新型芯片:對神經元網絡進行同步記錄!



據美國哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院官網近日報道,該校研究人員開發出一款電子芯片,它可以對數千個相互連接的神經元細胞同步展開高靈敏度的細胞內記錄。

背景

為了實現高級的腦部功能,我們的腦細胞或者說神經元如何采用電信號來溝通和協調,已經成為所有學科的最大難題之一。

新型芯片:對神經元網絡進行同步記錄!

生物神經網絡中的神經元與突觸(圖片來源:維基百科)

數十年來,研究人員采用電極監聽并記錄這些信號。膜片鉗電極(一種位于超薄玻璃管中的電極),利用其穿透神經元以及記錄來自細胞內部的安靜但能說明問題的突觸信號的能力,徹底革新了上世紀七十年代的神經生物學。但是,這個工具缺少記錄神經網絡的能力,僅僅能并行測量約10個細胞。

創新

近日,美國哈佛大學的研究人員開發出一款電子芯片,它可以對數千個相互連接的神經元細胞同步展開高靈敏度的細胞內記錄。這項突破使他們能以前所未有的水平映射突觸連接性,識別數百個突觸連接。

這篇論文的高級合著者、化學系教授以及物理系教授 Hongkun Park 表示:“我們將靈敏度與相似性結合起來,可以造福于相似的基礎和應用神經生物學,包括功能連接體結構與高通量電生理學篩選?!?

約翰·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)應用物理學與電氣工程系教授、論文高級合著者 Donhee Ham 表示:“由這種備受追捧的并行化細胞內記錄實現的生物突觸網絡,也為機器智能提供了一種新策略,以打造新一代人工神經網絡和神經形態處理器?!?/p>

這項研究發表在《自然·生物醫學工程(Nature Biomedical Engineering)》期刊上。

技術

研究人員采用與計算機微處理器相同的制造技術開發出這款電子芯片。該芯片的表面上有一個垂直放置的納米電極陣列,該陣列受到下方的高精度集成電路操控。每個納米電極都涂上了鉑粉末,具有粗糙的表面紋理,從而提高了傳遞信號的能力。

新型芯片:對神經元網絡進行同步記錄!

電子芯片采用了與計算機微處理器同樣的制造技術。(圖片來源:哈佛大學 SEAS)

神經元直接在芯片上培養。集成電路通過納米電極將電流發送至每個耦合的神經元,從而在其細胞膜上打開微孔,創造出一個細胞內通路。同時,這個集成電路也對由納米電極通過微孔采集到的來自神經元的電壓信號進行了放大處理。

下圖所示:在電極陣列上培養的神經元的假彩色掃描電鏡圖像。實際的記錄實驗采用了更高的神經元密度,它含有覆蓋整個電極陣列的三到六個細胞層。

新型芯片:對神經元網絡進行同步記錄!

(圖片來源:哈佛大學 SEAS)

化學與化學生物系以及 SEAS 的博士后研究員 Jeffrey Abbott 表示:“通過這種方式,我們將細胞內記錄的高靈敏度與現代電子芯片的相似性結合了起來?!?/p>

新型芯片:對神經元網絡進行同步記錄!

聯網神經元的細胞內記錄。該視頻以比實時慢4倍的速度播放。(圖片來源:哈佛大學 SEAS)

價值

在實驗中,該陣列對逾1700個大鼠神經元展開了細胞內記錄。僅20分鐘的記錄使得研究人員前所未有地觀察到了神經元網絡,并使他們可以映射超過300個突觸連接。

Abbott 表示:“我們也采用這種高通量、高精度的芯片來測量藥物作用于通過大鼠神經元網絡的突觸連接的效果,并且現在我們也在開發晶圓級的系統,對于神經系統疾病例如精神分裂癥、帕金森病、自閉癥、阿爾茨海默病和成癮癥進行藥物篩選?!?/p>

新型芯片:對神經元網絡進行同步記錄!

針對一個藥物應用的約65個神經元的細胞內映射。(圖片來源:哈佛大學 SEAS)

關鍵字

神經網絡、芯片、電極

參考資料

【1】Jeffrey Abbott, Tianyang Ye, Keith Krenek, Rona S. Gertner, Steven Ban, Youbin Kim, Ling Qin, Wenxuan Wu, Hongkun Park, Donhee Ham. A nanoelectrode array for obtaining intracellular recordings from thousands of connected neurons. Nature Biomedical Engineering, 2019; DOI: 10.1038/s41551-019-0455-7




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