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Modelado y simulación de la transmisión de señales eléctricas en la interfase: nanotubos de carbono - neurona para el diseño y la construcción de electrodos neuronales

ISRAEL MORALES REYES (2017)

Multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) have been proposed as a desirable material to fabricate the next generation of neural electrodes. In this work, NG108-15 cells were cultured over a plain MWCNT electrode (MWCNTe) surface. Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) illustrate that cells grew developing a complex network, with neurites getting close contact and strong adhesion to the electrode surface; these two last features are the key factor to obtain good records of the whole-cell ion current (Ic) with high signal to noise ratio (SNR). Then, we stimulate and record the electrophysiological activity of the cells through the electrode and observe that the MWCNTe does not alter or modify it. Based on experimental results, a specific Finite Element Method (FEM) model and simulation (developed during this work) the behavior of the whole system was described stage by stage to understand the processes when a voltage stimulus is applied. Results of theoretical modeling were in good agreement and supported by the experimental findings. Besides, it helps to describe the way in which electrical signals transmit through the interface between the MWCNTe and the NG108-15 cells and, evoke the electrophysiological activity of the last. The interface behavior was simulated at different operation conditions and in function of the cell and the electrode geometry characteristics and modifications. Each geometry of the interface was constructed as an independent component and finally integrated into a large multicomponent system in order to describe the real interface geometry. This knowledge could be crucial in the design and in the interpretation of any kind of nanostructured interface in such physiological systems. With our specially designed electrodes, we observe the dynamics of the ion currents and the magnitude and time course of an action potential (Ap) simultaneously using two independent Patch Clamp systems (Bi-Patch Clamp), also especially adapted in the thesis. A point contact model was used to describe the simultaneous recording of an induced Ap and the Ic which rises it by means of a simulation. We believe that the newly developed instrumentation, the experimental and the modeling and simulation procedures will contribute to a better understanding of the fundamental mechanisms involved in the cell interface communication, mainly in cell physiology, pharmacology studies and diseases diagnosis.

Los nanotubos de carbono de paredes múltiples han sido propuestos como un material interesante y novedoso en la construcción de la siguiente generación de los electrodos neuronales. En este trabajo se cultivaron células NG108-15 sobre la superficie de un electrodo de nanotubos de carbono de paredes múltiples y mediante microscopia de fuerza atómica y microscopía electrónica de barrido, se observa que las células crecieron desarrollando una extensa red de neuritas haciendo contacto íntimo con los nanotubos de carbono; lo que tiene como consecuencia que las células tengan una excelente adhesión con la superficie del electrodo. Estas características son importantes para obtener registros electrofisiológicos con una alta relación señal a ruido. Posteriormente, se estimuló y se registró la actividad electrofisiológica a través del electrodo y se observó que éste último no modifica las condiciones funcionales de la célula. Con el electrodo de nanotubos de carbono de paredes múltiples también fue posible registrar la dinámica de las corrientes iónicas de célula completa mientras que con un microelectrodo de vidrio se registró la magnitud y el curso temporal de los potenciales de acción de manera simultánea, utilizando dos sistemas de “Patch Clamp”. A continuación, un modelo de punto de contacto fue construido para describir este sistema. Por otra parte, se realizó el modelado y la simulación por el método de los elementos finitos de la interfase para describir su comportamiento cuando se estimulaba a la célula con un pulso de voltaje mediante el electrodo de nanotubos de carbono de paredes múltiples. En esta etapa se construyeron las geometrías de la célula, el electrodo y se utilizó el modelo de Hodgkin-Huxley así como la ecuación de continuidad para simular el comportamiento en el tiempo de la célula y del electrodo/medio extracelular respectivamente. Cada geometría de la interfase fue construida como un componente independiente y posteriormente integrado en un sistema que representa la geometría realista de esta; de esta manera, el comportamiento de la interfase fue simulado con diferentes condiciones de operación de acuerdo a las características geométricas. Se plantea que la instrumentación, el desarrollo experimental, el modelado y la simulación desarrollados en este trabajo contribuyen a comprender mejor los mecanismos involucrados en la transmisión de señales eléctricas en la interfase neuronal y son de utilidad en el diseño y el análisis de cualquier tipo de interfase nanoestructurada. Estos conocimientos pueden ser aplicados fundamentalmente en el estudio de la fisiología celular, estudios farmacológicos y en el diagnóstico de enfermedades. Es importante resaltar que el registro de las corrientes iónicas de célula completa obtenido experimentalmente fue hecho de manera extracelular, lo cual es novedoso y de gran utilidad pues permite monitorear la dinámica de estas corrientes durante la producción de potenciales de acción sin la necesidad de tener sistemas de registro complicados. Asimismo, la incorporación de geometrías reales obtenidas por microscopia de fuerza atómica a los modelos de trasmisión de señales eléctricas en la interfase neuronal es también novedoso y, como se puede observar en el trabajo, muestra claramente que existen diferencias en la respuesta celular al estímulo cuando se utiliza una geometría sencilla o una real.

Doctoral thesis

Neuroingeniería Nanotubos de carbono Materiales nanoestructurados INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA