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Deciphering Neuronal Networks: Advancing Technology and Model Systems

English title Deciphering Neuronal Networks: Advancing Technology and Model Systems
Applicant Hierlemann Andreas
Number 188910
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Computational Systems Biology Department of Biosystems, D-BSSE ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Microelectronics. Optoelectronics
Start/End 01.10.2020 - 30.09.2024
Approved amount 967'364.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Microelectronics. Optoelectronics
Biophysics
Neurophysiology and Brain Research

Keywords (6)

Microelectrode arrays; Microtechnology & Microelectronics ; Electrophysiology; Neuronal cells and circuits; Human induced pluripotent stem cells (hIPSCs)

Lay Summary (German)

Lead
Erforschung neuronaler Netzwerke durch einerseits Technologieentwicklung und andereseits die Verwendung neuer neuronaler Modellsysteme (Neuronen, die aus humanen induzierten Stammzellen hergestellt wurden).
Lay summary

Die Motivation des Projektes resultiert aus der Tatsache, dass die elektrischen Signale von Neuronen einerseits aus Aktionspotentialen mit relativ grosser Amplitude bestehen, die mit Mikroelektrodenanordnungen gemessen werden können, und andererseits aber auch schwächere, sogenannte «Subthreshold» Signale einschliessen, die eine sehr geringe Amplitude haben und mit solchen Mikroelektrodenanordnungen ausserhalb des Neurons nicht erfassbar sind.

Das Projekt umfasst daher einerseits die Entwicklung von Technologien, um solche «Subthreshold» Signale zu messen und andererseits die Entwicklung und Verwendung neuer neuronaler Modellsysteme, nämlich von Neuronen, die aus humanen induzierten Stammzellen hergestellt wurden. Dazu werden entweder menschliches Blut oder Hautzellen verwendet.

Die Technologieentwicklung umfasst geeignete Mikro- und Nanoelektrodenstrukturen, die extra- und intrazelluläre Messungen erlauben, im Idealfall einfach herzustellende dendritische Platinschwarz-Abscheidungen auf sehr kleinen Elektroden. Alternativen sind Nanonadeln, Nanoröhrchen oder pilzähnliche Mikrostrukturen. Die Charakterisierung der Neuronen aus humanen induzierten Stammzellen schliesst die Aufzeichnung und Analyse elektrischer Signale über mehrere Ebenen, von neuronalen Netzwerken zu Signaldetails individueller Neuronen und sogar von Zellkompartimenten (Soma, Axon, Dendriten) ein. Die entsprechenden neuronalen Zellsysteme sind von gesunden und kranken Spendern verfügbar, so dass auch krankheitsbedingte Veränderungen charakterisiert werden können.

Potentielle Anwendungen der entwickelten Technologie und Modellsysteme sind die Erforschung neuronaler und neurodegenerativer Krankheiten, das Testen potentieller Medikamente für solche Krankheiten sowie Anwendungen in der personalisierten Medizin.

Direct link to Lay Summary Last update: 20.12.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
173728 Visual processing in foveated retinæ in the presence of self-motion 01.01.2018 Sinergia
157092 Microtechnology and microelectronics to study mammalian axons 01.09.2015 Project funding (Div. I-III)
166329 “Infected Body-on-a-Chip”: Microfluidic Impedance Platform for Antischistosomal Drug Discovery 01.11.2016 Interdisciplinary projects
198231 Large-chamber high-resolution field-emission scanning electron microscope and focused ion beam system 01.06.2021 R'EQUIP

Abstract

Motivated by the fact that a comprehensive neuron and neuronal-network characterization will largely benefit from gaining access to the rich subthreshold signaling repertoire of hundreds to thousands of neurons within their networks, and motivated by recent activities to develop human model systems for neurological disorders, we propose a project that combines technology development with characterization of neurons and neuronal networks of human origin.Our main objective is to advance knowledge in electrophysiology, connectivity and information processing of neurons and neuronal networks. To achieve this goal, we propose to perform (i) technology development, i.e., the development of electrode structures and circuits for CMOS-based high-density microelectrode arrays (HD-MEAs) to perform combined intra- and extracellular measurements at hundreds of sites (every electrode can be used for extra- and intracellular readout), and (ii) research in and characterization of neurons and neuronal networks derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). The proposed hiPSC-work will range from HD-MEA-based characterization of subcellular components through single neurons to larger networks and will include healthy and diseased states, i.e., cells and networks obtained from cells of healthy donors or patients. The proposed interdisciplinary work will provide new microtechnology-based methodologies along with needed signal evaluation and data analysis algorithms. It has technological and scientific enabling character and will bring new insights into details and fundamentals of neuron/network features and neuronal connectivity. Moreover, the methodology developed in this project bears the potential to serve a broad range of applications, including biomedical applications, such as detailed investigations of the mechanisms underlying neurodegenerative diseases and effects of potential cures, as well as applications in personalized medicine or pharmascreening of compounds with different types of electrogenic cells, most importantly neurons but also cardiac cells.
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