Nanoelektroder registrerer tusindvis af forbundne pattedyrneuroner indefra

Hvordan vores hjerneceller, eller neuroner, bruge elektriske signaler til at kommunikere og koordinere for højere hjernefunktion er et af de største spørgsmål i hele videnskaben.

I årtier, forskere har brugt elektroder til at lytte med og optage disse signaler. Plasterklemmeelektroden, en elektrode i et tyndt glasrør, revolutionerede neurobiologien i 1970'erne med dens evne til at trænge ind i en neuron og optage stille, men tydelige synaptiske signaler inde fra cellen. Men dette værktøj mangler evnen til at optage et neuronalt netværk; den kan kun måle omkring 10 celler parallelt.

Nu, forskere fra Harvard University har udviklet en elektronisk chip, der kan udføre højfølsom intracellulær optagelse fra tusindvis af forbundne neuroner samtidigt. Dette gennembrud gjorde det muligt for dem at kortlægge synaptisk forbindelse på et hidtil uset niveau, identificere hundredvis af synaptiske forbindelser.

"Vores kombination af følsomhed og parallelitet kan gavne både fundamental og anvendt neurobiologi, inklusive funktionel konnektorkonstruktion og høj-throughput elektrofysiologisk screening, " sagde Hongkun Park, Mark Hyman Jr. professor i kemi og professor i fysik, og co-senior forfatter af papiret.

"Kortlægningen af ​​det biologiske synaptiske netværk muliggjort af denne længe efterspurgte parallelisering af intracellulær optagelse kan også give en ny strategi for maskinintelligens til at bygge næste generations kunstige neurale netværk og neuromorfe processorer, " sagde Donhee Ham, Gordon McKay professor i anvendt fysik og elektroteknik ved John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), og co-senior forfatter af papiret.

Forskningen er beskrevet i Natur biomedicinsk teknik .

Forskerne udviklede den elektroniske chip ved hjælp af den samme fremstillingsteknologi som computermikroprocessorer. Chippen har en tæt række af vertikalt stående elektroder i nanometerskala på overfladen, som drives af det underliggende højpræcisions integrerede kredsløb. Belagt med platinpulver, hver nanoelektrode har en ru overfladetekstur, hvilket forbedrer dens evne til at sende signaler.

Neuroner dyrkes direkte på chippen. Det integrerede kredsløb sender en strøm til hver koblet neuron gennem nanoelektroden for at åbne små huller i dens membran, skabe en intracellulær adgang. Samtidigt, det samme integrerede kredsløb forstærker også spændingssignalerne fra neuronen, der opfanges af nanoelektroden gennem hullerne.

"På denne måde kombinerede vi den høje følsomhed af intracellulær optagelse og paralleliteten af ​​den moderne elektroniske chip, " sagde Jeffrey Abbott, en postdoc ved Institut for Kemi og Kemisk Biologi og SEAS, og avisens første forfatter.

I eksperimenter, arrayet intracellulært registreret mere end 1, 700 rotte neuroner. Kun 20 minutters optagelse gav forskerne et aldrig før set kig på det neuronale netværk og gjorde det muligt for dem at kortlægge mere end 300 synaptiske forbindelser.

"Vi brugte også denne høje gennemstrømning, højpræcisionschip til at måle virkningerne af lægemidler på synaptiske forbindelser på tværs af rotteneuronnetværket, og nu udvikler vi et wafer-skala-system til high-throughput lægemiddelscreening for neurologiske lidelser såsom skizofreni, Parkinsons sygdom, autisme, Alzheimers sygdom, og afhængighed, " sagde Abbott.