Учёные Гарвардского университета разработали уникальный кремниевый чип, способный регистрировать синаптические сигналы от тысяч нейронов одновременно. С помощью этого устройства исследователям удалось составить карту и каталогизировать более 70 000 синаптических соединений примерно из 2 000 нейронов крысы. Результаты исследования открывают новые возможности для изучения работы мозга и могут приблизить учёных к созданию детальной карты синаптических связей.

Высшие функции мозга, по мнению специалистов, основаны на способах соединения нейронов между собой. Точки контакта между нейронами называются синапсами, и учёные стремятся создать карты синаптических соединений, показывающие не только то, какие нейроны связаны друг с другом, но и насколько сильна каждая связь. Электронная микроскопия, хотя и успешно использовалась для создания визуальных карт синаптических соединений, не предоставляет информации о силе связей и, следовательно, о конечной функции нейронной сети.

Слева: чип с массивом электродов. Справа: нейронная клетка, расположенная на массиве микроотверстий электродов (при реальной записи нейроны расположены гораздо плотнее). Источник: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Команда исследователей под руководством Донхи Хама, профессора Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона, создала массив из 4 096 электродов на кремниевом чипе. Это устройство позволило провести массовую параллельную внутриклеточную запись нейронов крысы, культивированных на чипе. Из полученных данных учёные извлекли информацию о более чем 70 000 синаптических соединений примерно из 2 000 нейронов.

Новая разработка основана на предыдущем достижении команды 2020 года – массиве из 4 096 вертикальных наноигольчатых электродов, выступающих из кремниевого чипа. В том устройстве нейрон мог обернуться вокруг иглы, что позволяло проводить внутриклеточную запись, распараллеленную благодаря большому количеству электродов. Однако тогда удавалось извлечь информацию лишь о 300 синаптических соединениях.

Новая конструкция значительно превзошла предыдущую версию. В среднем более 3 600 микроотверстий-электродов из общего числа 4 096 – то есть 90% – были внутриклеточно связаны с нейронами. Количество зарегистрированных синаптических соединений выросло до 70 000, что в 233 раза больше, чем при использовании предыдущего массива наноигольчатых электродов. Качество данных записи также улучшилось, позволив команде классифицировать каждое синаптическое соединение на основе его характеристик и силы.

Это достижение открывает новые перспективы для изучения работы мозга и может привести к значительному прогрессу в понимании нейронных сетей и их функций. Команда продолжает работу над новой конструкцией, которую планируется применить в живом мозге, что потенциально может существенно расширить знания о работе этого органа.

Подробнее на iXBT