| dc.description.abstract | Menneskets nervesystem utgjør verdens mest avanserte evolusjonære maskineri. Gjennom dets høyst intrikate arkitektur og beregningsevner kontrollerer det oppgaver så funksjonelt forskjellige som muskelbevegelser og lagring av minner. I søken etter bedre innsikt i denne høyst sofistikerte maskinen og forbedrede behandlingsparadigmer for nevrologiske sykdommer er det et kontinuerlig behov for nyskapende og smarte elektrofysiologiske verktøy.
De siste årene har utviklingen av høyst avanserte mikrofluidiske plattformer åpnet døren til en helt ny verden innen in vitro forskning, og bidratt betraktelig til fremskritt innen biologi og medisin. Innen nevrobiologi har kombinasjonen av seksjonerte mikrofluidiske plattformer med inkorporering av mikroelektrode-matriser fasilitert konstruksjonen av mer korrekte og fysiologisk relevante modeller på nervesystemets organisering, funksjon og kommunikasjon in vitro. I kombinasjon med nylige fremskritt innen stamcelleforskning kan slike plattformer brukes til å lage svært avanserte modeller på det menneskelige nervesystemet og dets patologi, og dermed introdusere et viktig pre-klinisk alternativ til mer tradisjonelle dyremodeller.
I dette prosjektet ble en topp moderne mikrofluidisk plattform for studier av propagerende aksjonspotensialer langs individuelle aksoner utviklet og suksessfullt testet med ko-kultiverte kortikale nevroner og astrocytter fra rotter. Som et konseptbevis ble evnen til å følge aksjonspotensialer langs lengden av individuelle aksoner vist, samt muligheten til å sortere signalene og bestemme hastigheten til aksjonspotensialene fra individuelle aksoner. Videre ble det etablert protokoller for deponering av nanostrukturert platinum på mikroelektrode matrisene for å øke signal-til-støy-raten på signaler tatt opp fra de nevrale nettverkene. Kombinasjonen av isolering av aksonene i mikrokanaler med økt signal-til-støy-rate fra de nanostrukturerte mikroelektrodene ble evaluert ved bruk av moderne karakteriseringsog målingsverktøy. Med signalamplituder på opptil 3 mV, og signal-tilstøy- rater på midten av tredvetallet og høyere, ble denne plattformen funnet bedre enn sammenlignbare elektrofysiologiske in vitro systemer. Disse resultatene styrker hypotesen om at denne allsidige plattformen kan gjøre dataanalyse enklere, og gi mer innholdsrik og verdifull data i fremtidige studier av in vitro nevrale nettverk.
Det gjenstår fremdeles arbeid med å optimalisere og fullt ut nyttiggjøre mulighetene ved den utviklede plattformen, og videre arbeid har derfor blitt foreslått. Likevel har dette prosjektet vist potensialet for bruk av mikrokanaler med integrerte nanostrukturerte elektroder for mer avanserte studier av fenomener som aksoners rolle i nevrale beregninger, unormal elektrofysiologi i nevrodegenerative sykdommer og effekten av elektrisk og biokjemisk stimulering av aksoner på nettverkplastisitet. Dette kan forhåpentligvis bidra til videre fremskritt innen forskning på nervesystemet og nevromedisin, og bringe vitenskapen ett steg videre i søken etter forståelse av den fulle kompleksiteten til hjernen, samt skader og sykdommer i nervesystemet. | |
| dc.description.abstract | The human nervous system is the most complex evolutionary machinery in the world. Through its highly intricate architecture and computational capacity, it controls operations as functionally distinct as muscular movement and storage of memories. In the search for greater insight into this highly sophisticated system and improved treatment paradigms for neurological disorders, new and ingenious electrophysiological interrogation systems are in need.
In recent years, the evolution of highly advanced microfluidic platforms has opened the door to a whole new world within in vitro research, and contributed to significant advancements within biology and medicine. In neurobiology, the combination of compartmentalized microfluidic platforms with the incorporation of microelectrode arrays has furthermore facilitated the construction of more accurate and physiologically relevant models of nervous system organization, function and communication in vitro. In combination with recent advances in stem cell technologies, such platforms can be utilized to make highly advanced models of the human nervous system and malfunctions therein, establishing an important preclinical alternative to more traditional animal models.
In this project, a cutting-edge microfluidic platform for studying the propagation of action potentials along individual axons was developed and successfully tested using co-cultured rat cortical neurons and astrocytes. As a proof-of-concept, the ability to track individual action potentials along the length of axons was shown, as well as the capability to do spike sorting and determine the action potential propagation velocities of individual axons. Furthermore, protocols for deposition of nanostructured platinum black on the microelectrode arrays was tested and optimized for increased signal-to-noise ratios of recorded data. Combination of the isolation of axons in microchannels with the high signal-to-noise ratio of the nanostructured microelectrodes was evaluated using state-of-the-art characterization tools and measurement techniques. With signal amplitudes reaching 3 mV, and signal-to-noise ratios in the mid-thirties and above, this platform was found superior to comparable electrophysiological in vitro systems. These results clearly strengthen the hypothesis that this versatile platform can make data analysis easier, and give richer and more valuable data in future studies of in vitro neural networks.
Work still remains to optimize and fully utilize the opportunities with the developed platform, and suggested further work has been proposed. However, as a proof-of-concept, the current work has shown the potential for utilization of microchannels integrated with platinum black microelectrode arrays for more advanced studies of phenomena such as the role of axons in neural computation, abnormal excitability in neurodegenerative diseases and the effects of electrical and biochemical stimulation of axons on network plasticity. This can hopefully contribute to increased advancements within the fields of neurobiology and neuromedicine, bringing these sciences one step further in the search of understanding the full complexity of the brain and impairments therein. | |
