Come le nostre cellule cerebrali, o neuroni, usare segnali elettrici per comunicare e coordinarsi per una funzione cerebrale superiore è una delle domande più grandi di tutta la scienza.

Per decenni, i ricercatori hanno utilizzato degli elettrodi per ascoltare e registrare questi segnali. L'elettrodo patch clamp, un elettrodo in un tubo di vetro sottile, ha rivoluzionato la neurobiologia negli anni '70 con la sua capacità di penetrare in un neurone e di registrare segnali sinaptici silenziosi ma rivelatori dall'interno della cellula. Ma questo strumento non ha la capacità di registrare una rete neuronale; può misurare solo circa 10 celle in parallelo.

Ora, ricercatori dell'Università di Harvard hanno sviluppato un chip elettronico in grado di eseguire registrazioni intracellulari ad alta sensibilità da migliaia di neuroni collegati contemporaneamente. Questa svolta ha permesso loro di mappare la connettività sinaptica a un livello senza precedenti, identificare centinaia di connessioni sinaptiche.

"La nostra combinazione di sensibilità e parallelismo può trarre vantaggio sia dalla neurobiologia fondamentale che da quella applicata, compresa la costruzione funzionale del connettoma e lo screening elettrofisiologico ad alto rendimento, "ha detto Hongkun Park, Mark Hyman Jr. Professore di Chimica e Professore di Fisica, e co-autore senior del documento.

"La mappatura della rete sinaptica biologica resa possibile da questa ricercata parallelizzazione della registrazione intracellulare può anche fornire una nuova strategia per l'intelligenza artificiale per costruire una rete neurale artificiale di nuova generazione e processori neuromorfici, " ha detto Donhee Ham, Gordon McKay Professore di Fisica Applicata e Ingegneria Elettrica presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), e co-autore senior del documento.

La ricerca è descritta in Ingegneria biomedica della natura .

I ricercatori hanno sviluppato il chip elettronico utilizzando la stessa tecnologia di fabbricazione dei microprocessori dei computer. Il chip presenta una fitta serie di elettrodi su scala nanometrica verticali sulla sua superficie, che sono gestiti dal circuito integrato ad alta precisione sottostante. Rivestito con polvere di platino, ogni nanoelettrodo ha una struttura superficiale ruvida, che migliora la sua capacità di trasmettere segnali.

I neuroni vengono coltivati ​​direttamente sul chip. Il circuito integrato invia una corrente a ciascun neurone accoppiato attraverso il nanoelettrodo per aprire minuscoli fori nella sua membrana, creando un accesso intracellulare. Contemporaneamente, lo stesso circuito integrato amplifica anche i segnali di tensione dal neurone captati dal nanoelettrodo attraverso i fori.

"In questo modo abbiamo combinato l'elevata sensibilità della registrazione intracellulare e il parallelismo del moderno chip elettronico, "ha detto Jeffrey Abbott, un borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica e SEAS, e il primo autore dell'articolo.

Negli esperimenti, l'array intracellulare ha registrato più di 1, 700 neuroni di ratto. Solo 20 minuti di registrazione hanno dato ai ricercatori uno sguardo mai visto prima sulla rete neuronale e hanno permesso loro di mappare più di 300 connessioni sinaptiche.

"Abbiamo anche usato questo high-throughput, chip ad alta precisione per misurare gli effetti dei farmaci sulle connessioni sinaptiche attraverso la rete neuronale del ratto, e ora stiamo sviluppando un sistema su scala wafer per lo screening di farmaci ad alto rendimento per disturbi neurologici come la schizofrenia, Morbo di Parkinson, autismo, Il morbo di Alzheimer, e dipendenza, " disse Abbott.