I nanoelettrodi registrano migliaia di neuroni di mammifero collegati dall’interno
Il modo in cui le nostre cellule cerebrali, o neuroni, usano i segnali elettrici per comunicare e coordinarsi per una funzione cerebrale superiore è una delle domande più importanti in tutta la scienza.
Per decenni, i ricercatori hanno usato gli elettrodi per ascoltare e registrare questi segnali. L’elettrodo a morsetto, un elettrodo in un sottile tubo di vetro, ha rivoluzionato la neurobiologia negli anni ’80 con la sua capacità di penetrare un neurone e di registrare segnali sinaptici silenziosi ma rivelatori dall’interno della cellula. Ma questo strumento non ha la capacità di registrare una rete neuronale; può misurare solo circa 10 celle in parallelo.
Ora, i ricercatori dell’Università di Harvard hanno sviluppato un chip elettronico in grado di eseguire registrazioni intracellulari ad alta sensibilità da migliaia di neuroni collegati contemporaneamente. Questa svolta ha permesso loro di mappare la connettività sinaptica a un livello senza precedenti, identificando centinaia di connessioni sinaptiche.
“La nostra combinazione di sensibilità e parallelismo può giovare allo stesso modo alla neurobiologia fondamentale e applicata, compresa la costruzione di connettomi funzionali e lo screening elettrofisiologico ad alto rendimento”, ha affermato Hongkun Park , Mark Hyman Jr. professore di chimica e professore di fisica.
“La mappatura della rete sinaptica biologica abilitata da questa tanto ricercata parallelizzazione della registrazione intracellulare può anche fornire una nuova strategia per l’intelligenza delle macchine per costruire una rete neurale artificiale di nuova generazione e processori neuromorfi”, ha affermato Donhee Ham, Gordon McKay, professore di Fisica applicata e ingegneria elettrica presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), e co-senior autore del documento.
La ricerca è descritta in Nature Biomedical Engineering .
I ricercatori hanno sviluppato il chip elettronico utilizzando la stessa tecnologia di fabbricazione dei microprocessori per computer. Il chip presenta una fitta serie di elettrodi in scala nanometrica in posizione verticale sulla sua superficie, che sono gestiti dal circuito integrato ad alta precisione sottostante. Rivestito con polvere di platino, ogni nanoelettrodo ha una superficie ruvida, che migliora la sua capacità di trasmettere segnali.
I neuroni vengono coltivati direttamente sul chip. Il circuito integrato invia una corrente a ciascun neurone accoppiato attraverso il nanoelettrodo per aprire piccoli fori nella sua membrana, creando un accesso intracellulare. Allo stesso tempo, lo stesso circuito integrato amplifica anche i segnali di tensione dal neurone raccolto dal nanoelettrodo attraverso i fori.
“In questo modo abbiamo combinato l’elevata sensibilità della registrazione intracellulare e il parallelismo del moderno chip elettronico”, ha dichiarato Jeffrey Abbott, membro post dottorato presso il Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica e SEAS e il primo autore dell’articolo.
Negli esperimenti, l’array ha registrato intracellularmente più di 1.700 neuroni di ratto. Solo 20 minuti di registrazione hanno dato ai ricercatori uno sguardo inedito sulla rete neuronale e hanno permesso loro di mappare più di 300 connessioni sinaptiche.
Questo lavoro è stato anche scritto da Tianyang Ye, Keith Krenek, Rona S. Gertner, Steven Ban, Youbin Kim, Ling Qin e Wenxuan Wu. “Abbiamo anche utilizzato questo chip ad alta produttività e alta precisione per misurare gli effetti dei farmaci sulle connessioni sinaptiche attraverso la rete neuronale del ratto, e ora stiamo sviluppando un sistema su scala di wafer per lo screening di farmaci ad alto rendimento per disturbi neurologici come la schizofrenia, Morbo di Parkinson, autismo, morbo di Alzheimer e dipendenza “, ha affermato Abbott.
La ricerca è stata supportata da Samsung Advanced Institute of Technology di Samsung Electronics, la Catalyst Foundation, l’US Army Research Office, la National Science Foundation, il National Institutes of Health e la Gordon and Betty Moore Foundation.
Fonte: Harvard
