Chip kecil Harvard mengungkap 70.000 koneksi otak tersembunyi

Peneliti Harvard telah mengembangkan chip silikon canggih dengan elektroda mikro, memungkinkan pemetaan lebih dari 70.000 koneksi sinaptik di antara neuron tikus.

Terobosan ini, melampaui metode sebelumnya di keduanya ketepatan dan skala, membawa para ilmuwan lebih dekat untuk memahami bagaimana neuron terhubung dan berkomunikasi.

Memetakan ribuan koneksi sinaptik

Peneliti Harvard telah berhasil memetakan dan membuat katalog lebih dari 70.000 koneksi sinaptik dari sekitar 2.000 neuron tikus. Mereka mencapai ini menggunakan chip silikon yang mampu mendeteksi sinyal sinaptik kecil namun signifikan dari sejumlah besar neuron secara bersamaan.

Diterbitkan di Nature Biomedical Engineeringpenelitian ini menandai kemajuan besar dalam rekaman neuron. Ini bisa membuat para ilmuwan lebih dekat untuk membuat peta rinci koneksi sinaptik, menawarkan wawasan yang lebih dalam tentang bagaimana neuron berkomunikasi.

Fungsi otak tingkat tinggi bergantung pada cara neuron terhubung dan berinteraksi. Koneksi ini terjadi di persimpangan yang disebut sinapsis. Para ilmuwan bertujuan untuk membuat peta sinaptik yang tidak hanya menunjukkan neuron mana yang terhubung tetapi juga mengungkapkan kekuatan koneksi ini. Sementara mikroskop elektron telah sangat efektif untuk memvisualisasikan struktur sinaptik, ia tidak dapat mengukur kekuatan koneksi, membatasi kemampuannya untuk sepenuhnya menjelaskan bagaimana fungsi jaringan neuron.

Tantangan dalam merekam kekuatan sinaptik

Metode yang lebih tepat, yang dikenal sebagai perekaman patch-clamp, dianggap sebagai standar emas untuk mempelajari aktivitas sinaptik. Teknik ini dapat menembus neuron individu untuk menangkap sinyal sinaptik yang lemah dengan sensitivitas tinggi, membantu para peneliti mengidentifikasi dan mengukur kekuatan koneksi. Namun, menerapkan metode ini pada jaringan neuron yang besar secara bersamaan telah menjadi tantangan yang terus -menerus. Sejauh ini, para ilmuwan telah berjuang untuk merekam sinyal intraseluler dari lebih dari beberapa neuron sekaligus, membatasi kemampuan mereka untuk membangun peta saraf berskala besar, beranotasi secara fungsional.

Teknologi Elektroda Mikro Breakthrough

Para peneliti, yang dipimpin oleh Donhee Ham, Profesor Teknik dan Ilmu Teknik John A. dan Elizabeth S. Dari data perekaman yang belum pernah terjadi sebelumnya yang penuh dengan sinyal sinaptik, mereka mengekstraksi lebih dari 70.000 koneksi sinaptik dari sekitar 2.000 neuron.

Pekerjaan ini dibangun di atas perangkat terobosan 2020 tim – serangkaian 4.096 elektroda nanoneedle vertikal yang mencuat keluar dari chip silikon dari desain sirkuit terintegrasi yang sama. Pada perangkat sebelumnya ini, neuron dapat membungkus jarum untuk memungkinkan perekaman intraseluler, yang diparalelkan melalui sejumlah besar elektroda. Dalam kasus terbaik, mereka dapat mengekstrak sekitar 300 koneksi sinaptik dari data perekaman-masih bertiup lebih jauh melewati apa yang dapat dicapai oleh perekaman penjepit patch.

Dengan premis dasar di tangan, tim menduga mereka bisa melakukan yang lebih baik. Penulis co-lead Jun Wang dan Woo-Bin Jung dari kelompok ham di laut memimpin desain dan fabrikasi array elektroda mikro pada chip silikon, perekaman elektrofisiologis, dan analisis data.

Game-changer dalam aksesibilitas

Mereka mengoperasikan chip untuk membuka sel dengan lembut dengan suntikan arus kecil melalui elektroda untuk memparalelkan rekaman intraseluler mereka. Peneliti postdoctoral Wang mengatakan desain lubang mikro mirip dengan elektroda patch-clamp, yang pada dasarnya adalah pipet kaca perumahan elektroda dengan lubang di ujungnya.

“Tidak hanya elektroda mikro pasangan yang lebih baik ke interior neuron daripada elektroda nanoneedle vertikal, tetapi mereka juga jauh lebih mudah untuk dibuat.

Melebihi ekspektasi dalam pemetaan sinaptik

Desain baru melebihi harapan tim. Rata -rata, lebih dari 3.600 elektroda mikro dari total 4.096 – yaitu 90 persen – secara intraseluler digabungkan dengan neuron di atas. Jumlah koneksi sinaptik yang diekstraksi tim dari data perekaman intraseluler di seluruh jaringan yang belum pernah terjadi sebelumnya mekar hingga 70.000 koneksi sinaptik yang masuk akal, dibandingkan dengan sekitar 300 dengan arroda elektroda nanoneedle sebelumnya. Kualitas data perekaman juga lebih baik, yang memungkinkan tim untuk mengkategorikan setiap koneksi sinaptik berdasarkan karakteristik dan kekuatannya.

“Elektronik terintegrasi dalam chip silikon dimainkan sama pentingnya dengan elektroda mikro, memberikan arus lembut dengan cara yang rumit untuk mendapatkan akses intraseluler, dan pada saat yang sama dengan sinyal intraseluler,” kata Jung, seorang mantan peneliti postdoctoral dan sekarang seorang anggota fakultas di Universitas Sains dan Teknologi di selatan.

Langkah Berikutnya: Dari Lab ke Otak Hidup

“Salah satu tantangan terbesar, setelah kami berhasil dalam perekaman intraseluler paralel yang besar, adalah bagaimana menganalisis jumlah data yang luar biasa,” kata Ham. “Sejak itu kami telah menempuh perjalanan untuk mendapatkan wawasan tentang koneksi sinaptik dari mereka.

Referensi: “Pemetaan Konektivitas Sinaptik di antara ribuan neuron melalui rekaman intraseluler paralel dengan array elektroda mikro” oleh Jun Wang, Woo-Bin Jung, Rona S. Gertner, Hongkun Park dan Donhee Ham, 11 Februari 2025, Nature Biomedical Engineering.
Doi: 10.1038/s41551-025-01352-5

Rekan penulis kertas termasuk Rona S. Gertner dari Departemen Kimia dan Biologi Kimia, dan Taman Hongkun, Mark Hyman, Jr. Profesor Kimia dan Profesor Fisika.

Penelitian ini didukung oleh Samsung Advanced Institute of Technology of Samsung Electronics.