Funktionelle Kopplungen zwischen Neuronen und Chips

Peter Fromherz
in: "Die Technik auf dem Weg zur Seele. Forschungen an der Schnittstelle Gehirn/Computer." Rowohlt Hamburg, 1996

Einleitung
1791 stellte Luigi Galvani den ersten elektrischen Kontakt zwischen einem organischen Gewebe und einem anorganischen Material her. Seither beruhen alle Vorrichtungen, mit denen man in Biomedizin und Physiologie elektrische Aktivität stimuliert und detektiert, auf Galvanis Verfahren - dem Kontakt zwischen einem Metall und dem extra- oder intrazellulären Elektrolyten. Bei einer solchen Verbindung fließt elektrischer Strom durch die Grenzfläche Elektrode - Elektrolyt. Der Strom von einem elektronischen zu einem Ionenleiter ist notwen- digerweise mit einem elektrochemischen Prozeß verbunden. Dadurch kann es zur Korrosion der Elektrode und zur Entstehung toxischer Stoffe kommen.

Hier soll von einem anderen Verfahren die Rede sein, bei dem verhindert wird, daß elektrischer Strom durch die Schnittstelle Elektrode - Elektrolyt fließt. Zu diesem Zweck bedeckt man eine Siliziumelektrode mit einer dünnen Schicht aus isolierendem Siliziumoxid. Die Kopplung zwischen dem Silizium und einem aufgesetzten Neuron wird durch elektrische Influenz erreicht: (I) Auf das Silizium wird eine elektrische Ladung gebracht. Durch das Siliziumoxid und die Nervenmembran hindurch influenziert sie eine Komplementärladung im Neuron. (II) Eine Ladung wird auf das Neuron gebracht. Sie influenziert eine Komplementär- ladung im Silizium. In beiden Fällen ruft die influenzierte Ladung ein verstärktes Signal im Neuron (Aktionspotential) beziehungsweise im Silizium (Source-Drain-Strom) hervor, das leicht zu detektieren ist.

Bild 1: Neuron-Transistor. (A) Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Retzius-Nerven- zelle des Blutegels auf dem metallfreien Gate eines Feldeffekt-Transistors. Source und Drain des Transistors sind durch das Profil der Oberfläche gekennzeichnet. (B) Source-Drain-Strom eines Neuron-Transistors (obere Linie) und intrazelluläre Spannung (untere Linie). Die positiven Veränderungen der intrazellulären Spannung rufen eine Unterdrückung des Stroms im p-leitenden Kanal des Transistors hervor.

Neuron-Transistor
Im ersten Experiment haben wir eine Neuron-Silizium-Kopplung hergestellt. Die Nervenzelle aus einem Segmentalganglion des Blutegels wurde auf dem metallfreien Gate eines Feldeffekt- Transistors befestigt.(1) In Abbildung 1A ist ein elektronenmikroskopisches Bild des Systems zu sehen. Mittels Strominjektion durch eine eingestochene Mikroelektode wurden Aktionspotentiale ausgelöst. Die Korrelation zwischen der intrazellulären Spannung und dem Source-Drain-Strom zeigt Abbildung 1B.

Wir unterscheiden zwei Kopplungsarten: In B-Typ-Verbindungen entspricht die Modulation des Source-Drain-Stroms, wie Abbildung 1B zeigt, exakt der umgekehrten intrazellulären Spannung. In A-Typ-Verbindungen ist die Reaktion schwächer und ähnelt der negativen Steigerung der intrazellulären Spannung.

Um die Unterschiede der beiden Verbindungsarten zu kennzeichnen, haben wir die Signalübertragung vom Neuron auf das Silizium untersucht, indem wir unter Verwendung der Patch-clamp-Methode (whole cell mode) systematisch Wechselspannungen von 0,1 bis 5000 Hertz an das Neuron gelegt haben. Die Reaktion des Transistors wurde in bezug auf Amplitude und Phase aufgezeichnet. (2,3) Wie sich zeigte, unterscheidet sich die B-Typ- von der A-Typ-Verbindung durch einen erhöhten Widerstand des Spalts zwischen Zellmembran und Siliziumoxid und durch einen verminderten Widerstand der kontaktierten Zellmembran. Eine enge Adhäsion führt zu einer erhöhten Membranleitfähigkeit. Diese Modifikation der Membran ist reversibel. Wiederholte übergänge von der A-Typ zur B-Typ-Verbindung lassen sich einfach durch eine änderung der Kraft hervorrufen, mit der man die Zelle auf den Transistor drückt.(4)

Bild 2: Neuron-Stimulator. (A) Mikroskopische Aufnahme einer Retzius-Nervenzelle auf einem Stimulationsfleck mit eingestochener Mikroelektrode. Die radial verlaufenden Bahnen zeigen Regionen hochdotierten Siliziums an. In den kreisförmigen Feldern ist das Silizium durch eine dünne Oxidschicht isoliert. Der Rest des Chips ist mit einer dicken (1mm) Oxid- schicht bedeckt. (B) Intrazelluläre Spannung nach Anlegen von Spannungsstufen mit 4,8, 4,9 und 5,0 Volt am Stimulator. Wenn die Stimulation einen bestimmten Schwellenwert über- schreitet, tritt mit einer kleinen Verzögerung ein Aktionspotential auf.

Stimulation durch elektrische Influenz
In einem zweiten Experiment stellten wir eine Silizium-Neuron-Kopplung her. Eine Nervenzelle des Blutegels wurde auf einer kleinen Fläche aus stark dotiertem Silizium befestigt, das von einer dünnen Schicht Siliziumoxid bedeckt war (Stimulationsfleck).(5) Das System ist in Abbildung 2A dargestellt. An das Silizium wird ein Spannungssprung angelegt. Die Reaktion des Neurons wird durch eine eingestochene Mikroelektrode aufgezeichnet. Wenn der Reiz eine bestimmte Schwelle überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst (vgl. Abb. 2B).

Zur Kartierung der Zelladhäsion
Der aktive Bereich beider Systeme - des Transistors und des Stimulationsflecks - hat einen Durchmesser von ungefähr 5 bis 10 mm. Stimulation und Detektion durch Influenz wird bei kleinen Neuronen von Wirbeltieren nur möglich sein, wenn man kleinere Elemente verwendet. Deshalb haben wir Transistoren mit einer Gate-Größe von 2 mm hergestellt. Sie sind in einer Matrix von sechzehn Elementen angeordnet. Zu Testzwecken befestigen wir eine große Nervenzelle des Blutegels auf der ganzen Matrix. Wir waren in der Lage, eine vollständige Karte der elektrischen Verbindung im Adhäsionsbereich aufzuzeichnen.(6) Gegenwärtig werden in weiteren Experimenten mit den kleinen Elementen Messungen an Rattenneuronen vorgenommen.

Zweiwegeverbindung
Wir haben auch sehr kleine Stimulatoren hergestellt. In ihrer Nähe brachten wir auf dem Chip kleine Transistoren an. Ein großes Blutegelneuron wurde so befestigt, daß es beide Elemente bedeckte. Wir konnten in der Nervenzelle ein Aktionspotential auslösen und das Signal mit dem Transistor aufzeichnen.(7) Dieses System ist eine auf elektrischer Influenz basierende Zweiweg-Silizium-Neuron-Kommunikation.

Ausblick
Alle Neuron-Silizium-Kopplungen werden in Zellkulturen hergestellt, wobei die Oberflächen der einzelnen Silizium-Mikrostrukturen und der einzelnen Zellen unbedingt sauber sein müssen. Ein exakter und enger Kontakt von Membran und Siliziumoxid ist die Voraussetzung für eine wirksame Verbindung durch Influenz. Im Hinblick auf die Anwendung der Technik in einem Gewebe sind zwei Fragen zu beantworten: Ist es möglich, einen elektrochemisch stabilen, hochintegrierten Chip mit Tausenden oder Millionen von Kontaktstellen herzustellen? Ist es möglich, Tausende von Neuronen, die in die extrazelluläre Matrix und in Gliazellen eingebettet sind, in direkten Kontakt mit den aktiven Mikrostrukturen zu bringen?

Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt (Projekt Fr 348/9).

Literatur
(1). A Neuron-Silicon-Junction: A Retzius-Cell of the Leech on an Insulated-Gate Field-Effect Transistor.
P.Fromherz, A.Offenhäusser, T.Vetter, J.Weis, Science 252 (1991) 1290-1293

(2). Neuron-Transistor: Electrical Transfer Function measured by the Patch-Clamp Technique.
P.Fromherz, C.O.Müller, R.Weis, Phys.Rev.Lett. 71 (1993) 4079-4082

(3). Frequency Dependent Signal-Transfer in Neuron-Transistors.
R. Weis, P. Fromherz, Phys.Rev.E 55 (1997) 877-889

(4). Bistability of Membrane Conductance in Cell Adhesion observed in a Neuron-Transistor
M. Jenkner, P. Fromherz, Phys.Rev.Lett., 79 (1997) 4705-4708

(5). A Silicon-Neuron Junction: Capacitive Stimulation of an Individual Neuron on a Silicon Chip
P. Fromherz, A. Stett, Phys.Rev.Lett. 75 (1995) 1670-1673

(6). Neuron Adhesion on Silicon Chip probed by an Array of Field-Effect Transistors
R. Weis, B. Müller, P. Fromherz, Phys.Rev.Lett. 76 (1996) 327-330

(7). Two-Way Silicon-Neuron Interface by Electrical Induction
A. Stett, B. Müller, P. Fromherz, Phys.Rev.E 55 (1997) 1779-1782