Fabrication of platinum mushroom-shaped microelectrode array for in vitro studies of neural networks and neural network pathologies

Abstract

Feltet elektrofysiologi opplever store fremskritt i anvendelsen av mikroelektro de arrayer (MEA) for bedre forståelse av mekanismene som ligger til grunn for komplekse hjernefunksjoner. Ulike opptak plattformer med skreddersydd funksjonalitet er utviklet de siste årene. De åpnet nye muligheter i analysen av spontane og fremkalte handlingspotensiale ved hjelp av ekstracellulære opptak og stimulering av nevrale celler. Moderne MEAs har titusenvis av kanaler for å undersøke aktiviteten til små porsjoner av hjerne skiver eller nevrale cellekulturer. Et viktig aspekt ved å bygge slike enheter er å minimere signal-til-støy-forholdet (SNR) under opptak og å gi en effektiv kobling koeffisient mellom cellene og elektrodene under stimulering. I de siste årene har flere grupper undersøkt mulighetene for å øke SNR ved å bruke soppformede 3D-mikroelektroder. Angivelig har denne typen elektroder muligheten til å oppnå intracellulære opptak uten å invadere og skade cellene, noe som er en stor fordel i forhold til andre teknikker som brukes for denne typen opptak. Dette gjør soppformede MEA til et attraktivt alternativ i mange forskningsprosjekter innen nevrovitenskap og prekliniske legemiddeltester. Det nåværende arbeidet beskriver fabrikasjonen av soppformede mikroelektroder med fokus på den nevrobiologiske bakgrunnen som er nødvendig for at leseren skal forstå de grunnleggende konseptene bak nevron elektrode signaltransduksjon. Også beskrevet er instrumentene og teknikkene for nanofabrikasjon brukt i dette prosjektet. Videre presenteres resultater fra optimalisering av prosess trinnene for å gjøre oppmerksom på mulighetene for forbedring av produksjonsmetodene. Og til slutt, en diskusjon om slike forbedringer og noen begrensninger av instrumentene og materialene som brukes, er gitt av forfatteren, som gir en oversikt over utfordringene ved utvikling av slike MEAs, og gir forslag til videreutvikling av disse for enda bedre ytelse.

The field of electrophysiology experiences huge progress in the application of microelectrode arrays (MEAs) for a better understanding of the mechanisms underlying complex brain functions. Various recording platforms with tailored functionality have been developed in recent years. They opened new possibilities in the analysis of spontaneous and evoked action potentials by means of extracellular recording and stimulations of neural cells. Modern MEAs have tens to thousands of channels to investigate the activity of small portions of brain slices or neural cell cultures. An important aspect in building such devices is to minimize the signal-to-noise ratio (SNR) during recordings and to provide an efficient coupling coefficient between the cells and the electrodes during simulations. In recent years, several groups investigated the opportunities to increase the SNR by using mushroom-shaped 3D microelectrodes. Reportedly, this type of electrodes possesses the ability to obtain intracellular recordings without invading and damaging the cells which is a great advantage over other techniques used for this type of recordings. This makes mushroom-shaped MEAs an attractive alternative in many neurosciences research projects and preclinical drug testing programs. The current work describes the fabrication of mushroom-shaped microelectrodes with a focus on the neurobiological background necessary for the reader to understand the basic concepts behind neuron-electrode signal transduction. Also, described are the instruments and techniques of nanofabrication used in this project. They include photolithography, thin-film deposition, and electroplating. Furthermore, results from the optimization of the process steps are presented to bring attention to the possibilities for improvement of the manufacturing methods. The development of the mushroom shape of the electrodes was successful. Their size (cap diameter 5 um), however, was too big to trigger engulfment from neurons and signs of intracellular recordings were not observed. And lastly, a discussion of future improvements and some limitations of the instruments and the materials used is provided by the author, giving an overview of the challenges faced during the development of the MEA and pointing a direction towards refinement of the performance of the electrodes.