Una de las preguntas más importantes en toda la ciencia es cómo nuestras células cerebrales o neuronas usan señales eléctricas para comunicarse y coordinarse para una función cerebral superior.
Durante décadas, los investigadores han usado electrodos para escuchar y registrar estas señales. El electrodo de pinza de parche, un electrodo en un tubo de vidrio delgado, revolucionó la neurobiología en la década de 1970 con su capacidad de penetrar una neurona y grabar sináptica silenciosa pero reveladoraseñales desde el interior de la célula. Pero esta herramienta carece de la capacidad de registrar una red neuronal; solo puede medir aproximadamente 10 células en paralelo.
Ahora, los investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado un chip electrónico que puede realizar grabaciones intracelulares de alta sensibilidad a partir de miles de neuronas conectadas simultáneamente. Este avance les permitió mapear la conectividad sináptica a un nivel sin precedentes, identificando cientos de conexiones sinápticas.
"Nuestra combinación de la sensibilidad y el paralelismo puede beneficiar a la neurobiología fundamental y aplicada por igual, incluida la construcción funcional de conectomas y el cribado electrofisiológico de alto rendimiento", dijo Hongkun Park, Mark Hyman Jr. Profesor de Química y Profesor de Física, y co-seniorautor del artículo
"El mapeo de la red sináptica biológica habilitada por esta paralelización largamente buscada del registro intracelular también puede proporcionar una nueva estrategia para la inteligencia artificial para construir una red neuronal artificial y procesadores neuromórficos de próxima generación", dijo Donhee Ham, profesor de Gordon McKayde Física Aplicada e Ingeniería Eléctrica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson SEAS, y coautor principal del artículo.
La investigación se describe en Ingeniería biomédica de la naturaleza .
Los investigadores desarrollaron el chip electrónico utilizando la misma tecnología de fabricación que los microprocesadores de computadora. El chip presenta una densa serie de electrodos de escala nanométrica de pie vertical en su superficie, que son operados por el circuito integrado subyacente de alta precisión. Recubierto con platinopolvo, cada nanoelectrodo tiene una textura de superficie rugosa, lo que mejora su capacidad de transmitir señales.
Las neuronas se cultivan directamente en el chip. El circuito integrado envía una corriente a cada neurona acoplada a través del nanoelectrodo para abrir pequeños agujeros en su membrana, creando un acceso intracelular. Simultáneamente, el mismo circuito integrado también amplifica las señales de voltaje de la neuronarecogido por el nanoelectrodo a través de los agujeros.
"De esta manera combinamos la alta sensibilidad de la grabación intracelular y el paralelismo del chip electrónico moderno", dijo Jeffrey Abbott, becario postdoctoral en el Departamento de Química y Biología Química y SEAS, y el primer autor del artículo.
En experimentos, la matriz registró intracelularmente más de 1,700 neuronas de ratas. Solo 20 minutos de grabación les dieron a los investigadores una vista nunca antes vista de la red neuronal y les permitieron mapear más de 300 conexiones sinápticas.
"También utilizamos este chip de alto rendimiento y alta precisión para medir los efectos de los medicamentos en las conexiones sinápticas a través de la red neuronal de ratas, y ahora estamos desarrollando un sistema a escala de obleas para el cribado de medicamentos de alto rendimiento para trastornos neurológicos comocomo esquizofrenia, enfermedad de Parkinson, autismo, enfermedad de Alzheimer y adicción ", dijo Abbott.
Este trabajo también fue escrito por Tianyang Ye, Keith Krenek, Rona S. Gertner, Steven Ban, Youbin Kim, Ling Qin y Wenxuan Wu.
La investigación fue apoyada por Samsung Advanced Institute of Technology de Samsung Electronics, la Fundación Catalyst, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Gordon y Betty Moore.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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