Development and automatization of MEA testing environment

Abstract

Microelectrode arrays (MEAs) are vital tools for studying cellular electrical communication, particularly in neuroscience and cardiology. These arrays, featuring multiple microelectrodes, enable the stimulation and recording of electrical activity in MEAs. The electrical activity of cells and tissues on top of the MEA plate can be studied with the MEA setups. This thesis explores an MEA testing environment that integrates various components such as the MEA plate holder, data acquisition unit (DAQ), needle-like dipole source, and microactuators. The moving dipole source above the MEA is a unique system. The thesis focuses on software development to control the microactuators from a created graphical user interface (GUI) and signal processing which aims to find a method to align the coordinate systems of MEA and microactuator from the measured data. The GUI was built on top of a previous software implementation for a similar microactuator system. Pre-programmed paths were added to the GUI program to gather measurement data. This thesis provides a simple method for calculating the center of a single electrode in the MEA from the collected data. By analyzing the measurement data with the help of pre-programmed path-ways, the origin of the coordinate systems of MEA and the microactuator system can be aligned. The dipole source can be targeted more precisely on top of the wanted electrode by combining the two coordinate systems. The created GUI and the program operate the microactuators successfully. The invented MATLAB program can find the center point of an electrode in the microactuator's coordinate system from the measured data with the MEA testing environment setup. To get more reliable results, further development needs to be done in signal quality and signal processing. By advancing experimental methodologies, this thesis contributes to understanding MEA systems properties and transition from 2D to 3D in vitro electrode measurements.

Mikroelektrodimatriisit (MEAt) ovat työkaluja solujen välisen sähköisen kommunikoinnin tutkimuksessa, erityisesti neurotieteissä ja kardiologiassa. Nämä matriisit, joissa on useita mikroelektrodeita, mahdollistavat sähköisen stimuloinnin ja mittaamisen useista eri kohdista MEAn yläpuolella. Erilaisten MEA-levyjen avulla voidaan tutkia solujen ja kudosten sähköistä vuorovaikutusta. Tässä tutkielmassa tutustutaan MEA-testausympäristöön, joka sisältää tutkittavan MEA-levyn pidikkeen, datankeräysyksikön (DAQ), neulan tapaisen dipolilähteen ja mikrotoimilaitteiston. Testiympäristön käyttämä liikuteltava dipolilähde MEAn yläpuolella on ainutlaatuinen sovellus, joka tarjoaa mahdollisuuden monipuolisiin mittauksiin. Tämä kandidaatin tutkielma keskittyy ohjelmistokehitykseen mikrotoimilaitteiden ohjaamiseksi graafisen käyttöliittymän (GUI) kautta sekä signaalinkäsittelyyn, jossa pyrittiin löytämään menetelmä MEAn ja mikrotoimilaitteen koordinaatistojen yhdistämiseen mittausdatan avulla. Käyttöliittymä on rakennettu aiemmin toteutetun ohjelmiston päälle, joka ohjaa samanlaisia mikrotoimilaitteita. Käyttöliittymään lisättiin esiohjelmoituja reittejä, joiden avulla pystyttiin keräämään mittausdataa. Tutkielmassa esitetään yksinkertainen menetelmä, jolla voidaan löytää yksittäisen elektrodin keskikohta mitatun signaalin avulla. Löytämällä käytetyn MEA-levyn maaelektrodin keskikohta pystytään mikrotoimilaitteen ja MEAn koordinaatistojen origot yhdistämään. Yhdistämällä nämä kaksi koordinaatistoa dipolilähde voidaan kohdistaa tarkemmin haluttuun kohtaan mitattavan elektrodin yläpuolelle. Työssä tehty GUI ja sen ohjelma ohjaavat mikrotoimilaitteita onnistuneesti. Kehitetty MATLAB-ohjelma löytää elektrodin keskikohdan mikrotoimilaitteiston koordinaatistossa testiympäristöllä mitatusta datasta. Jatkokehitystä signaalin laadun ja signaalin prosessoinnin parantamiseksi tulee tehdä, jotta tuloksista saadaan vielä luotettavampia. Kehittämällä tätä kokeellista menetelmää tutkielma auttaa MEA-levyjen tutkimusta ja kehitystyötä, mahdollistaen siirtymisen 2-ulotteisista 3-ulotteisiin in vitro -elektrodien mittauksiin.