Mapa 70 000 połączeń synaptycznych dzięki krzemowemu chipowi

Mapa 70 000 połączeń synaptycznych pozwoli na lepszą analizę pracy mózgu sprawdzając intensywność oraz rodzaj połączeń w mózgu.

Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda dokonali przełomu w neuronauce, mapując ponad 70 000 połączeń synaptycznych między około 2 000 neuronami szczura. Osiągnięcie było możliwe dzięki zastosowaniu innowacyjnego chipa krzemowego, który rejestruje subtelne sygnały synaptyczne z dużej liczby neuronów jednocześnie. Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie „Nature Biomedical Engineering„, przybliżają nas do stworzenia szczegółowej mapy połączeń w mózgu.

Wyższe funkcje mózgu zależą od sposobu, w jaki neurony łączą się i komunikują ze sobą za pośrednictwem synaps. Synapsy to miejsca kontaktu między neuronami, gdzie przekazywane są impulsy nerwowe. Tradycyjne techniki, takie jak mikroskopia elektronowa, pozwalają na tworzenie wizualnych map połączeń, jednak nie dostarczają informacji o sile tych połączeń, co jest kluczowe dla zrozumienia działania sieci neuronalnych.

Z kolei technika patch-clamp umożliwia rejestrowanie sygnałów wewnętrznych neuronów z wysoką precyzją, ale jest ograniczona do niewielkiej liczby komórek jednocześnie. Nowa technologia wprowadzona przez zespół profesora Donhee Hama z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) otwiera nowe możliwości w obszarze neurologii.

Badacze opracowali układ złożony z 4 096 mikroelektrod w formie mikrootworów na krzemowym chipie. Neurony hodowane na tym chipie zostały delikatnie otwarte za pomocą kontrolowanych impulsów prądu, co umożliwiło równoległe rejestrowanie sygnałów wewnętrznych z tysięcy komórek.

Postęp jest znaczący w porównaniu do wcześniejszej wersji urządzenia z nanowłóknami elektrodowymi z 2020 roku, które pozwalało na wykrycie około 300 połączeń synaptycznych, obecna technologia umożliwiła identyfikację aż 70 000 połączeń. Osiągnięcie tak imponującej liczby połączeń było możliwe dzięki udoskonalonej konstrukcji mikroelektrod, które lepiej integrują się z wnętrzem neuronów i są łatwiejsze w produkcji.

„Projektowanie tych mikroelektrod przypomina tworzenie mikro-pipety w technice patch-clamp, ale w wersji zminiaturyzowanej” – wyjaśnia Jun Wang, współautor badań.

Dokładne mapowanie połączeń synaptycznych ma ogromny potencjał w badaniach nad funkcjonowaniem mózgu, zwłaszcza w kontekście takich schorzeń jak choroba Alzheimera, Parkinsona czy depresja. Rozumienie siły połączeń synaptycznych może pomóc w opracowaniu nowych metod terapii opartych na modyfikacji aktywności określonych sieci neuronalnych.

Podobne inicjatywy były podejmowane również w innych ośrodkach badawczych. Na przykład projekt Human Connectome Project dąży do stworzenia pełnej mapy połączeń neuronalnych w ludzkim mózgu, wykorzystując zaawansowane techniki obrazowania MRI i analizy danych. Choć projekt ten nie dostarcza informacji o sile połączeń, łączy się z pracami zespołu z Harvardu, dostarczając pełniejszego obrazu działania mózgu.

Pomimo imponujących wyników, naukowcy podkreślają, że przed nimi jeszcze wiele wyzwań. Głównym problemem jest analiza ogromnych ilości danych generowanych przez chip – każdy neuron tworzy liczne połączenia z innymi komórkami, co przekłada się na skomplikowaną sieć powiązań.

Profesor Ham zauważa, że jednym z priorytetów jest obecnie opracowanie algorytmów zdolnych do automatycznej interpretacji danych synaptycznych. Kolejnym krokiem jest wdrożenie technologii w badaniach prowadzonych na żywych organizmach, co pozwoli lepiej zrozumieć dynamikę funkcjonowania mózgu w czasie rzeczywistym.

„Jesteśmy na dobrej drodze, by w przyszłości zastosować nasze urządzenia bezpośrednio w badaniach aktywności mózgu żywych zwierząt” – mówi Ham.

Krzemowy chip pozwala nie tylko na rejestrowanie sygnałów z tysięcy neuronów jednocześnie, ale również na analizę siły połączeń synaptycznych, co dotychczas było nieosiągalne. Otwiera nowe możliwości dla badań nad funkcjonowaniem mózgu oraz opracowywania terapii neuropsychiatrycznych. Przyszłość neuronauki staje się coraz bardziej precyzyjna i obiecująca dzięki postępom w mikroelektronice i analizie danych.

Szymon Ślubowski