Bioelectronic devices to measure Astrocyte-Neuron communication
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| Publication Date: | 2024 |
| Format: | Master thesis |
| Language: | eng |
| Source: | Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
| Download full: | https://hdl.handle.net/10316/117786 |
Summary: | Dissertação de Mestrado em Engenharia Biomédica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia |
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Bioelectronic devices to measure Astrocyte-Neuron communicationDispositivos Bioeletrónicos para medir a comunicação Astrócito-NeurónioBioelectronicsAstrocytesExtracellular SignalsBioeletrónicaAstrócitosSinais ExtracelularesDissertação de Mestrado em Engenharia Biomédica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaEsta dissertação tem como objetivo investigar e registar sinais bioelétricos ex-tracelulares em culturas de astrócitos, um tema que tem atraído crescente atenção na investigação em neurociência. A importância de estudar a comunicação entre astróci-tos assenta na hipótese de que estas células gliais desempenham um papel crucial na regulação das interações entre neurónios e na modelação dos circuitos neuronais.Ao contrário dos neurónios, os astrócitos não geram potenciais de ação. Em vez disso, acredita-se que comunicam com os neurónios e outros astrócitos através de os-cilações bioelétricas lentas e rítmicas. Alguns estudos sugerem que estas oscilações resultam de uma atividade sincronizada dos astrócitos. No entanto, o significado fun-cional e os mecanismos biológicos subjacentes — tais como os canais iónicos especí-ficos e os estímulos responsáveis por gerar estes sinais oscilatórios — permanecem inexplorados.Com base em trabalhos anteriores realizados pelo grupo de investigação anfi-trião, este trabalho utiliza métodos de registo extracelular com elétrodos desenhados para detetar pequenas oscilações bioelétricas em culturas de astrócitos. Embora estas oscilações já tenham sido observadas, o seu papel exato continua por esclarecer. Para aprofundar a nossa compreensão da comunicação entre astrócitos, são propostas duas hipóteses principais:Hipótese I: Os aglomerados de astrócitos sincronizam a sua atividade para pro-duzir oscilações elétricas extracelulares distintas.Hipótese II: Estas oscilações sincronizadas podem propagar-se por populações de células interligadas, formando uma onda elétrica.Para testar estas hipóteses, a equipa de investigação desenhou e fabricou elé-trodos com diferentes tamanhos e geometrias, explorando como estes parâmetros in-fluenciam a potência, duração e forma dos sinais registados. A relação entre as dimen-sões dos elétrodos e as características dos sinais baseia-se na premissa de que, quando as células sincronizam a sua atividade, o tamanho do aglomerado celular pode variar. Espera-se que elétrodos maiores captem sinais de aglomerados maiores, resultando em sinais de maior potência, enquanto elétrodos mais pequenos detetariam sinais de me-nor potência, provenientes de aglomerados menores. A tese centra-se em duas principais geometrias de elétrodos: elétrodos redon-dos com áreas variáveis e elétrodos com extensões circulares de diferentes larguras. Os elétrodos redondos foram utilizados para examinar como o tamanho do elétrodo afeta os sinais extracelulares, enquanto os elétrodos circulares foram desenhados para investigar a possível propagação de ondas viajantes através de redes de astrócitos.Além de investigar a relação entre as propriedades dos elétrodos e as caracte-rísticas dos sinais, este estudo inclui experiências que envolvem a estimulação quími-ca de culturas de astrócitos. Através da administração de diferentes fármacos, a inves-tigação visa demonstrar a capacidade de modular a atividade bioelétrica extracelular, mostrando que compostos específicos podem iniciar ou suprimir essa atividade.Esta tese também oferece uma visão abrangente das metodologias elétricas e dos designs de elétrodos utilizados para registar sinais de astrócitos, contribuindo para uma compreensão mais profunda das dinâmicas bioelétricas dentro destas culturas de células gliais.This thesis aims to record and investigate extracellular bioelectrical signals in populations of astrocytes, a topic that has gained increasing relevance in neuroscience research. The significance of studying astrocyte communication stems from the hy-pothesis that these glial cells play a crucial role in regulating neuron-to-neuron com-munication and in shaping and configuring neural circuits.Unlike neurons, astrocytes do not generate rapid electrical spikes. Instead, they are believed to communicate with nearby neurons and other astrocytes through slower, rhythmic electrical oscillations. Some studies suggest that these oscillations result from synchronized activity within clusters of astrocytes. However, the functional role and underlying biological mechanisms of these signals, such as the specific ion chan-nels and triggers responsible for generating discrete oscillatory signals, remain largely unexplored.Building on the prior work of the hosting research group, this thesis uses previ-ously developed methods for extracellular electrical recording using custom-designed electrodes capable of detecting small bioelectrical oscillations in astrocyte popula-tions. While these oscillations have been recorded, their precise function is still un-clear. To advance our understanding of astrocyte communication, two key hypotheses are proposed:Hypothesis 1: Astrocyte clusters synchronize their activity to produce discrete extracellular electrical oscillations.Hypothesis 2: The synchronized oscillations can propagate across connected cell populations in the form of an electrical wave.To test these hypotheses, the research team designed and fabricated electrodes with varying areas and geometries, investigating how these parameters affect the pow-er, duration, and shape of the recorded signals. The relationship between electrode dimensions and signal characteristics is grounded in the assumption that when cells synchronize their activity, the size of the participating cell cluster may vary. Larger electrodes are expected to capture signals from larger clusters, which should result in higher signal power, while smaller area electrodes would detect lower-power signals from smaller clusters. Consequently, a distribution of signal powers is anticipated, with larger-area electrodes expected to record more high-power signals compared to smaller-area electrodes.The thesis primarily focuses on two types of electrode geometries: round elec-trodes of varying areas and circular electrodes with differently-sized fingers. The round electrodes were used to study how electrode size influences extracellular sig-nals, while the fingered circular electrodes were specifically designed to investigate the presence of traveling waves across the astrocyte network.In addition to exploring the relationship between electrode properties and sig-nal characteristics, the research includes experiments involving chemical stimulation of astrocyte populations. By administering different drugs, the study seeks to demon-strate the ability to modulate extracellular bioelectrical activity, showing that specific compounds can either initiate or suppress this activity.This thesis also provides an overview of the electrical methodologies and elec-trode designs used for recording astrocyte signals, contributing to a deeper understand-ing of the bioelectrical dynamics within these glial cell populations2024-09-252030-09-24T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://hdl.handle.net/10316/117786https://hdl.handle.net/10316/117786TID:203826612engPonte, Inês Daniela Fernandes dainfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-04-02T17:35:22Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/117786Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:11:40.945760Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse |
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