The effect of geometry on cell activity for crosstalk avoidance using a stimulated brain co-culture system on a multielectrode array

Abstract

İn vitro beyin ortak kültür sistemlerinde aksonların tek yönlü ve bağımsız büyümesi, minimum çapraz konuşma ve kanal etkileşimi olmadan kaynaktan hedefe bağımsız sinyalleri iletebilen bir sinyal iletim platformu oluşturmak için çok önemlidir. Bu tezde, birincil talamus hücreleri, ekilen kaynak ve hedef hücreler arasında sağlanan sinaps oluşumu yoluyla LGN'inle oluşturulan ara yüzü taklit etmeyi amaçlayarak çok elektrotlu diziler üzerinde kültürlendi. Elektriksel stimülasyon ve temel aktivite kayıtları analiz edilerek hücre aktivitesi ve çapraz konuşma gözlemlendi. Farklı tasarım parametrelerinin etkisi altında akson büyüme yönlülüğünü gözlemlemek için çeşitli tasarımların akson yönlendirici PDMS mikroyapıları test edildi. Elde edilen sonuçlara göre aksonları doğru yönlendirmede iyi performans gösteren kurtarma döngüleri ve birleştirme yapıları ve kanal genişliğindeki değişiklikler tasarım perfor- mansını etkilemiştir. Bu tezdeki yaklaşımla, DBS elektrotlarının düşük yer-zaman çözünürlüğü ile ilgili engellerin, elektrotları beynin dışına taşıyarak, spesifik elektrot konumlarını tanımlama esnekliği ve çapraz konuşmayı önlemek için nöron yalıtımı sağlayarak üstesinden gelmek mümkündür.

Unidirectional and independent growth of axons in in-vitro brain co-culture systems is crucial to establish a signal transmission platform which is capable of transmitting independent signals from source to target with minimum to no cross-talk and channel interference. In this thesis, primary thalamus cells were cultured on multielectrode arrays, aiming to mimic interfacing the LGN through enhanced synapse formation between the seeded source and target cells. Electrical stimulation and baseline activity recordings were analyzed to track cell activity and cross-talk. Axon-guiding microstructures of various designs were tested to observe axon growth directionality under the effect of different design parameters. According to the obtained results, rescue loops and merging structures performed well in guiding the axons in correct directions and changes in channel width influenced the design performance. With the approach in this thesis, it is possible to overcome the hurdles related to the low spatiotemporal resolution of DBS electrodes by carrying the electrodes outside of the brain which gives flexibility to define specific electrode positions and neuron insulation for cross-talk prevention.