I ricercatori di Harvard raggiungono una svolta nella mappatura e nella comprensione delle connessioni sinaptiche / Harvard Researchers Achieve Breakthrough in Synaptic Connections Mapping and Understanding
I ricercatori di Harvard raggiungono una svolta nella mappatura e nella comprensione delle connessioni sinaptiche / Harvard Researchers Achieve Breakthrough in Synaptic Connections Mapping and Understanding
I ricercatori di Harvard hanno mappato e catalogato più di 70.000 connessioni sinaptiche provenienti da circa 2.000 neuroni di ratto, utilizzando un chip di silicio in grado di registrare piccoli ma rivelatori segnali sinaptici provenienti da un gran numero di neuroni.
La ricerca, pubblicata su Nature Biomedical Engineering, rappresenta un importante passo avanti nella registrazione neuronale e potrebbe aiutare gli scienziati ad avvicinarsi alla definizione di una mappa dettagliata delle connessioni sinaptiche del cervello.
L'importanza delle connessioni sinaptiche
Si ritiene che le funzioni cerebrali di ordine superiore derivino dalle modalità di connessione delle cellule cerebrali, o neuroni. I punti di contatto tra neuroni sono chiamati sinapsi e gli scienziati cercano di disegnare mappe delle connessioni sinaptiche che mostrino non solo quali neuroni si connettono a quali altri neuroni, ma anche quanto sia forte ciascuna connessione. Sebbene la microscopia elettronica sia stata utilizzata con grande successo per creare mappe visive delle connessioni sinaptiche, queste immagini non forniscono informazioni sulla forza delle connessioni e quindi sulla funzione ultima della rete neuronale.
Superare le sfide nella registrazione sinaptica
Al contrario, un elettrodo patch-clamp, il gold standard nella registrazione neuronale, può efficacemente penetrare all'interno di un singolo neurone per registrare un debole segnale sinaptico con elevata sensibilità, e quindi individuare una connessione sinaptica e determinarne l'intensità. Gli scienziati hanno a lungo cercato di applicare questa registrazione intracellulare ad alta sensibilità ad un gran numero di neuroni in parallelo, al fine di misurare e caratterizzare un gran numero di segnali sinaptici e quindi tracciare una mappa annotata con l'intensità delle connessioni. Ma raramente sono andati oltre l'ottenimento dell'accesso intracellulare da una manciata di neuroni contemporaneamente.
La svolta con gli elettrodi microforati
I ricercatori, guidati da Donhee Ham, professore di Ingegneria e Scienze Applicate presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hanno sviluppato una serie di 4.096 elettrodi a microfori su un chip di silicio, che ha eseguito una registrazione intracellulare massivamente parallela di neuroni di ratto coltivati sul chip. Da questi dati di registrazione senza precedenti, ricchi di segnali sinaptici, hanno estratto oltre 70.000 connessioni sinaptiche da circa 2.000 neuroni.
Tecnologia avanzata per risultati migliori
Il lavoro si basa sul dispositivo rivoluzionario del team del 2020: una matrice di 4.096 elettrodi verticali a nanoaghi che fuoriescono da un chip di silicio con lo stesso progetto del circuito integrato. In questo dispositivo precedente, un neurone poteva avvolgersi attorno ad un ago per consentire la registrazione intracellulare, che veniva parallelizzata attraverso l'elevato numero di elettrodi. Nel migliore dei casi, potevano estrarre circa 300 connessioni sinaptiche dai dati di registrazione, superando comunque di gran lunga i risultati della registrazione patch-clamp.
Miglioramenti con il nuovo array di microfori
Con questa premessa di base in mano, il gruppo sospettava di poter fare di meglio. I co-autori Jun Wang e Woo-Bin Jung del gruppo Ham presso SEAS hanno guidato la progettazione e la fabbricazione della matrice di elettrodi a microfori sul chip di silicio, la registrazione elettrofisiologica e l'analisi dei dati.
Hanno utilizzato il chip per aprire delicatamente le cellule con piccole iniezioni di corrente attraverso gli elettrodi, in modo da parallelizzare la loro registrazione intracellulare. Il ricercatore post-dottorato Wang ha affermato che il progetto dei microfori è simile a quello dell'elettrodo patch-clamp, che è essenzialmente una pipetta di vetro che alloggia l'elettrodo e ha un foro all'estremità.
Gli elettrodi microforati offrono risultati superiori
"Non solo gli elettrodi a microfori si accoppiano meglio all'interno dei neuroni rispetto agli elettrodi verticali a nanoaghi, ma sono anche molto più facili da realizzare. Questa accessibilità è un'altra caratteristica importante del nostro lavoro", ha affermato Wang.
Più connessioni sinaptiche e migliore qualità dei dati
Il nuovo progetto ha superato le aspettative del gruppo. In media, più di 3.600 elettrodi a microfori su un totale di 4.096 – ovvero il 90% – erano accoppiati intracellularmente ai neuroni superiori. Il numero di connessioni sinaptiche estratte dal gruppo da questi dati di registrazione intracellulare senza precedenti, che hanno interessato l'intera rete, è salito a 70.000 connessioni sinaptiche plausibili, rispetto alle circa 300 del precedente array di elettrodi ao al team di categorizzare ciascuna connessione sinaptica in base alle sue caratteristiche e nanoaghi. Anche la qualità dei dati di registrazione è risultata migliore, il che ha permessai suoi punti di forza.
Il ruolo dell'elettronica integrata
"L'elettronica integrata nel chip di silicio svolge un ruolo altrettanto importante dell'elettrodo a microfori, fornendo correnti delicate in modo elaborato per ottenere l'accesso intracellulare e registrando allo stesso tempo i segnali intracellulari", ha affermato Jung, ex ricercatore post-dottorato e ora membro della facoltà presso la Pohang University of Science and Technology in Corea del Sud.
Verso studi sul cervello vivo
"Una delle sfide più grandi, dopo aver ottenuto il successo nella registrazione intracellulare parallela su larga scala, è stata come analizzare l'enorme quantità di dati", ha affermato Ham. "Da allora abbiamo fatto molta strada per comprendere le connessioni sinaptiche. Ora stiamo lavorando ad un nuovo progetto che possa essere implementato in un cervello vivente".
Un futuro di migliore comprensione
Tra gli autori dell'articolo figurano Rona S. Gertner del Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica e Hongkun Park, professore di Chimica e Fisica Mark Hyman, Jr.
La ricerca è stata supportata dal Samsung Advanced Institute of Technology di Samsung Electronics.
ENGLISH
Harvard researchers have mapped and catalogued more than 70,000 synaptic connections from about 2,000 rat neurons, using a silicon chip capable of recording small yet telltale synaptic signals from a large number of neurons.
The research, published in Nature Biomedical Engineering, is a major advance in neuronal recording and may help bring scientists a step closer to drawing a detailed synaptic connection map of the brain.
The Importance of Synaptic Connections
Higher-order brain functions are believed to be derived from the ways brain cells, or neurons, are connected. Neuron-to-neuron contact points are called synapses, and scientists seek to draw synaptic connection maps that show not only which neurons connect to which other neurons, but also how strong each connection is. While electron microscopy has been used with great success to make visual maps of synaptic connections, these images lack information on connection strengths and thus the ultimate function of the neuronal network.
Overcoming Challenges in Synaptic Recording
In contrast, a patch-clamp electrode, the gold standard in neuronal recording, can effectively get inside an individual neuron to record a faint synaptic signal with high sensitivity, and thus can find a synaptic connection and tell its strength. Scientists have long tried to apply such high-sensitivity intracellular recording to a large number of neurons in parallel, in order to measure and characterize a large number of synaptic signals and thus draw a map annotated with connection strengths. But they have seldom gotten further than obtaining intracellular access from a handful of neurons at once.
The Breakthrough with Microhole Electrodes
The researchers, led by Donhee Ham, the John A. and Elizabeth S. Armstrong Professor of Engineering and Applied Sciences at the Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), developed an array of 4,096 microhole electrodes on a silicon chip, which performed massively parallel intracellular recording of rat neurons cultured on the chip. From these unprecedented recording data that abounded with synaptic signals, they extracted over 70,000 synaptic connections from about 2,000 neurons.
Advanced Technology for Better Results
The work builds on the team’s 2020 breakthrough device – an array of 4,096 vertical nanoneedle electrodes sticking out of a silicon chip of the same integrated circuit design. On this previous device, a neuron could wrap around a needle to allow intracellular recording, which was parallelized through the large number of electrodes. In the best case, they could extract about 300 synaptic connections from the recording data – still blowing well past what patch-clamp recording can reach.
Enhancements with the New Microhole Array
With the basic premise in hand, the team suspected they could do better. Co-lead authors Jun Wang and Woo-Bin Jung from the Ham group at SEAS led the design and fabrication of the microhole electrode array on the silicon chip, the electrophysiological recording and the data analysis.
They operated the chip to gently open up cells with small current injections through the electrodes in order to parallelize their intracellular recording. Postdoctoral researcher Wang said the microhole design is similar to the patch-clamp electrode, which is essentially an electrode-housing glass pipette with a hole at the end.
Microhole Electrodes Offer Superior Results
“Not only do microhole electrodes better couple to the interiors of neurons than the vertical nanoneedle electrodes, but they are also much easier to fabricate. This accessibility is another important feature of our work,” Wang said.
More Synaptic Connections and Better Data Quality
The new design exceeded the team’s expectations. On average, more than 3,600 microhole electrodes out of the total 4,096 – that is, 90 percent – were intracellularly coupled to neurons on top. The number of synaptic connections the team extracted from such unprecedented network-wide intracellular recording data bloomed to 70,000 plausible synaptic connections, compared with about 300 with their previous nanoneedle electrode array. The quality of the recording data was also better, which allowed the team to categorize each synaptic connection based on its characteristics and strengths.
The Role of Integrated Electronics
“The integrated electronics in the silicon chip plays as equally an important role as the microhole electrode, providing gentle currents in an elaborate way to obtain intracellular access, and recording at the same time the intracellular signals,” said Jung, a former postdoctoral researcher and now a faculty member at Pohang University of Science and Technology in South Korea.
Moving Towards Live Brain Studies
“One of the biggest challenges, after we succeeded in the massively parallel intracellular recording, was how to analyze the overwhelming amount of data,” Ham said. “We have since come a long way to gain insight into synaptic connections from them. We are now working toward a newer design that can be deployed in a live brain.”
A Future of Better Understanding
Paper co-authors include Rona S. Gertner of the Department of Chemistry and Chemical Biology, and Hongkun Park, the Mark Hyman, Jr. Professor of Chemistry and Professor of Physics.
The research was supported by the Samsung Advanced Institute of Technology of Samsung Electronics.
Da:
https://www.eurekamagazine.co.uk/content/news/harvard-researchers-achieve-breakthrough-in-synaptic-connections-mapping-and-understanding?utm_source=content_recommendation&utm_medium=blueconic
Commenti
Posta un commento