Microchannel enhanced neuron-computer interface: design, fabrication, biophysics of signal generation, signal strength optimization, and its applications to ion-channel screening and basic neuroscience research

Abstract

En el presente trabajo, utilizamos técnicas de microfabricación, simulaciones numéricas, experimentos de electrofisiología para explorar la viabilidad en me- jorar la interface ordenador-neurona a través de microcanales, y la biofísica para la generación de señales en los dispositivos con microcanales. También demos- tramos que los microcanales pueden ser usados como una técnica prometedora con alto rendimiento en el muestreo automático de canales iónicos a nivel subce- lular. Finalmente, se ha diseñado, fabricado y probado el micropozo-microcanal como modificación adicional a los arreglos de multielectrodos, permitiendo una alta ganancia en la relación señal/ ruido (en inglés Signal to Noise Ratio SNR), y el registro de múltiples-lugares en poblaciones de baja densidad de redes neu- ronales del hipocampo in vitro. Primero, demostramos que son de alto rendimiento los microcanales de bajo costo con interface neurona-electrodo, para el registro extracelular de la activi- dad neuronal con baja complexidad, por periodos estables de larga duración y con alta ganancia SNR. En seguida, se realiza un estudio mediante experimentos y simulaciones nu- méricas de la biofísica para la generación de las señales obtenidas de los dispositi- vos con microcanales. Basados en los resultados, racionalizamos y demostramos como es que la longitud del canal (siendo 200 μm) y la sección transversal del microcanal (siendo 12 μm2) canaliza a los potenciales de acción para estar dentro del rango de milivolts. A pesar del bajo grado de complexidad envuelto en la fabricación y aplicación, los dispositivos con microcanales otorgan una sola media de valor SNR de 101 76, lo cual es favorablemente comparable con la SNR que se obtiene de desarrollos recientes que emplean electrodos curados con CNT y Si-NWFETs. Más aún, nosotros demostramos que el microcanal es una técnica promete- dora para el alto rendimiento del muestro automático de canales iónicos a nivel subcelular: (1) Información experimental y simulaciones numéricas sugieren que las señales registradas sólo afectan los parches membranales localizados dentro del microcanal o alrededor de 100 μm de las entradas del microcanal. (2) La transferencia de masa de los componentes químicos en los microcanales fue ana- lizada por experimentos y simulaciones FEM. Los resultados muestran que los microcanales que contienen glía y tejido neuronal pueden funcionar como barre- ra de fluido/química. Los componentes químicos pueden ser solamente aplicados a diferentes compartimentos a nivel subcelular. Finalmente, basado en simulaciones numéricas y resultados experimentales, se propone que del micropozo-microcanal, obtenido de la modificación de MEA (MWMC-MEA), la longitud óptima del canal debe ser 0,3 mm y la posición 1 óptima del electrodo intracanal, hacia la entrada más cercana del microcanal, debe ser 0,1 mm. Nosotros fabricamos un prototipo de MWMC-MEA, cuyo hoyo pasante sobre las películas de Polydimethylsiloxane (PDMS) fue microtrabajado a través de la técnica de grabados reactivos de plasma de iones. La baja densidad del cultivo (57 neuronas /mm2) en el MWMC-MEAs permitió que las neuronas vivieran al menos 14 días, con lo que la señal neuronal con la máxima SNR obtenida fue de 142. 2

In this present work, we used microfabrication techniques, numerical simulations, electrophysiological experiments to explore the feasibility of enhancing neuron-computer interfaces with microchannels and the biophysics of the signal generation in microchannel devices. We also demonstrate the microchannel can be used as a promising technique for high-throughput automatic ion-channel screening at subcellular level. Finally, a microwell-microchannel enhanced multielectrode array allowing high signal-to-noise ratio (SNR), multi-site recording from the low-density hippocampal neural network in vitro was designed, fabricated and tested. First, we demonstrate using microchannels as a low-cost neuron-electrode interface to support low-complexity, long-term-stable, high SNR extracellular recording of neural activity, with high-throughput potential. Next, the biophysics of the signal generation of microchannel devices was studied by experiments and numerical simulations. Based on the results, we demonstrate and rationalize how channels with a length of 200 μm and channel cross section of 12 μm2 yielded spike sizes in the millivolt range. Despite the low degree of complexity involved in their fabrication and use, microchannel devices provided a single-unit mean SNR of 101 76, which compares favourably with the SNR obtained from recent developments employing CNT-coated electrodes and Si-NWFETs. Moreover, we further demonstrate that the microchannel is a promising technique for high-throughput automatic ion-channel screening at subcellular level: (1) Experimental data and numerical simulations suggest that the recorded signals are only affected by the membrane patches located inside the microchannel or within 100 μm to the microchannel entrances. (2) The mass transfer of chemical compounds in microchannels was analyzed by experiments and FEM simulations. The results show that the microchannel threaded by glial and neural tissue can function as fluid/chemical barrier. Thus chemical compounds can be applied to different subcellular compartments exclusively. Finally, a microwell-microchannel enhanced MEA (MWMC-MEA), with the optimal channel length of 0.3 mm and the optimal intrachannel electrode position of 0.1 mm to the nearest channel entrance, was proposed based on numerical simulation and experiment results. We fabricated a prototype of the MWMCMEA, whose through-hole feature of Polydimethylsiloxane film (PDMS) was micromachined by reactive-ion etching. The low-density culture (57 neurons/mm2) were survived on the MWMC-MEAs for at least 14 days, from which the neuronal signal with the maximum SNR of 142 was obtained.