Förderprojekte

Förderbeginn 01.01.2016

Erzeugung neuronaler Netzwerke durch Manipulation mit akustischen Oberflächenwellen

Prof. Dr. Christoph Westerhausen
Universität Augsburg
Lehrstuhl für Experimentalphysik I

Prof. Dr. Luke Theogarajan
University of California, Santa Barbara
Department of Electrical and Computer Engineering

Der Arbeitsgruppe von Dr. Westerhausen am Lehrstuhl von Prof. Wixforth an der Universität Augsburg gelang es kürzlich lebende Zellen in einem Chip-Labor zu stimulieren. Die Nachwuchsforscher Manuel Brugger und Melanie Stamp bewirken um bis zu 20% höhere Wachstumsraten adhärenter SaOs-2 Zellen durch Behandlung mit akustischen Oberflächenwellen. Zusätzliche Anpassung dieser dynamischen Stimulation z.B. an intrinsische Zeitskalen der Zellen und der Transfer auf Neuronen bergen daher immenses Potential. Die Expertise der Gruppe um Prof. Theogarajan liegt in der Entwicklung mikroelektronischer Geräte zur Interaktion mit Neuronen. In ihrem Labor an der UC Santa Barbara extrahieren sie Neuronen, sähen diese auf mikrostrukturierten Geräten zu definierten neuronalen Netzwerke aus und halten diese lange Zeit am Leben. Das große Ziel dieser Kooperation ist die dynamische Erzeugung und Kontrolle neuronaler Netzwerke mittels akustischer Oberflächenwellen durch die Bündelung der Expertise beider Gruppen. Wir sind überzeugt, die Technik nach Etablierung der Einzel-Neuronen Steuerung erfolgreich auf Netzwerke übertragen zu können um zu verstehen, wie neuronale Netzwerte verknüpft sind, interagieren und kommunizieren.

Abschlussbericht
Aktivitäten

Das Projekt hat die Erzeugung neuronaler Netzwerke durch Manipulation mit akustischen Oberflächenwellen (OFW, engl. Surface Acoustic Waves, SAW) zum Ziel. Die dynamische Erzeugung und Kontrolle solcher Netzwerke auf einem Chip soll durch die Bündelung der Expertise beider Gruppen gelingen. Hierzu fanden bereits zwei Forschungsaufenthalte Augsburger Physiker an der UCSB statt (Dr. C. Westerhausen und M. Brugger, April-Mai 2016; M. Brugger Mai-Juni 2017) sowie ein Gegenbesuch (S. Grundeen, Juli-August 2016). Im Labor an der UC Santa Barbara wurden Neuronen extrahiert und auf in Augsburg entworfenen und hergestellten SAW-Chips ausgesät und für bis zu 100 Stunden am Leben gehalten.

Output

Bereits unsere ersten Daten zeigten, dass die SAW-Behandlung nicht nur biokompatibel für immortalisierte Zelllinien wie SaOs2 oder HEK293T ist, sondern sich durchaus auch für äußerst empfindliche primäre Neuronen eignet. Darüber hinaus belegen diese ersten Daten bereits, dass die Neuronen durch das akustische Stehwellenfeld an vordefinierte Plätze manövriert und dort gehalten werden können, bis sie schließlich adhärieren und sogar neuronale Auswüchse bilden. Die Auswuchsrichtung zeigt hierbei eine klare Korrelation mit dem vorgegebenen akustischen Stehwellenfeld. Diese eindrucksvollen Daten führten zu einer gemeinsamen Publikation1, die gerade begutachtet wird. Darüber hinaus gelang es Manuel Brugger unlängst, eines der sehr umworbenen Promotionsstipendien des Studienförderwerks Klaus Murmann der Stiftung der Deutschen Wirtschaft einzuwerben!

Ausblick

Um das langfristige Ziel dieser Kooperation, die dynamische Erzeugung und Kontrolle neuronaler Netzwerke mittels akustischer Oberflächenwellen zu erreichen, wurde auf der Grundlage dieses BaCaTeC Projekts ein DFG Antrag auf Sachbeihilfe eingereicht, welcher derzeit ebenfalls gerade begutachtet wird. Wir sind überzeugt, die Technik nach Etablierung der Einzel-Neuronen Steuerung auch erfolgreich auf ausgedehntere Netzwerke übertragen zu können um zu verstehen, wie solche neuronalen Netzwerke verknüpft sind, interagieren und kommunizieren.

[1] M. S. Brugger, S. Grundeen, A. Doyle, L. Theogarajan, A. Wixforth and C. Westerhausen, “Orchestrating cells on a chip: employing surface acoustic waves towards the formation of neural networks”, under review, 2018.