В Гарварде создали кремниевый чип, который картировал 70 тыс. связей между нейронами в мозге

Исследователи из Гарварда разработали усовершенствованный кремниевый чип с микроотверстиями на электродах. Он позволяет картировать более 70 тыс. синаптических связей между нейронами крысы. Этот прорыв, превосходящий предыдущие методы как по точности, так и по масштабу, приближает ученых к пониманию того, как нейроны соединяются и общаются.

Исследователи из Гарварда успешно картировали и каталогизировали более 70 тыс. синаптических связей из примерно 2 тыс. нейронов крысы. Они достигли этого с помощью кремниевого чипа, способного обнаруживать небольшие, но значимые синаптические сигналы от большого количества нейронов одновременно.

Исследование представляет собой значительный прогресс в нейронной регистрации. Оно может приблизить ученых к созданию подробной карты синаптических связей, предлагая более глубокое понимание того, как общаются нейроны.

Функции мозга более высокого порядка зависят от того, как нейроны соединяются и взаимодействуют. Эти соединения возникают в синапсах. Ученые стремятся создать синаптические карты, которые не только показывают, какие нейроны связаны, но и раскрывают силу этих связей.

Хотя электронная микроскопия оказалась весьма эффективной для визуализации синаптических структур, она не может измерить силу связи, что ограничивает ее способность полностью объяснить, как функционируют нейронные сети.

Более точный метод, известный как patch-clamp recording, считается золотым стандартом для изучения синаптической активности. Он может проникать в отдельные нейроны, чтобы захватывать слабые синаптические сигналы с высокой чувствительностью, помогая исследователям идентифицировать и измерять силу связи.

Однако применение этого метода к большим сетям нейронов одновременно было постоянной проблемой. До сих пор ученые боролись за регистрацию внутриклеточных сигналов от более чем нескольких нейронов одновременно, что ограничивало их способность строить крупномасштабные, функционально аннотированные нейронные карты.

Исследователи под руководством Донхи Хэма, профессора инженерии и прикладных наук имени Джона А. и Элизабет С. Армстронг в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали массив из 4 тыс. микроотверстий-электродов на кремниевом чипе. Он выполнял массивную параллельную внутриклеточную запись нейронов крысы, культивируемых на чипе. Из этих данных они извлекли более 70 тыс. синаптических связей из примерно 2 тыс. нейронов.

Работа основана на прорывном устройстве команды 2020 года — массиве из 4 тыс. вертикальных наноигольчатых электродов, торчащих из кремниевого чипа той же конструкции интегральной схемы.

В этом предыдущем устройстве нейрон мог обернуться вокруг иглы, чтобы обеспечить внутриклеточную запись, которая была распараллелена через большое количество электродов. В лучшем случае они могли извлечь около 300 синаптических связей из данных записи — все еще намного больше того, что может достичь запись с патч-клампом.

Имея на руках базовую предпосылку, команда подозревала, что они могут добиться большего. Соавторы Джун Ван и Ву-Бин Юнг из группы Хэма в SEAS руководили проектированием и изготовлением массива электродов с микроотверстиями на кремниевом чипе, электрофизиологической записью и анализом данных.

Они управляли чипом, чтобы осторожно открывать клетки с помощью небольших инъекций тока через электроды, чтобы параллелизовать их внутриклеточную запись. Постдокторант Ван сказал, что конструкция микроотверстия похожа на электрод с патч-клампом, который по сути представляет собой стеклянную пипетку с электродом и отверстием на конце.

«Микроотверстия электродов не только лучше соединяются с внутренностями нейронов, чем вертикальные наноигольчатые электроды, но их также гораздо проще изготовить. Эта доступность — еще одна важная особенность нашей работы», — заявил он.

Новый дизайн превзошел ожидания команды. В среднем более 3,6 тыс. (90%) микроотверстий-электродов были внутриклеточно связаны с нейронами наверху. Количество синаптических связей, которые команда извлекла из этих данных внутриклеточной записи по всей сети, возросло до 70 тыс. вероятных синаптических связей по сравнению с примерно 300 с их предыдущей решеткой наноигольчатых электродов. Качество данных записи также было лучше, что позволило команде классифицировать каждую синаптическую связь на основе ее характеристик и силы.

«Встроенная электроника в кремниевом чипе играет такую ​​же важную роль, как и микроотверстия электрода, обеспечивая слабые токи сложным способом для получения внутриклеточного доступа и одновременно регистрируя внутриклеточные сигналы», — сказал Юнг, бывший научный сотрудник, а теперь преподаватель Пхоханского университета науки и технологий в Южной Корее.

По словам Хэма, одной из самых больших проблем после того, как они добились успеха в массовой параллельной внутриклеточной записи, было то, как анализировать подавляющее количество данных. «С тех пор мы прошли долгий путь, чтобы получить из них представление о синаптических связях. Сейчас мы работаем над новой конструкцией, которую можно будет внедрить в живой мозг», — заключил он.

Ранее исследователи обнаружили, что мышам, испытывающим стресс, требуется более громкий звук, чтобы вызвать нормальную реакцию мозга. Этот сдвиг, по-видимому, связан с тем, что одни клетки мозга становятся чрезмерно активными, а другие подавляются, что изменяет процесс обработки звуков.