Запись тысяч импульсов нервных клеток с высоким разрешением

By Антуан Кочевой No comments

Запись тысяч импульсов нервных клеток с высоким разрешением
Измерительный чип в основании чашки для культивирования клеток. Кредит: ETH Zurich/Xinyue Yuan

Исследователи ETH разработали новое поколение микросхем на основе микроэлектродов для измерения нервных импульсов, что позволяет изучать взаимодействие тысяч нервных клеток друг с другом.

Уже более 15 лет профессор ETH Андреас Хирлеманн и его группа разрабатывают микросхемы с микроэлектродной матрицей, которые можно использовать для точного возбуждения нервных клеток в клеточных культурах и для измерения электрической активности клеток. Эти разработки позволяют выращивать нервные клетки в чашках для культивирования клеток и использовать чипы, расположенные на дне чашки, для детального изучения каждой отдельной клетки в связанной нервной ткани. Альтернативные методы проведения таких измерений имеют некоторые явные ограничения. Они либо занимают очень много времени — потому что контакт с каждой клеткой должен устанавливаться индивидуально, — либо они требуют использования флуоресцентных красителей, которые влияют на поведение клеток и, следовательно, на результат экспериментов.

Теперь исследователи из группы Хирлеманна из Департамента биосистем, науки и инженерии ETH Zurich в Базеле вместе с Урсом Фреем и его коллегами из дочерней компании ETH MaxWell Biosystems разработали новое поколение микросхем на базе микроэлектродов. Эти чипы позволяют детально регистрировать значительно большее количество электродов, чем предыдущие системы, что открывает новые возможности.

Требуется более сильный сигнал

Как и в предыдущих поколениях микросхем, новые микросхемы содержат около 20 000 микроэлектродов на площади 2 x 4 миллиметра. Чтобы эти электроды улавливали относительно слабые нервные импульсы, сигналы необходимо усиливать. Примеры слабых сигналов, которые ученые хотят обнаружить, включают сигналы нервных клеток, полученные из плюрипотентных стволовых клеток человека (iPS-клетки). В настоящее время они используются во многих моделях болезней клеточных культур. Еще одна причина для значительного усиления сигналов заключается в том, что исследователи хотят отслеживать нервные импульсы в аксонах (тонких, очень тонких волокнистых отростках нервной клетки).

Однако высокопроизводительная усилительная электроника занимает много места, поэтому предыдущий чип мог одновременно усиливать и считывать сигналы только с 1000 из 20 000 электродов. Хотя 1000 электродов можно было выбрать произвольно, их нужно было определять перед каждым измерением. Это означало, что во время измерения можно было делать подробные записи только на части площади чипа.

Запись тысяч импульсов нервных клеток с высоким разрешением
Крупным планом — новый двухрежимный чип. Область измерения в центре изображения (зеленая) составляет 2 х 4 миллиметра. Кредит: ETH Zurich/Xinyue Yuan

Уменьшен фоновый шум

В новом чипе усилители меньше, что позволяет одновременно усиливать и измерять сигналы от всех 20 000 электродов. Однако усилители меньшего размера имеют более высокий уровень шума. Итак, чтобы убедиться, что они улавливают даже самые слабые нервные импульсы, исследователи включили в новые микросхемы некоторые из более крупных и мощных усилителей и использовали изящный трюк: они используют эти мощные усилители для определения моментов времени, в которые возникают нервные импульсы. в чашке для культивирования клеток. В эти моменты времени они могут искать сигналы на других электродах, и, взяв среднее значение нескольких последовательных сигналов, они могут уменьшить фоновый шум. Эта процедура дает четкое изображение активности сигнала по всей измеряемой области.

В первых экспериментах, которые исследователи опубликовали в журнале Nature Communications, они продемонстрировали свой метод на нейронных клетках человека, полученных с помощью ИПС, а также на срезах мозга, кусочках сетчатки, сердечных клетках и сфероидах нейронов. .

Применение в разработке лекарств

С помощью нового чипа ученые могут создавать электрические изображения не только клеток, но и протяженности их аксонов, а также определять, насколько быстро нервный импульс передается в самые дальние уголки аксонов. «Предыдущие поколения микросхем с матрицами микроэлектродов позволяли нам измерять до 50 нервных клеток. С новым чипом мы можем проводить подробные измерения более 1000 клеток в культуре одновременно», — говорит Хирлеманн.

Такие комплексные измерения подходят для проверки действия лекарств, а это означает, что теперь ученые могут проводить исследования и эксперименты с культурами клеток человека, а не полагаться на лабораторных животных. Таким образом, эта технология также помогает сократить количество экспериментов на животных.

Компания MaxWell Biosystems, дочерняя компания ETH, уже занимается маркетингом существующей технологии микроэлектродов, которая сейчас используется во всем мире более чем сотней исследовательских групп в университетах и ​​в промышленности. В настоящее время компания рассматривает возможность коммерциализации нового чипа ./p>

Добавить комментарий