conductance. During electrical stimulation, a voltage across the lower cell membrane emerges from the application of a changing voltage to the silicon chip. The current through the membrane is measured using the patch-clamp method that contacts the cell by a glass micropipette. The cell and coupling parameters are determined by an optical and electrical characterization of the chip-cell interface. The time constant in the junction cleft controls the strength of the coupling. By the special choice of the conditions, it gets high enough so that the ion channels open when a voltage ramp is applied to the chip. By different experiments it is verified that the measured currents are in fact caused by the opening of the K+ channels through the extracellular voltage. In order to open the ion channels even when an electrolyte with physiological conductance or dielectrics with lower capacitance are used, the effect of a high frequency, periodical stimulation voltage on the ion channels is analyzed. In the calculations it can be shown that step-by-step opening of the channels is possible by alternating hyper- and depolarization of the membrane, even if the average membrane potential stays at rest.     «

In order to control networks of nerve cells growing on silicon chips, it is necessary to elicit action potentials by electrical stimulation of the cells from the chip. It is the aim of this work to open the ion channels in the cell membrane by capacitive coupling from the chip to the cell and hereby generating an extracellular voltage. The model system is a cell which expresses the recombinant K+ channel Kv1.3. The cell is growing on a silicon chip which has a stimulation spot coated with a diel...     »