Team:Valencia/Hardware

Experimental Set Up

[under construction. Feel free to read an article while its being developed]

Our team prides itself in finding ways to link electronics to biology in a direct and innovative fashion. As a consequence we spent considerable time developing circuits and equipment allowing for quick and robust control of cellular physiology.

• Direct electrical stimulation of cells

The first part of hardware design is an electronic amplifier capable of delivering range of voltages between 0 and 13 volts. It is based on an inverting amplifier (fig. 1). The input voltage comes from a sound card – a commonly accessible and low cost digital to analog converter. It allows us to control the waveform in an arbitrary fashion using a simple Matlab script.

The output is connected to platinum electrodes inserted into a buffer over either muscular, neuronal or yeast cells. We stimulate cells with delta-function pulses every second (or a few of them) to get continuous calcium influx. While muscular and neuronal cells respond to this kind of stimulus naturally, yeast will require some work. We hope that electrical stimulation of yeast could be obtained thanks to a heat-shock response (read more in modeling section) or reported calcium response to electroporation.

Electroestimulador para levadura.

Nuestro equipo ha desarrollado un circuito electrónico capaz de enviar impulsos eléctricos a la levadura, en un gran rango de voltajes [0-100] V , y gran precisión en el tiempo de aplicación de estos, ya que pueden llegar hasta los unos pocos milisegundos.Al igual que nuestro diseño inicial para neuronas y músculos ( el cual estaba más restringido en cuanto a voltajes y potencias), este circuito solo sirve para controlar un pixel de forma independiente, pero pude controlarse fácilmente desde cualquier ordenador.

En este circuito hay dos partes bien diferenciadas;

La parte de aplicación, donde destaca una fuente de tensión regulable y los electrodos mediante los cuales estimularemos nuestras células.

La otra parte es la de control, ambas están acopladas mediante un optoacoplador, que hace la función de interruptor electrónico y está formado por un diodo led (en la parte de control) y un fototransistor (parte de aplicación). Este deja pasar corriente de colector a emisor mientras el diodo esté iluminado. Para estimular el diodo controlando el tiempo de aplicación con precisión, utilizamos la tarjeta de sonido (que tiene una elevada frecuencia) comandada mediante la función “sound” de Matlab, pero como la naturaleza del sonido es sinusoidal y por lo tanto también la tensión que sale de la tarjeta de sonido, necesitamos incorporar a nuestro circuito de control un rectificador-filtro, para conseguir que nuestra señal sea lo más continua posible. Además la tensión que proporciona la tarjeta de sonido es insuficiente para activar el optoacoplador, es por eso que utilizamos dos amplificadores operacionales, uno como amplificador y otro simplemente como seguidor de tensión. Los amplificadores están alimentados con 5 voltios y masa, de esta forma tendremos 5 voltios a la salida del operacional, cuando la tarjeta de sonido este activa y 0 voltios cuando este inactiva.

This design only allows for stimulating one channel at once. While it is useful for proof-of-principle experiments, if we want to make a working screen, we will need an array of electrodes connected to a multiplexer. We are currently developing a device capable of stimulating tens of pixels at once.