На протяжении десятилетий исследователи использовали электроды для прослушивания и записи этих сигналов. Патч-зажим, электрод в тонкой стеклянной трубке, произвел революцию в нейробиологии в 1970-х годах благодаря своей способности проникать в нейрон и записывать тихие, но характерные синаптические сигналы изнутри клетки. Но у этого инструмента нет возможности записывать нейронную сеть; он может измерять только около 10 ячеек параллельно.
Теперь исследователи из Гарвардского университета разработали электронный чип, который может выполнять высокочувствительную внутриклеточную запись с тысяч подключенных нейронов одновременно.
Этот прорыв позволил им отобразить синаптические соединения на беспрецедентном уровне, идентифицировав сотни синаптических соединений.
«Наша комбинация чувствительности и параллелизма может принести пользу как фундаментальной, так и прикладной нейробиологии, включая конструкцию функционального коннектома и высокопроизводительный электрофизиологический скрининг», – сказал Хункун Парк, Марк Хайман-младший.
Профессор химии и профессор физики, соавтор статьи.
«Картирование биологической синаптической сети, которое стало возможным благодаря такому долгожданному распараллеливанию внутриклеточной записи, также может обеспечить новую стратегию для машинного интеллекта по созданию искусственной нейронной сети следующего поколения и нейроморфных процессоров», – сказал Донхи Хэм, профессор прикладной науки Гордона Маккея.
Физика и электротехника в Университете Джона А. Школа инженерных и прикладных наук Полсона (SEAS) и соавтор статьи.
Исследование описано в Nature Biomedical Engineering.
Исследователи разработали электронный чип, используя ту же технологию изготовления, что и компьютерные микропроцессоры.
Чип имеет плотный массив вертикально стоящих электродов нанометрового размера на своей поверхности, которые управляются лежащей в основе высокоточной интегральной схемой. Каждый наноэлектрод, покрытый платиновым порошком, имеет шероховатую поверхность, что улучшает его способность передавать сигналы.
Нейроны культивируются прямо на чипе.
Интегральная схема посылает ток к каждому связанному нейрону через наноэлектрод, чтобы открыть крошечные отверстия в его мембране, создавая внутриклеточный доступ. Одновременно эта же интегральная схема также усиливает сигналы напряжения от нейрона, улавливаемые наноэлектродом через отверстия.
«Таким образом мы объединили высокую чувствительность внутриклеточной записи и параллелизм современного электронного чипа», – сказал Джеффри Эбботт, научный сотрудник кафедры химии и химической биологии и SEAS, и первый автор статьи.
В экспериментах массив внутриклеточно зарегистрировал более 1700 нейронов крыс. Всего 20 минут записи дали исследователям невиданный ранее взгляд на нейронную сеть и позволили им сопоставить более 300 синаптических связей.
«Мы также использовали этот высокопроизводительный и высокоточный чип для измерения воздействия лекарств на синаптические связи в нейронной сети крысы, и теперь мы разрабатываем масштабную систему для высокопроизводительного скрининга лекарств на неврологические расстройства, такие как шизофрения. , Болезнь Паркинсона, аутизм, болезнь Альцгеймера и зависимость, – сказал Эбботт.
Соавторами этой работы также являются Тяньян Е, Кейт Кренек, Рона С. Гертнер, Стивен Бан, Юбин Ким, Лин Цинь и Вэньсюань У.
Исследование было поддержано Samsung Advanced Institute of Technology of Samsung Electronics, Catalyst Foundation, Исследовательским офисом армии США, Национальным научным фондом, Национальными институтами здравоохранения и Фондом Гордона и Бетти Мур.