View - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

3.5 Zellwachstum auf Substraten 43
durch eine Elektrolytschicht von ca. 10 bis 100 nm getrennt. Dabei wird das Zytoplasma
durch die Zellmembran vom Elektrolyten isoliert. Gleichzeitig isoliert eine Schicht aus
Siliziumdioxid den Silizium-Chip vom Elektrolyten [92, 93] . Die wesentlichen Verhaltensweisen
können durch ein zweigeteiltes Ersatzschaltbild beschrieben werden, das für zwei
spezifische Ionenleitfähigkeiten in Abb. 3.27 dargestellt ist. Die Zellmembran - hier unterteilt
in die gekoppelte Fläche AJM und den Bereich AFM ohne Kontakt zwischen Silizium
und Zelle - lässt sich über verschiedene ionenspezifische Leitfähigkeiten pro freier bzw. gekoppelter
Fläche charakterisieren (gi FM bzw. gi JM ). Diese Leitfähigkeiten hängen von der
Membranspannung ab. Die spezifische Membrankapazität cM ist gleich für die gesamte
Zelle, und die Mikroelektrode hat die spezifische Kapazität cEL. Die elektrische Abdichtung
zwischen Zelle und Chip lässt sich durch die spezifische Leitfähigkeit gJ beschreiben.
Durch eine Mikropipette wird ein Strom IINJ in die Zelle injiziert. Dann werden die intrazelluläre
Spannung VM und die lokale extrazelluläre Spannung VJ über die Strombilanz in
der Zelle und an der Schnittstelle zum Chip bestimmt. Unter der Annahme einer schnellen,
schwachen und gleichzeitig kleinen Kopplung zwischen Zelle und Chip lässt sich VJ(t)
dann über die Differenzen der ionischen Ströme und durch IINJ bestimmen zu [92] :
dVJ
cEL
dt + gJVJ = �
i
(g i JM − g i FM) · (VM − V i
0 )+ IINJ
AFM
(3.30)
Mit diesem Kopplungsmodell unter den drei genannten Bedingungen konnten Fromherz
et al. zeigen, dass extrazelluläre Signalableitungen deutlich von den spannungsgesteuerten
Ionenleitfähigkeiten einer Zellmembran abhängen.
Auf der Basis eines einfachen Impedanzmodells für das Interface zwischen Neuron und
Elektrode gelang es Buitenweg et al. im Jahr 2002 den linearen Anteil des neuronalen Antwortsignals
bei Stimulation durch einen Strompuls vorherzusagen [94, 95] . Hieraus ließ sich
der nichtlineare Anteil der extrazellulären Antwort abschätzen, woraus anschließend die
aktiven Membranströme für die unterschiedlichen Ionenkanäle ermittelt werden konnten.
Durch die Spannungsabhängigkeit der Membranströme wurde dann auf die Verteilung
der unterschiedlichen Kanäle an der Zellmembran geschlossen. Hierfür stellten Buitenweg
et al. ein Modell mit finiten Elementen auf, das den Einfluss der Ionenkanal-Verteilung
auf den Kontakt zwischen Neuron und Elektrode beschreibt. Ihre Simulationen verglichen
sie mit experimentellen Daten und kamen zu dem Schluss, dass die Verteilung der
Ionenkanäle ausschlaggebend für die Ableitung und Interpretation extrazellulärer Signale
ist.