• norsk
    • English
  • English 
    • norsk
    • English
  • Login
View Item 
  •   Home
  • Fakultet for naturvitenskap (NV)
  • Institutt for fysikk
  • View Item
  •   Home
  • Fakultet for naturvitenskap (NV)
  • Institutt for fysikk
  • View Item
JavaScript is disabled for your browser. Some features of this site may not work without it.

Developing 2.5D Nanotopographical in vitro Neural Network Recording Platform to Mimic the Physical Environment of the Brain

Isdal, Leik Bjelland
Master thesis
Thumbnail
View/Open
no.ntnu:inspera:81526902:56757628.pdf (39.24Mb)
URI
https://hdl.handle.net/11250/2788877
Date
2021
Metadata
Show full item record
Collections
  • Institutt for fysikk [2911]
Abstract
På tross av sin vanvittige kompleksitet er nervesystemet en del av menneskets anatomi

som er spesielt sårbar. Nevrodegenerative sykdommer som Alzheimers og Parkinsons

forårsaker omfattende og uopprettelig skade hos de som blir rammet, og ut

over de emosjonelle kostnadene for individ og familier pålegger det også samfunnet

store økonomiske kostnader. Nye sykdomsmodellsystemer trengs sårt i utviklingen av

bedre behandling og mer effektiv diagnostisering av nevrodegenerative sykdommer.

De siste årene har fremskritt innen mikrofabrikasjon og stamcelle-teknologier gitt

grobunn for kraftige in vitro-modellsystemer av det menneskelige nervesystemet og

dets patologier. Ved å dyrke nevroner i mikrofluidiske kammer spedd med mikroelektroder

kan vekst av nevrale nettverk utføres innenfor kontrollerte rammer, mens

målt nettverksaktivitet gir indikasjon på nettverkets tilstand av funksjon eller dysfunksjon.

Avgjørende for den kliniske relevansen til slike modellsystemer er deres evne til

å gjenskape nervesystemets småverksnettverksarkitektur – arkitektur som muliggjør

komplekse tanker, men også rask spredning av sykdom. Tradisjonelt har in vitro nevrale

nettverks-systemer vært basert på plane substrater, og neglisjert den viktige rollen

hjernens fysiske mikro- og nanoskala-miljø spiller i å lede nettverksorganisasjon.

Resultatet har vært nettverksarkitektur som har fraveket de viktige småverdensprinsippene

i nervesystemet.

I et forsøk på å forbedre nettverksarkitektur, og derav klinisk relevans, satt dette

prosjektet som mål å utvikle en ny in vitro nevral nettverksplattform med nanotopografier

som etterligner hjernens nanoskala fysiske miljø. En plasmaetsingsbasert

ruprosess for nanotopografisk strukturering av SU-8-resist ble etablert, og viste utmerket

evne til å oppnå en rekke forskjellige nanotopografier ved modifisering av etseparametre.

Nanotopografisk SU-8 ble videre vist å kunne erstatte det tidligere brukte plane

Si3N4-basesubstratet på nevrale nettverksplattformer. Her ble det vist å være kompatibelt

med binding av mikrofluidstrukturer, og som isolasjon for elektrodeponering av

platinum sort-elektroder og under målinger av nevral nettverksaktivitet. Et avgjørende

funn var at nanotopografier kan fremme klynging av nevroner og aksonfascikulasjon,

samt lavere grad av global synkronisering i nettverksaktivitet - karakteristiske strukturelle

og funksjonelle trekk for småverdensnettverk. Samtidig som det er behov for

ytterligere optimalisering og eksperimenter med større utvalgstørrelser før endelige

konklusjoner kan trekkes, viste den utviklede nanotopografiske plattformen således

potensiale for å forbedre kliniske relevans av in vitro nevrale sykdomsmodellsystem.
 
Despite its incredible complexity, the nervous system is a part of the human anatomy

that is particularly vulnerable. Neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s and

Parkinson’s disease wreak havoc on this vulnerable system, causing irreparable and extensive

damage to the ones affected, and casting heavy economical burdens on society.

In pursuit of greater insight into detection and treatment of such neurodegenerative

diseases in early onset, novel disease model systems are in dire need.

In recent years, advancements within microfabrication and stem cell technologies

have given rise to powerful in vitro model systems of the human nervous system and

its pathologies. By culturing neurons in microfluidic compartments embedded with

microelectrode arrays, growth of neural networks can be carried out in controlled environments

and network activity recorded and analysed to determine state of function

or dysfunction. Critical to the clinical relevance of such model systems is their ability

to recapitulate the small-world network architecture of the nervous system – an

architecture enabling complex thought but also rapid disease spread. Traditional in

vitro neural network systems have been based on planar substrates, neglecting the

important role of the physical micro- and nanoscale environment of the brain in guiding

network organization. Consequently, grown networks have exhibited architecture

diverging from the important small-world principles of the nervous system.

In an effort to improve network architecture and, by extension, clinical relevance,

this project set out to develop a novel in vitro neural network recording platform with

nanotopographies mimicking the physical environment of the brain at the nanoscale.

A plasma etch based roughening process for nanotopographical structuring of SU-8

resist was established, demonstrating excellent flexibility in achieving a range of nanotopographies

by tuning of etching parameters. Nanotopographical SU-8 was further

demonstrated to be a viable direct replacement for the previously used planar Si3N4

base substrate on neural network recording platforms. Herein, it was proved compatible

with bonding of microfluidic structures, and as insulation for electrodeposition

of platinum black electrodes and during neural network recording. Crucially, nanotopographies

were found to promote clustering of neurons and axon fasciculation, as

well as lower synchrony in global network activity – characteristic structural and functional

features of small-world networks. While further optimization and investigation

with larger sample sizes are needed before definitive conclusions can be drawn, the developed

nanotopographical platform have, in conclusion, shown promise in improving

clinical potential of in vitro neural disease model systems.
 
Publisher
NTNU

Contact Us | Send Feedback

Privacy policy
DSpace software copyright © 2002-2019  DuraSpace

Service from  Unit
 

 

Browse

ArchiveCommunities & CollectionsBy Issue DateAuthorsTitlesSubjectsDocument TypesJournalsThis CollectionBy Issue DateAuthorsTitlesSubjectsDocument TypesJournals

My Account

Login

Statistics

View Usage Statistics

Contact Us | Send Feedback

Privacy policy
DSpace software copyright © 2002-2019  DuraSpace

Service from  Unit