Imagem de microscópio eletrônico de varredura com cores falsas de neurônios cultivados no topo da matriz de eletrodos. Os experimentos de gravação reais são realizados com densidades de neurônios muito mais altas, contendo de três a seis camadas de células, cobrindo todo o conjunto de eletrodos. Crédito:Harvard SEAS
Como nossas células cerebrais, ou neurônios, usar sinais elétricos para se comunicar e coordenar para uma função cerebral superior é uma das maiores questões em toda a ciência.
Por décadas, pesquisadores usaram eletrodos para ouvir e gravar esses sinais. O eletrodo patch clamp, um eletrodo em um tubo de vidro fino, revolucionou a neurobiologia na década de 1970 com sua capacidade de penetrar um neurônio e registrar sinais sinápticos silenciosos, mas reveladores de dentro da célula. Mas essa ferramenta não tem a capacidade de registrar uma rede neuronal; ele pode medir apenas cerca de 10 células em paralelo.
Agora, pesquisadores da Universidade de Harvard desenvolveram um chip eletrônico que pode realizar registros intracelulares de alta sensibilidade de milhares de neurônios conectados simultaneamente. Esta descoberta permitiu-lhes mapear a conectividade sináptica em um nível sem precedentes, identificar centenas de conexões sinápticas.
"Nossa combinação de sensibilidade e paralelismo pode beneficiar a neurobiologia fundamental e aplicada, incluindo construção de conectoma funcional e triagem eletrofisiológica de alto rendimento, "disse Hongkun Park, Mark Hyman Jr. Professor de Química e Professor de Física, e co-autor sênior do artigo.
"O mapeamento da rede sináptica biológica habilitado por esta tão procurada paralelização de gravação intracelular também pode fornecer uma nova estratégia para a inteligência da máquina construir redes neurais artificiais de próxima geração e processadores neuromórficos, "disse Donhee Ham, Gordon McKay Professor de Física Aplicada e Engenharia Elétrica na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS), e co-autor sênior do artigo.
A pesquisa é descrita em Nature Biomedical Engineering .
Os pesquisadores desenvolveram o chip eletrônico usando a mesma tecnologia de fabricação dos microprocessadores de computador. O chip apresenta uma matriz densa de eletrodos em escala nanométrica verticalmente posicionados em sua superfície, que são operados pelo circuito integrado de alta precisão subjacente. Revestido com pó de platina, cada nanoeletrodo tem uma textura de superfície áspera, o que melhora sua capacidade de transmitir sinais.
Os neurônios são cultivados diretamente no chip. O circuito integrado envia uma corrente para cada neurônio acoplado através do nanoeletrodo para abrir pequenos orifícios em sua membrana, criando um acesso intracelular. Simultaneamente, o mesmo circuito integrado também amplifica os sinais de voltagem do neurônio captados pelo nanoeletrodo através dos orifícios.
“Desta forma, combinamos a alta sensibilidade da gravação intracelular e o paralelismo do chip eletrônico moderno, "disse Jeffrey Abbott, um pós-doutorado no Departamento de Química e Biologia Química e SEAS, e o primeiro autor do artigo.
O chip eletrônico usa a mesma tecnologia de fabricação dos microprocessadores de computador. Crédito:Harvard SEAS
Em experimentos, a matriz registrou intracelularmente mais de 1, 700 neurônios de rato. Apenas 20 minutos de gravação deram aos pesquisadores uma visão nunca antes vista da rede neuronal e lhes permitiu mapear mais de 300 conexões sinápticas.
"Também usamos esse alto rendimento, chip de alta precisão para medir os efeitos das drogas nas conexões sinápticas através da rede neuronal de ratos, e agora estamos desenvolvendo um sistema em escala de wafer para triagem de drogas de alto rendimento para distúrbios neurológicos, como esquizofrenia, Mal de Parkinson, autismo, Doença de Alzheimer, e vício, "disse Abbott.
