Hoe onze hersencellen, of neuronen, elektrische signalen gebruiken om te communiceren en te coördineren voor een hogere hersenfunctie is een van de grootste vragen in de hele wetenschap.

Al decenia, onderzoekers hebben elektroden gebruikt om deze signalen af ​​te luisteren en op te nemen. De patchklemelektrode, een elektrode in een dunne glazen buis, bracht een revolutie teweeg in de neurobiologie in de jaren 70 met zijn vermogen om een ​​neuron binnen te dringen en stille maar veelbetekenende synaptische signalen vanuit de cel op te nemen. Maar deze tool mist de mogelijkheid om een ​​neuronaal netwerk op te nemen; het kan slechts ongeveer 10 cellen parallel meten.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Harvard University hebben een elektronische chip ontwikkeld die tegelijkertijd zeer gevoelige intracellulaire opnames kan maken van duizenden verbonden neuronen. Deze doorbraak stelde hen in staat om synaptische connectiviteit op een ongekend niveau in kaart te brengen, het identificeren van honderden synaptische verbindingen.

"Onze combinatie van gevoeligheid en parallellisme kan zowel de fundamentele als de toegepaste neurobiologie ten goede komen, inclusief functionele connectome constructie en high-throughput elektrofysiologische screening, " zei Hongkunpark, Mark Hyman Jr. hoogleraar scheikunde en hoogleraar natuurkunde, en co-senior auteur van het artikel.

"Het in kaart brengen van het biologische synaptische netwerk, mogelijk gemaakt door deze lang gezochte parallellisatie van intracellulaire opname, kan ook een nieuwe strategie bieden voor machine-intelligentie om de volgende generatie kunstmatige neurale netwerken en neuromorfische processors te bouwen, " zei Donhee Ham, Gordon McKay hoogleraar toegepaste natuurkunde en elektrotechniek aan de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en co-senior auteur van het artikel.

Het onderzoek is beschreven in Natuur Biomedische Technologie .

De onderzoekers ontwikkelden de elektronische chip met dezelfde fabricagetechnologie als computermicroprocessors. De chip heeft een dichte reeks verticaal staande elektroden op nanometerschaal op het oppervlak, die worden bediend door de onderliggende zeer nauwkeurige geïntegreerde schakeling. Bedekt met platinapoeder, elke nano-elektrode heeft een ruwe oppervlaktestructuur, waardoor het vermogen om signalen door te geven verbetert.

Neuronen worden direct op de chip gekweekt. Het geïntegreerde circuit stuurt een stroom naar elk gekoppeld neuron via de nano-elektrode om kleine gaatjes in het membraan te openen, het creëren van een intracellulaire toegang. Tegelijkertijd, hetzelfde geïntegreerde circuit versterkt ook de spanningssignalen van het neuron dat door de nano-elektrode door de gaten wordt opgepikt.

"Op deze manier hebben we de hoge gevoeligheid van intracellulaire opname gecombineerd met het parallellisme van de moderne elektronische chip, " zei Jeffrey Abbott, een postdoctoraal fellow bij de afdeling Chemie en Chemische Biologie en SEAS, en de eerste auteur van het artikel.

Bij experimenten, de array heeft intracellulair meer dan 1 geregistreerd 700 rattenneuronen. Slechts 20 minuten opname gaf onderzoekers een nooit eerder geziene blik op het neuronale netwerk en stelde hen in staat om meer dan 300 synaptische verbindingen in kaart te brengen.

"We hebben deze hoge doorvoer ook gebruikt, zeer nauwkeurige chip om de effecten van medicijnen op synaptische verbindingen over het neuronale netwerk van ratten te meten, en nu ontwikkelen we een systeem op wafelschaal voor high-throughput drugsscreening voor neurologische aandoeningen zoals schizofrenie, Ziekte van Parkinson, autisme, Ziekte van Alzheimer, en verslaving, ' zei Abbott.