¿Cómo nuestras células cerebrales, o neuronas, Usar señales eléctricas para comunicarse y coordinarse para una función cerebral superior es una de las preguntas más importantes de toda la ciencia.

Por décadas, Los investigadores han utilizado electrodos para escuchar y registrar estas señales. El electrodo de pinza de parche, un electrodo en un tubo de vidrio delgado, revolucionó la neurobiología en la década de 1970 con su capacidad para penetrar una neurona y registrar señales sinápticas silenciosas pero reveladoras desde el interior de la célula. Pero esta herramienta carece de la capacidad de registrar una red neuronal; solo puede medir unas 10 celdas en paralelo.

Ahora, Investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado un chip electrónico que puede realizar grabaciones intracelulares de alta sensibilidad de miles de neuronas conectadas simultáneamente. Este avance les permitió mapear la conectividad sináptica a un nivel sin precedentes, identificando cientos de conexiones sinápticas.

"Nuestra combinación de sensibilidad y paralelismo puede beneficiar tanto a la neurobiología fundamental como a la aplicada, incluida la construcción funcional del conectoma y el cribado electrofisiológico de alto rendimiento, "dijo Hongkun Park, Mark Hyman Jr., profesor de química y profesor de física, y coautor principal del artículo.

"El mapeo de la red sináptica biológica habilitada por esta paralelización tan buscada de la grabación intracelular también puede proporcionar una nueva estrategia para que la inteligencia artificial construya una red neuronal artificial de próxima generación y procesadores neuromórficos, "dijo Donhee Ham, Profesor Gordon McKay de Física Aplicada e Ingeniería Eléctrica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS), y coautor principal del artículo.

La investigación se describe en Ingeniería Biomédica de la Naturaleza .

Los investigadores desarrollaron el chip electrónico utilizando la misma tecnología de fabricación que los microprocesadores de computadora. El chip presenta una densa matriz de electrodos de escala nanométrica colocados verticalmente en su superficie, que son operados por el circuito integrado de alta precisión subyacente. Recubierto con polvo de platino, cada nanoelectrodo tiene una textura de superficie rugosa, lo que mejora su capacidad para transmitir señales.

Las neuronas se cultivan directamente en el chip. El circuito integrado envía una corriente a cada neurona acoplada a través del nanoelectrodo para abrir pequeños orificios en su membrana. creando un acceso intracelular. Simultaneamente, el mismo circuito integrado también amplifica las señales de voltaje de la neurona captadas por el nanoelectrodo a través de los orificios.

"De esta manera combinamos la alta sensibilidad de la grabación intracelular y el paralelismo del chip electrónico moderno, "dijo Jeffrey Abbott, becario postdoctoral en el Departamento de Química y Biología Química y SEAS, y el primer autor del artículo.

En experimentos, la matriz registró intracelularmente más de 1, 700 neuronas de rata. Solo 20 minutos de grabación les dieron a los investigadores una mirada nunca antes vista a la red neuronal y les permitió mapear más de 300 conexiones sinápticas.

"También usamos este alto rendimiento, chip de alta precisión para medir los efectos de las drogas en las conexiones sinápticas a través de la red neuronal de la rata, y ahora estamos desarrollando un sistema a escala de obleas para la detección de drogas de alto rendimiento para trastornos neurológicos como la esquizofrenia, Enfermedad de Parkinson, autismo, Enfermedad de Alzheimer y adicción, "dijo Abbott.