חוקרי הרווארד מיפו וקטלגו יותר מ- 70,000 חיבורים סינפטיים מכ -2,000 נוירונים חולדה, תוך שימוש בשבב סיליקון המסוגל לרשום אותות סינפטיים קטנים ועם זאת מספרים ממספר גדול של נוירונים.
המחקר, שפורסם ב הטבע הנדסה ביו -רפואית, הוא התקדמות משמעותית בהקלטה עצבית ועשויה לעזור לקרב את המדענים צעד קרוב יותר לציור מפת חיבור סינפטית מפורטת של המוח.
על פי ההערכה, תפקודי מוח מסדר גבוה יותר נגזרים מהדרכים של תאי מוח, או נוירונים, קשורים. נקודות מגע נוירון לנוירון נקראות סינפסות, ומדענים מבקשים לצייר מפות חיבור סינפטיות המראות לא רק אילו נוירונים מתחברים לאילו נוירונים אחרים, אלא גם עד כמה כל חיבור חזק.
בעוד שמיקרוסקופיית אלקטרונים שימשה בהצלחה רבה בכדי ליצור מפות חזותיות של חיבורים סינפטיים, תמונות אלה חסרות מידע על חוזקות חיבור ובכך על התפקוד האולטימטיבי של הרשת העצבית.
לעומת זאת, אלקטרודה מהדק טלאים, תקן הזהב בהקלטה עצבית, יכולה להיכנס ביעילות לנוירון אינדיבידואלי כדי לרשום אות סינפטי קלוש עם רגישות גבוהה, וכך יכול למצוא חיבור סינפטי ולספר את כוחו.
מדענים ניסו זה מכבר ליישם הקלטה תוך תאית כל כך ברגישות גבוהה על מספר גדול של נוירונים במקביל, על מנת למדוד ולאפיין מספר גדול של אותות סינפטיים ובכך לצייר מפה המוצגת עם חוזקות חיבור. אך לעיתים רחוקות הם התקדם רחוק יותר מאשר להשיג גישה תוך תאית מקומץ נוירונים בבת אחת.
החוקרים, בראשות דונהי חאם, ג'ון א 'ואליזבת ס. ארמסטרונג פרופסור להנדסה ומדעים יישומיים בבית הספר להנדסה ומדעי ההנדסה של הרווארד ג'ון א. פולסון (SEA), פיתחו מגוון של 4,096 אלקטרודות מיקרו -חור על סיליקון שבב, שביצע הקלטה תוך תאית מקבילה מאסיבית של נוירוני חולדה שעובדו על השבב. מתוך נתוני ההקלטה חסרי התקדים הללו ששופעו עם אותות סינפטיים, הם חילצו למעלה מ- 70,000 חיבורים סינפטיים מכ -2,000 נוירונים.
העבודה בונה על מכשיר הפריצה של 2020 של הצוות – מערך של 4,096 אלקטרודות ננוונדל אנכיות המבצעות מהשבב סיליקון מאותו תכנון מעגלים משולב. במכשיר קודם זה, נוירון יכול לעטוף מחט כדי לאפשר הקלטה תוך -תאית, שהקבילה דרך המספר הגדול של האלקטרודות. במקרה הטוב, הם יכלו לחלץ כ -300 חיבורים סינפטיים מנתוני ההקלטה-עדיין לנשוף היטב את מה שהקלטת מהדק הטלאים יכולה להגיע.
עם הנחת היסוד הבסיסית ביד, הצוות חשד שהם יכולים לעשות טוב יותר. מחברי המובילים המשותפים ג'ון וואנג ו- Woo-Bin Jung מקבוצת HAM ב- SEAS הובילו את העיצוב והייצור של מערך האלקטרודה המיקרו-חור על שבב הסיליקון, ההקלטה האלקטרופיזיולוגית וניתוח הנתונים.
הם הפעילו את השבב כדי לפתוח בעדינות תאים עם זריקות זרם קטנות דרך האלקטרודות על מנת להקביל את ההקלטה התוך -תאית שלהם. החוקר הפוסט-דוקטורט וואנג אמר כי עיצוב המיקרו-חור דומה לאלקטרודה של מהדק הטלאים, שהיא למעשה פיפטה זכוכית לדיור אלקטרודות עם חור בסוף.
לא רק שהאלקטרודות המיקרו -חור טובות יותר לטפל בפנים של נוירונים מאשר האלקטרודות הננוונדליות האנכיות, אלא שהן גם הרבה יותר קלות לייצור. נגישות זו היא תכונה חשובה נוספת בעבודתנו. "
ג'ון וואנג, לימוד מחבר עופרת משותפת וחבר מחקרים, בית הספר להנדסה ומדעי ההנדסה של הרווארד ג'ון א. פולסון
העיצוב החדש חרג מהציפיות של הצוות. בממוצע, יותר מ -3,600 אלקטרודות מיקרו -חור מתוך סך 4,096 – כלומר 90 אחוז – צמודים באופן תאיים לנוירונים מלמעלה. מספר החיבורים הסינפטיים שהצוות חילץ מנתוני הקלטה תוך-תאיים חסרי תקדים כה חסרי תקדים פרחו ל -70,000 חיבורים סינפטיים מתקבלים על הדעת, לעומת כ -300 עם מערך האלקטרודה הקודם שלהם. איכות נתוני ההקלטה הייתה גם טובה יותר, מה שאיפשר לצוות לקטלג כל חיבור סינפטי על סמך מאפייניו וחוזקותיו.
"האלקטרוניקה המשולבת בשבב הסיליקון ממלאת תפקיד חשוב באותה מידה כמו האלקטרודה המיקרו -חור, ומספקת זרמים עדינים בצורה מורחבת לקבלת גישה תוך -תאית, והקלטה במקביל לאותות התוך תאיים", אמר יונג, חוקר פוסט -דוקטורט לשעבר כעת חבר סגל באוניברסיטת פוהאנג למדע וטכנולוגיה בדרום קוריאה.
"אחד האתגרים הגדולים ביותר, לאחר שהצלחנו בהקלטה התוך -תאית המקבילה המאסיבית, היה כיצד לנתח את כמות הנתונים המדהימה", אמר חאם. "מאז עברנו דרך ארוכה לקבל תובנה לגבי קשרים סינפטיים מהם. אנו פועלים כעת לקראת עיצוב חדש יותר שניתן לפרוס במוח חי."
