Siliziumsonden für sorgfältige Aufnahmen

Der Schlüssel zum Verständnis des Nervensystems liegt in Simultanaufnahmen der Aktivität von zahlreichen Zellen. Das Projekt VSAMUEL richtete sich auf die Entwicklung eines innovativen, vielseitigen und modernen Aufzeichnungssystems für mehrere Stellen auf Grundlage der Mikrosystemtechnik.

Das Gehirn wird als das einzige unerforschte Objekt auf der Welt betrachtet. Die Geheimnisse der Funktion des Gehirns und des Nervensystems liegen in den unzähligen neuronalen Zellen, ihren Verbindungen und den daraus resultierenden Vernetzungen. Die Beobachtung des Verhaltens einzelner Zellen oder kleinerer Ansammlungen solcher Zellen, die oftmals eine Reaktion auf die hervorgerufene Stimulation eines bestimmten Verhaltens ist, erfordert die Verwendung von modernen Instrumenten. Ziel von VSAMUEL war die Entwicklung solcher Instrumente auf Grundlage von Mikroelektrodenarrays aus Silizium, die Multikanal-Aufzeichnungen von Nervengewebe im lebenden Organismus ermöglichen.

Die Mikrosystemtechnik (MST) bezieht sich auf miniaturisierte Systeme, die unter Verwendung mikromechanischer Technologie hergestellt wurden. Im Bereich der Neurobiologie ist die Simultanbeoachtung von mehreren Stellen bei minimalen Gewebeschäden von besonderer Bedeutung. MST eignet sich daher optimal für die Serienfertigung von Nervensonden mit mehreren Elektroden, die sowohl für die Aufzeichnung als auch die Stimulation verwendet werden. Im Rahmen des VSAMUEL-Projekts wurde ein neuartiger Mikrobearbeitungsprozess für die Serienfertigung von Nervensonden aus Silizium entwickelt.

Dieser Prozess basiert auf alternativen Verfahren (auf trockener Siliziumätzung basierende Prozesse), die im Vergleich mit den gebräuchlichsten Methoden (feuchte Siliziumätzung) mehrere interessante Eigenschaften mit Hinblick auf Designeinschränkungen, Komplexität, Einheitlichkeit und Herstellbarkeit zeigen. Der neue Prozess eignet sich für die Konstruktion und die Herstellung von gabelartigen Sonden, die aus Elektrodenarrays mit 32 und 64 Aufzeichnungsstellen bestehen. Außerdem wurde ein neuartiges Messverfahren für den Test der Mikroelektroden entwickelt.

Die Chips der Sonde sind auf einer flexiblen gedruckten Schaltung (FPC) angebracht, die speziell im Rahmen dieses Projekts angefertigt wurde. FPC ist eine spezielle Schaltkreis-Platinentechnologie, bei der Spuren auf flexible Materialien gedruckt werden. Hierin fand man eine Lösung für die Verbindung zwischen den Sonden und den verhältnismäßig großen Vorverstärkersystemen. Das vordere Ende der FPCs wurde so entwickelt, dass es an die Basisplatten und die Position der Siliziumsonden-Chips auf der Verbundmatte angepasst ist, während das hintere Ende auf eine Verbindung mit den Vorverstärkern zugeschnitten ist. Die FPC-Verbindungen werden sowohl für Versionen mit 32 als auch für Versionen mit 64 Kanälen hergestellt.

Das VSAMUEL-Projekt hat außerdem eine Lösung für das grundlegende Problem der Vielfalt der gewünschten räumlichen Elektrodenverteilungen in Übereinstimmung mit verschiedenen neurowissenschaftlichen Experimenten bereitgestellt. Festgelegte allgemeine Designs, die auf den Angaben von bestimmten wissenschaftlichen Gruppen basieren, sind für Einzelforschungen oftmals nicht geeignet. Eine neue Methode wurde entwickelt, die auf der Laser-Direktschreib-Lithographie (DWL) basiert und auf Anfrage bestimmte Elektroden aus einer standardisierten Reihe aktivieren kann.

Die aus dem Projekt resultierenden Prozesse und Produkte wurden getestet und bewertet und haben dabei erfolgsversprechende Ergebnisse erbracht. Die grundlegende neurowissenschaftliche Forschung, die pharmazeutische Forschung sowie die Arzneimittelentwicklung können die angebotenen Instrumente so gut wie möglich nutzen und damit ihre Aufzeichnungen und Experimente umfassend verbessern.