Yenilikler

Pirinç laboratuvarının 3 boyutlu elektrot dizisi, sinaptik aktivitenin milisaniyelik evrimini ortaya koyuyor

İnsan düşüncelerinin ve hayallerinin, beynin tahmini 100 trilyon sinapslarındaki elektrik darbelerinden nasıl ortaya çıktığı bir gizemdir ve Rice Üniversitesi’nden nöromühendis Chong Xie, yaşayan bir beyindeki tüm elektriksel aktiviteyi kaydedebilen bir sistem oluşturarak bunu değiştirmeyi hayal eder.

Yakın zamanda yayınlanan bir çalışmada Doğa Biyomedikal MühendisliğiXie ve meslektaşları, bu amaca yönelik en son başarılarını, canlı bir beyindeki elektrik darbelerinin milisaniyelik ölçekli evriminin kayıtlarına dayanarak, 1 milyona kadar potansiyel sinaptik bağlantının konumlarını ve aktivitesini haritalandırmalarına izin veren bir 3D elektrot dizisi tanımladılar. bir milimetre küp beyin dokusunda on binlerce nöron.

Rice’da elektrik ve bilgisayar mühendisliği doçenti ve Rice Nöromühendislik Girişimi’nin çekirdek üyesi olan Xie, “Bu çalışma hakkında yeni olan şey, kayıt yoğunluğudur” dedi. “Beyindeki mikro devreler çok gizemli. Aktivitelerini, özellikle de hacimsel olarak haritalamak için pek çok yolumuz yok. Korteksin çok yoğun kayıtlarını sunmak istiyoruz çünkü bunlar, beyin devrelerinin nasıl çalıştığını anlamak için bilimsel olarak önemli.”

Xie, UCSF’den Loren Frank ve ortak yazar Rice’dan Lan Luan da dahil olmak üzere, Rice ve California Üniversitesi’nden meslektaşları ile çalışma üzerinde işbirliği yaptı.

Nöronlar küçüktür. Her milimetre küp beyin dokusu yaklaşık 100.000 içerir. Bu yoğunluk, Xie’nin laboratuvarındaki deneylerin konusu olan kemirgenler de dahil olmak üzere, insanlar ve diğer memeliler için kabaca aynıdır. Beynin işlem gücü, nöronlar arasındaki sinaptik bağlantılardan kaynaklanır. Sinaptik olarak bağlı nöron çiftleri, çapı bir metrenin birkaç milyonda biri kadar olan, akson adı verilen dar doku köprüleriyle birbirine bağlanır.

Xie’nin ekibi, nanoelektronik iplik (NET) adı verilen, ince, ultra esnek ve biyouyumlu, minimal invaziv elektrot implantları yapmak için üç özellik içeren bir malzeme geliştirmek için yıllarını harcadı. Önceki çalışmalarda, Xie’nin ekibi, 128 elektrota kadar sıkıca paketlenmiş NET dizilerini yerleştirmek için teknikler göstermişti. Araştırmacılar ayrıca, dizilerinin 10 aya kadar yerinde kalabileceğini ve yakındaki nöronlarda darbeli elektrik artışlarını veya aksiyon potansiyellerini kaydedebileceğini gösterdi.

Xie, “Nöronlar aksiyon potansiyellerini ateşlediğinde, onlardan çok zayıf elektrik sinyalleri geliyor” dedi. “Bu sinyali yakalamak için elektrotları her bir nörona çok yakın yerleştirmeniz gerekir. Bu genellikle 100 mikrondan daha az bir mesafe anlamına gelir.”

Nöronal ani yükselmeleri kaydetmek için elektrotların kullanılması, sinirbilimde onlarca yıldır birincil teknik olmuştur, ancak elektrot malzemelerinin evrimi, nöral elektrotların implantasyonunu, elektrotların ölçmesi gereken beyin dokusuna zarar veren oldukça invaziv prosedürlerden kademeli olarak dönüştürmüştür. ölçülebilir doku hasarı yok.

Xie’nin laboratuvarının ana odak noktalarından biri, implant dizilerinin boyutunu büyütmek. Yeni çalışmada, Xie ve projedeki önde gelen lisansüstü öğrencilerden biri olan Hanlin Zhu da dahil olmak üzere meslektaşları, 1 kübik milimetrelik bir beyin dokusuna 1.024 NET elektrot dizisini yerleştirdiler.

Xie, “Ölçmeye çalıştığımız birincil sinyaller, nöronlardan gelen elektriksel yükselmelerdir.” Dedi. “Bu şekilde iletişim kurarlar. Bizim çok önemsediğimiz ve gerçekten anlamak istediğimiz bir şey de nöronların nasıl bağlantılı olduğudur.”

Xie, sinaptik bağlantıları araştırmak için basit bir yol olmadığını söyledi.

“Aksonlar çok uzun olabilir ve her nöron binlerce başka nöronla bağlanabilir” dedi. “Bu çok, çok, çok dağınık bir ağ. Ve bunu araştırmak, özellikle beyin çalışırken son derece zorlu bir iştir.”

Yeni elektrot dizisinin yoğunluğu, tek tek nöronların elektriksel yükselmelerindeki milisaniye-milisaniyelik değişiklikleri yakalama yeteneği ile birlikte, Xie ve yardımcı yazarların nöron çiftleri arasındaki potansiyel sinaptik bağlantıları deşifre etmesine izin verdi.

Xie, “Sinaps çalıştığında, iki nöronun ateşleme aktivitesine baktığınızda genellikle tipik bir model görürsünüz” dedi.

Presinaptik nöronlarda başlayan elektriksel uyarının aksonu ilerletmesi ve postsinaptik nöronu aktive etmesi biraz zaman alıyor, dedi.

“Birçok sivri uç kaydediyoruz ve sonra sivri uçları sıralamamız ve her birini ayrı nöronlara atfetmemiz gerekiyor” dedi. “Her elektrotun veya kanalın yerini biliyoruz. Ve her kanal aynı anda birkaç nörondan fazlasını kaydetmez. Her nöron ayrıca tipik olarak birden fazla temas tarafından da kaydedilir. Böylece, üçgenlemeye benzer bir şey yapabilirsiniz. bireysel nöronların yerini belirle.”

Nöronlar haritalandırıldıktan sonra, aralarındaki mesafeyi ve bundan sinaptik aktivasyon için yayılma süresini hesaplamak nispeten kolaydır.

1.024 elektrot dizisi, Xie’nin ekibine, incelenen beyin dokusunun milimetre küp hacmindeki 100 nöron başına yaklaşık bir elektrot oranı verdi. Laboratuvar, aynı hacme daha fazla elektrot yerleştiren daha yoğun diziler oluşturmak için çalışıyor.

İnsanların beyinlerindeki nöronların büyük çoğunluğu, beyinlerimiz tipik olarak vücut tarafından sağlanabilecek kadar enerji tüketmesine rağmen kullanılmamaktadır. Nörobilimciler, beynin neden bu kadar çok kullanılmayan nörona sahip olduğunu tam olarak anlamıyorlar ve Xie, bunun, ekibinin elektrot dizilerinin tasarımında dikkate aldığı bir faktör olduğunu söyledi.

“Mümkün olduğunca etkileşimi yakalamak istiyorum” dedi. “Hepsini yakalamak için 1’e 1 elektrot / nöron oranına ihtiyacımız olmadığını iddia ediyorum ve gerçekten de tüm etkileşimi yakalamak benim hayalim.”

Araştırma, Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüsü (R01NS102917, U01NS115588, R01NS109361, UF1NS107667), Ulusal Kalp, Akciğer ve Kan Enstitüsü (K25HL140153), Welch Vakfı (F-1941-20170325) ve Howard Hughes Medical tarafından desteklenmiştir. enstitü.

Kaynak ve İleri Okuma: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/10/221019172230.htm

İlgili Makaleler

Başa dön tuşu