Chemie Diplomarbeit / FakultÃ¤t fÃ¼r Chemie und Pharmazie ...

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1 Einleitung und Problemstellung 1.1 Überblick Diese Diplomarbeit beschreibt die elektrochemische Oberflächenmodifikation von Mikroelektrodenstrukturen durch Metallabscheidung und die Belegung mit polymerisierbaren Peptidsequenzenen aus den Zelladhäsionsmolekülen Laminin und Fibronektin. Es galt, diese Oberfläche hinsichtlich der Impedanz und Bioverträglichkeit zu optimieren. 1.2 Kontext Als eines der faszinierendsten Ergebnisse der Evolution steht das Nervensystem mit seiner heute noch weitgehend unverstandenen Komplexität im Mittelpunkt wissenschaftlichen Interesses. Die herausragende Eigenschaft des Nervensystems, im Hintergrund Informationen zu verarbeiten, ohne seinerseits direkt Informationen über den Verarbeitungsprozeß selbst preiszugeben, hat die Neugierde des Menschen seit Jahrtausenden provoziert. Trotzdem ist uns das Prinzip der Informationsverarbeitung bis zur Entdeckung von RAMÓN Y CAJAL vor hundert Jahren (1891), daß das Gehirn aus abgegrenzten Nervenzellen besteht und diese untereinander zu vielfältigen Schaltkreisen verbunden sind, weitgehend verborgen geblieben. Vor etwa fünfzig Jahren gelangen die ersten Registrierungen der elektrischen Aktivität von Nervenzellen (ADRIAN, HARLINE, GRANIT, PFAFFMANN u.a (1930/40)), vor knapp vierzig Jahren erstmals eine eindeutige Identifizierung der Synapsen, d.h. der Kontaktstellen, an denen die Kommunikation zwischen Nervenzellen stattfindet (HODGKIN, HUXLEY, KATZ, ECCLES u.a. (1950/60)). Erst vor etwa fünfzehn Jahren konnten die molekularen Mechanismen analysiert werden, die die Differenzierung der Nervenzellen und die Expression ihrer funktionellen Eigenschaften steuern (1970/80) 1 . Die Zuordnung von Aufgabenbereichen im weithin verzweigten Informationsnetz, das Verständnis der Übermittlungsmechanismen und -abläufe nimmt sich wie ein Puzzle aus, dessen Teile sich über interdisziplinäre Forschungsbemühungen nur langsam zu einem konsistenten Gesamtbild zusammenfügen lassen. Gehirn und Rückenmark des Menschen enthalten etwa 10 bis 15 Milliarden Nervenzellen, die mit großer Redundanz komplex verschaltet sind. Gegenwärtig scheint es eine unlösbare Aufgabe, Millionen einzelner Nervenzellaktivitäten individuell und auch gleichzeitig zu erfassen und ihre Bedeutung für die 1
Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern Wahrnehmung oder Bewegungssteuerung in Sekundenbruchteilen zu entschlüsseln. 2 Trotz der vielen, noch konturlosen Bereiche des Gesamtbildes ermutigten jedoch neugewonnene Erkenntisse immer wieder zu induktiven Ansätzen, das Nervensystem durch spezifische oder auch unspezifische Manipulation verstehen zu lernen. 1.2.1 .1 Multikontaktierung von Nerven mit Mikroelektrodenstrukturen Im Rahmen der Förderung über das Europäische Programm ESPRIT ist es das Ziel des Forschungsprojektes INTER (Intelligent Neural InTERfaces), die grundlegenden Voraussetzungen für die Entwicklung zuverlässiger Mikorelektrodensysteme zu schaffen, die eine künstliche, nichtinvasive, d.h. extrazelluläre Ankopplung des peripheren Nervensystems über seine Axone erlauben werden. Mit der Verfügbarkeit von Systemen, über die sich aus dem motorischen Bereich des peripheren Nervensystems Informationen auslesen und in das sensorische Netz von außen eingeben lassen, wird es möglich sein, Informationsflüsse in biologischen Systemen verstehen und lenken zu lernen. Detailliertere Kenntnisse der Informationsabläufe werden es dann gestatten, z.B. Prothesen zu entwickeln, die über den Willen steuerbar sind (z. B. eine künstliche Hand) und Signale aus der Umwelt aufnehmen und an das Nervensystem weiterleiten könnten (z.B. über tasten, riechen, sehen, hören). Zentrales Nervensystem CNS Sensorisierte Prothese Neuronales Interface Peripheres Nervensystem PNS Controller Peripheres Nervensystem PNS Neuronales Interface: Mikroelektrodenstruktur mit oder ohne Vorverstärker Neuronales Computernetz mit Lernalgorithmen Multiaktivierte und sensorisierte Gliedmaßen Sensorische Auswertung Abbildung 1: Schematische Darstellung der künstlichen Ankopplung an das periphere Nervensystem am Beispiel der künstlichen Hand: Eine Mikroelektrodeneinheit kontaktiert elektrisch oder optisch direkt die einzelnen 2
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