Исследователи из Гарварда картировали и каталогизировали более 70 000 синаптических связей примерно из 2000 нейронов крысы, используя кремниевый чип, способный регистрировать небольшие, но четкие синаптические сигналы от большого количества нейронов.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Biomedical Engineering , является крупным достижением в области регистрации нейронных сигналов и может помочь ученым приблизиться на шаг к составлению подробной карты синаптических связей мозга.

Считается, что функции мозга более высокого порядка вытекают из способов соединения мозговых клеток или нейронов. Точки контакта нейронов называются синапсами, и ученые стремятся нарисовать карты синаптических связей, которые показывают не только, какие нейроны соединяются с какими другими нейронами, но и насколько сильна каждая связь. Хотя электронная микроскопия с большим успехом использовалась для создания визуальных карт синаптических связей , эти изображения не содержат информации о силе связей и, следовательно, об окончательной функции нейронной сети.

Напротив, электрод с зажимом потенциала, золотой стандарт в нейронной регистрации, может эффективно проникнуть внутрь отдельного нейрона, чтобы записать слабый синаптический сигнал с высокой чувствительностью и, таким образом, найти синаптическую связь и определить ее силу.

Ученые давно пытались применить такую ​​высокочувствительную внутриклеточную запись к большому количеству нейронов параллельно, чтобы измерить и охарактеризовать большое количество синаптических сигналов и, таким образом, нарисовать карту, аннотированную силой связи. Но они редко продвигались дальше получения внутриклеточного доступа от нескольких нейронов одновременно.

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 4096 микроотверстий-электродов на кремниевом чипе , который выполнял массивную параллельную внутриклеточную запись нейронов крысы, культивируемых на чипе. Из этих беспрецедентных данных записи, которые изобиловали синаптическими сигналами, они извлекли более 70 000 синаптических связей из примерно 2000 нейронов.

Работа основана на прорывном устройстве команды 2020 года — массиве из 4096 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, чего может достичь запись с помощью патч-клампа.

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 внутренними частями нейронов, чем вертикальные наноигольчатые электроды, но их также гораздо проще изготавливать. Эта доступность — еще одна важная особенность нашей работы», — сказал Ван.

Новая конструкция превзошла ожидания команды. В среднем более 3600 микроотверстий-электродов из общего числа 4096 — то есть 90% — были внутриклеточно связаны с нейронами наверху.

Число синаптических связей, которые команда извлекла из таких беспрецедентных данных внутриклеточной записи по всей сети, возросло до 70 000 вероятных синаптических связей по сравнению с примерно 300 с их предыдущей решеткой электродов наноигл. 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 в электроде, обеспечивая слабые токи сложным способом для получения внутриклеточного доступа и одновременно регистрируя внутриклеточные сигналы», — сказал Юнг, бывший научный сотрудник, а ныне преподаватель Пхоханского университета науки и технологий в Южной Корее.

«Одной из самых больших проблем после того, как мы добились успеха в массовой параллельной внутриклеточной записи, было то, как анализировать подавляющее количество данных», — сказал Хэм. «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».