Elektronový snímek kultury neuronů na soustavě nanoelektrod unikátního čipu. Kredit: Harvard SEAS.

Naše nervové buňky, které tvoří mozek a nervy, používají ke komunikaci slabé elektrické signály. V nich se ukrývá naše myšlení, paměť i naše vědomí. Potíž je v tom, že zatím nikdo přesně neví, jak to všechno vlastně funguje. Neurovědci se už dlouho snaží elektrické signály neuronů odposlouchávat. Je to ale velmi náročné. V dnešní době považujeme za úspěch, když dokážeme detekovat signály ze soustavy 10 propojených neuronů. Pak není divu, že o mozku vlastně nic moc nevíme.

Donhee Ham. Kredit: Harvard SEAS.

Teď by se to mohlo radikálně změnit. Donhee Ham z americké Harvard University a jeho kolegové vyvinuli unikátní elektronický čip, který umožňuje neurovědcům s vysokou citlivostí detekovat elektrické signály z nitra celých tisícovek propojených neuronů zároveň. Je to zásadní průlom, který teď povede ke zmapování propojení neuronů na doposud nevídané úrovni.

Nový čip zároveň nabízí velmi cenné praktické aplikace. Je to vlastně systém pro intenzivní testování nových léků na Alzheimera, Parkinsona, schizofrenii, autismus nebo třeba závislosti – na velké síti neuronů. Zároveň umožňuje zmapovat biologické synaptické sítě, což by mohlo vést k novým postupům pro vývojáře umělých inteligencí, tvůrce pokročilých umělých neurálních sítí a konstruktéry neuromorfních čipů.

Čip pro výzkum chování neuronů v reálném čase. Kredit: Harvard SEAS.

Přitom nejde o žádnou revoluční konstrukci čipu. Ham a spol. vyvinuli svůj čip s pomocí stejné technologie, s jakou se vyrábějí dnešní počítačové mikročipy. Klíčovým prvkem čipu je soustava velmi hustě uspořádaných nanoelektrod, které jsou s vysokou přesností zapojené do elektroniky čipu. Nanoelektrody jsou potažené vrstvou platinového prachu, díky čemuž mají hrubý povrch, který zvyšuje jejich schopnost detekovat signál neuronů.

Detekce signálů 65 propojených neuronů po aplikaci testovaného léku. Kredit: Harvard SEAS.

Studované neurony rostou přímo na povrchu čipu s nanoelektrodami. Elektronika čipu posílá slabý elektrický proud nanoelektrodami do každého takového neuronu, čímž dojde k vytvoření nepatrných otvorů v buněčné stěně neuronu. Čip rovněž zesiluje napětí elektrických signálů, které nanoelektrody díky těmto otvorům zachytí uvnitř neuronů.

Hamův tým už prověřil fungování čipu s nanoelektrodami v experimentu. Použili ho k detekci signálů ze soustavy více než 1 700 propojených potkaních neuronů. Za pouhých 20 minut nahrávání elektrických signálů neuronů badatelé doposud nevídaným způsobem zachytili chování rozsáhlé sítě neuronů. Na základě takto získaných dat mohli zmapovat více než 300 synaptických spojů. Brány tajemství lidské mysli jsou už na dohled.

Literatura
Harvard SEAS 24. 9. 2019, Nature Biomedical Engineering online 23. 9. 2019.