Suchen

Nanoerdbeben bringt neuronale Netze in Position Neuronen auf dem Klangteppich

| Autor / Redakteur: Klaus P. Premr* / Christian Lüttmann

Mit Schall Ordnung ins Chaos bringen, diesen Ansatz verfolgen Biophysiker aus Augsburg und Santa Barbara. Sie konnten nun gezielt Nervenzellen auf einem Chip positionieren, dessen Oberfläche sie durch Schallwellen formten. Diese dynamische Positionierung könnte neue Wege zum Verständnis und zur Beeinflussung neuronaler Netze eröffnen.

Firma zum Thema

Schematische Darstellung neuronaler Zellen auf einem Bio-Chip. Das angelegte Schallwellenfeld beeinflusst sowohl die Positionierung der Zelle als auch die Auswüchse der neuronalen Fortsätze, die diese Zellen verknüpfen.
Schematische Darstellung neuronaler Zellen auf einem Bio-Chip. Das angelegte Schallwellenfeld beeinflusst sowohl die Positionierung der Zelle als auch die Auswüchse der neuronalen Fortsätze, die diese Zellen verknüpfen.
(Bild: Christoph Hohmann, NIM)

Augsburg, Santa Barbara/USA – Töne, ob hörbar oder nicht, sind nichts weiter als Schwingungen. So bringt Schall eine Membran dazu, Wellentäler und -berge auszubilden. Dies haben sich Forscher der Universität Augsburg und ihre Kollegen von der University of California in Santa Barbara zunutze gemacht. Sie erzeugen durch das Anlegen eines passenden Hochfrequenzsignals „Nanoerdbeben“, die über Elektroden auf einen Mikrochip übertragen werden.

Mit solchen „Surface Acoustic Waves“, kurz SAWs, beeinflussen die Forscher auf dem Chip aufgetragene lebende neuronale Zellen. Bei Versuchen ordneten diese sich in dem Wellenmuster in periodischen Abständen an und folgten sogar mit den Zellfortsätzen der dynamischen Oberflächenstruktur, wie die Forscher um den Augsburger Biophysiker Prof. Dr. Achim Wixforth berichten. „Dies ist ein wichtiger Schritt Richtung so genannter Brain-On-A-Chip-Systeme und könnte elementar zum Verständnis der Prozesse im menschlichen Hirn beitragen“, bewertet Wixforth die Ergebnisse.

Vom Klang gefangen: Dynamische Positionierung von Neuronen

Auf der Grundlage der nanotechnologischen SAW-Methode haben die Forscher somit einen neuartigen, weil dynamisch einstellbaren Ansatz zur kontrollierten und gezielten Zellpositionierung entwickelt – inklusive anschließender Anhaftung und Kultur der Zellen auf einem Mikrofluidik-Chip. Durch akustisches Einfangen kleiner Polymerkügelchen und durch deren Positionierung in variablen Abständen haben die Nanophysiker die volle Breite der Adjustierungsmöglichkeiten demonstriert, die dieser neue Ansatz bietet.

Die Augsburger Forscher und ihre Kollegen aus Santa Barbara haben einer Pressemeldung zufolge auch die Langzeitbiokompatibilität von Behandlungen nachgewiesen, die auf dem Wachstum diverser auf dem Chip gezielt beeinflusster Zellarten basieren – etwa Knochenkrebszellen, Nierenzellen oder Neuronen.

Hier spielt die Musik – Ausrichtung der Zellfortsätze im Schallwellenfeld

„Das i-Tüpfelchen und wohl wichtigste Resultat unserer Arbeit ist die erfolgreiche Stimulation sehr empfindlicher, primärer neuronaler Zellen und der Auswüchse, die diese Zellen verbinden“, sagt Dr. Christoph Westerhausen von der Universität Augsburg. „Die Ausrichtung dieser Zell-Zell-Verbindungen stimmt in überzeugender Weise mit dem jeweils angelegten Schallwellenfeld und der daraus resultierenden Potenziallandschaft überein und erlaubt es, hier von der ersten Form eines mittels Schallwellen auf einem Chip generierten kleinsten neuronalen Netzwerks zu sprechen.“

Grenzen statischer Ansätze durch dynamische Methode überwinden

Neuronale Netze mit statischen Ansätzen herzustellen bzw. zu beeinflussen – z.B. durch entsprechende Strukturierungen der Chipoberfläche – stoße den Forschern zufolge schnell an Grenzen. „Mit unserer dynamischen Methode können wir diese Limitierung überwinden, um so der biophysikalischen Grundlagenforschung – etwa zur Korrelation von Struktur, Signalausbreitung und Funktion neuronaler Netzwerke – längerfristig neue und weitreichende Perspektiven zu bieten“, erläutert Westerhausens Kollege Manuel Brugger.

Medizintechnische Anwendungen, etwa durch gezielte Zellwachstumsbeeinflussungen bei Rückenmarksverletzungen, seien zwar noch Zukunftsmusik, aber durchaus denkbar. „Was den Ausbau unserer neuen Methode und vor allem deren potenzielle Anwendungen betrifft, sprudeln wir vor Ideen“, gibt Westerhausen an. „Mit dem Nachweis, dass mit unserer ‚Nanobeben‘- bzw. Surface-Acoustic-Waves-Technologie die gezielte und präzise Anordnung empfindlicher Neuronen machbar ist und dass mit ihr auch die Verknüpfungen der Neuronen gezielt beeinflusst werden können, haben wir jedenfalls einen wichtigen Grundstein für die weitere aussichtsreiche Grundlagenforschung und neue Anwendungsperspektiven auf diesem Gebiet gelegt.“

Originalpublikation: Manuel S. Brugger, Sarah Grundeen, Adele Doyle, Luke Theogarajan, Achim Wixforth, and Christoph Westerhausen: Orchestrating cells on a chip: Employing surface acoustic waves towards the formation of neural networks. Phys. Rev. E 98, 012411 – Published 18 July 2018; DOI: 10.1103/PhysRevE.98.012411

* K. P. Prem, Universität Augsburg, 86135 Augsburg

(ID:45436202)