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Mechanical stimulation and electrophysiological monitoring at subcellular resolution reveals differential mechanosensation of neurons within networks

电生理学 神经科学 机械反应 机械敏感通道 运动前神经元活动 索马 刺激 海马结构 生物物理学 化学 生物 离子通道 生物化学 受体
作者
Krishna Chaitanya Kasuba,Alessio Paolo Buccino,Julian Bartram,Benjamin M. Gaub,Felix J. Fauser,Silvia Ronchi,Sreedhar Saseendran Kumar,Sydney A. Geissler,Michele M. Nava,Andreas Hierlemann,Daniel J. Müller
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:19 (6): 825-833 被引量:14
标识
DOI:10.1038/s41565-024-01609-1
摘要

Abstract A growing consensus that the brain is a mechanosensitive organ is driving the need for tools that mechanically stimulate and simultaneously record the electrophysiological response of neurons within neuronal networks. Here we introduce a synchronized combination of atomic force microscopy, high-density microelectrode array and fluorescence microscopy to monitor neuronal networks and to mechanically characterize and stimulate individual neurons at piconewton force sensitivity and nanometre precision while monitoring their electrophysiological activity at subcellular spatial and millisecond temporal resolution. No correlation is found between mechanical stiffness and electrophysiological activity of neuronal compartments. Furthermore, spontaneously active neurons show exceptional functional resilience to static mechanical compression of their soma. However, application of fast transient (∼500 ms) mechanical stimuli to the neuronal soma can evoke action potentials, which depend on the anchoring of neuronal membrane and actin cytoskeleton. Neurons show higher responsivity, including bursts of action potentials, to slower transient mechanical stimuli (∼60 s). Moreover, transient and repetitive application of the same compression modulates the neuronal firing rate. Seemingly, neuronal networks can differentiate and respond to specific characteristics of mechanical stimulation. Ultimately, the developed multiparametric tool opens the door to explore manifold nanomechanobiological responses of neuronal systems and new ways of mechanical control.

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