View - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

3.5 Zellwachstum auf Substraten 41
3.5.4 Kopplungsmodell für Zellen auf Mikroelektroden
Ein einfaches Modell zur Beschreibung des Signalverhaltens neuronaler Zellen auf planaren
MEAs wurde im Jahr 1989 von Regehr et al. vorgestellt [15] . Dieses Modell wird auch
als Punkt-Kontaktmodell bezeichnet und geht von der Annahme aus, dass alle Ströme
durch einen gemeinsamen Punkt fließen, wobei die Geometrie des Kontakts vernachlässigt
wird. Regehr et al. stellten mit ihrem Modell die Signalform der Spannung dar, die bei
simultaner Messung an mehreren Neuronen verzeichnet wurde. Beim Vergleich von Modell
und realen Messungen an neuronalen Netzwerken erkannten sie, dass Potenziale, die
direkt unter dem Zellkörper abgeleitet wurden, Ableitungen des intrazellulären Potenzials
waren, während Signale, die an den Axonstümpfen gemessen wurden, proportional zu den
einwärts gerichteten Na + -Strömen waren. Eine schematische Ansicht eines Neurons auf
einer Elektrode ist in Abb. 3.25 zu sehen. Darin zu erkennen sind die Impedanzen der
Zelle (ZCell) und der Elektrode (Ze) sowie das Ersatzschaltbild der kontaktierten Zellmembran.
Außerdem eingezeichnet sind der Abdichtwiderstand zwischen Elektrode und Zelle
(RSeal), der abhängig ist von Medium, Zelltyp und Abstand zwischen Zelle und Isolationsschicht,
sowie der Ausbreitungswiderstand (RSpread), der von der extrazellulären Lösung
abhängt. Beide Widerstände sind linear proportional zum spezifischen Widerstand ρ des
Mediums.
Abbildung 3.25: Schematische Darstellung eines Neurons auf einer Mikroelektrode,
nach [15]
Regehr et al. stellten auch ein Ersatzschaltbild für ein Neuron auf einer Elektrode auf,
das in Abb. 3.26 zu sehen ist. In die Patch-Region zwischen Zelle und Elektrode fließt
für die verschiedenen Ionenkanäle das Hodgkin-Huxley-Modell ein. Auch hier werden die
zeit- und spannungsabhängigen Ionenleitfähigkeiten mit regelbaren Widerständen visualisiert,
die daher auch als Hodgkin-Huxley-Elemente bezeichnet werden. Außerdem sind
die Widerstände und Impedanzen aus Abb. 3.25 zu erkennen.