تسجيل وتحليل ديناميكيات المجموعة العصبية متعددة الوسائط واسعة النطاق على صفيف الأقطاب الكهربائية الدقيقة عالية الكثافة المدمجة CMOS
مارس 8, 2024
هنا ، نستخدم HD-MEA للتعمق في الديناميات الحسابية للمجموعات العصبية واسعة النطاق ، لا سيما في الحصين ، ودوائر البصلة الشمية ، والشبكات العصبية البشرية. يوفر التقاط النشاط الزماني المكاني ، جنبا إلى جنب مع الأدوات الحسابية ، نظرة ثاقبة لتعقيد المجموعة العصبية. تعزز هذه الطريقة فهم وظائف الدماغ ، ويحتمل أن تحدد المؤشرات الحيوية وعلاجات الاضطرابات العصبية.
يستكشف بحثنا حدود التكنولوجيا العصبية من خلال دمج مصفوفة الأقطاب الكهربائية الدقيقة عالية الكثافة القائمة على CMOS لفك تشفير الاتصالات العصبية والشبكات الكبيرة. نهدف إلى الإجابة عن كيفية تشفير المعلومات العصبية عبر المقاييس بتفاصيل فريدة ، مما يعزز فهمنا لوظائف المخ والخلل الوظيفي في الصحة والمرض. من خلال التنقل في المنطقة المعقدة لأبحاث المجموعة العصبية ، نواجه تحديات مثل تحقيق دقة دقيقة للإشارة وسط نشاط الدماغ ، وضمان التوافق الحيوي لمصفوفات الأقطاب الكهربائية الدقيقة القائمة على CMOS.
هذه العقبات محورية في التقاط وتفسير النسيج الغني للتفاعل العصبي بدقة باستخدام التسجيلات متعددة الوسائط. يعالج بحثنا فجوة حرجة في علم الأعصاب ، وهي عدم وجود طريقة شاملة لإعادة ترميز وتحليل ديناميكيات المجموعة العصبية واسعة النطاق بدقة مكانية وزمانية عالية. هذه الفجوة تعيق فهمنا لشبكات الدماغ المعقدة ووظيفتها في الصحة والمرض.
يتيح بروتوكولنا تسجيلات متعددة الوسائط وخالية من الملصقات وعالية الدقة عبر الحصين والبصلة الشمية والخلايا العصبية البشرية المشتقة من IPSC ، مما يوفر أداة متعددة الاستخدامات للتجارب المتنوعة. يسهل هذا النهج الفريد رؤية لا مثيل لها في ديناميكيات الخلايا العصبية ، وسد الفجوة البحثية بين مناطق الدماغ المختلفة وأنظمة النماذج ، مما يعزز بشكل كبير فهمنا للوظيفة العصبية والاضطراب. ستبحث المساعي المستقبلية في مختبرنا بعمق في الحسابات العصبية والديناميكيات من الجينات إلى الشبكات ، بهدف سد التوقيعات الجزيئية والوظيفية في الصحة والمرض.
من خلال الإلكترونيات الحيوية المتقدمة والتكنولوجيا العصبية ، سنركز على المرونة العصبية ، والترميز الشمي ، وتطوير الذكاء الاصطناعي ، واستراتيجيات تعزيز الذاكرة للعلاجات الجديدة وواجهات آلة الدماغ.
نظرة عامة
تستخدم هذه الدراسة مصفوفات الأقطاب الكهربائية المتعددة عالية الكثافة (HD-MEA) لفحص الديناميكيات الحسابية لمجموعات عصبونية واسعة النطاق في دوائر الحصين والبصلة الشمية، بالإضافة إلى الشبكات العصبونية البشرية. ويعزز دمج تسجيل النشاط الزمكاني والتحليل الحسابي من فهم التفاعلات العصبونية المعقدة، مما يوفر رؤى حول وظائف الدماغ والمؤشرات الحيوية المحتملة للاضطرابات العصبية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- الفيزيولوجيا الكهربائية
- التكنولوجيا العصبية
خلفية علمية
- التحديات التي تواجه فك تشفير المعلومات العصبية على نطاق واسع.
- الحاجة إلى تسجيلات عالية الدقة لدراسة الشبكات الدماغية المعقدة.
- التركيز على التوافق الحيوي ودقة الإشارة في التكنولوجيا العصبية.
الغرض من الدراسة
- لسد الفجوة البحثية في تسجيل ديناميكيات المجموعات العصبية واسعة النطاق.
- لتعزيز فهم الوظائف العصبية في حالتي الصحة والمرض.
- لتطوير أداة تجريبية متعددة الاستخدامات عبر نماذج عصبية مختلفة.
الطرق المستخدمة
- مصفوفات أقطاب كهربائية متعددة عالية الكثافة (HD-MEA) لرصد النشاط العصبي.
- استخدام شرائح دماغ الفأر خارج الجسم (ex vivo) وعصبونات بشرية مشتقة من الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSC) في المختبر (in vitro).
- يتضمن البروتوكول إجراءات التحضير والحضانة والتسجيل.
- يركز على دقة وضع الأقطاب الكهربائية ومعايير اكتساب الإشارة.
النتائج الرئيسية
- ترصد الدراسة النشاط العصبي الزماني المكاني وتحلله بفعالية.
- تحدد التعقيدات الخاصة بالديناميكيات العصبية عبر نماذج مختلفة.
- تداعيات محتملة لفهم اللدونة العصبية وآليات الترميز.
الاستنتاجات
- يوضح هذا البحث تقدماً ملحوظاً في تقنيات تسجيل السلوك العصبي.
- ويسلط الضوء على الفهم المعمق للآليات العصبية وتداعيات الاضطرابات.
- تهدف الأعمال المستقبلية إلى الربط بين الرؤى الجزيئية والوظيفية عبر النماذج المختلفة.
الأسئلة الشائعة
الأهمية التنفيذية في القطاع الصناعي
تتيح مصفوفات الأقطاب الكهربائية الدقيقة المتكاملة مع CMOS عالية الكثافة (HD-MEA) تسجيلات واسعة النطاق ومتعددة الأنماط وغير مسبوقة لديناميكيات المجموعات العصبية، مما يدعم تقليل المخاطر الميكانيكية وتعزيز الثقة التنبؤية في عمليات اكتشاف الأدوية العصبية. وتعمل هذه المنصة كجسر يربط بين الأنظمة خارج الحيوية (ex vivo) والأنظمة المختبرية (in vitro)، مما يسهل الاستمرارية التحويلية والتحقق القوي من الأهداف من أجل تطوير محفظة أدوية الجهاز العصبي المركزي (CNS). كما أن دمج التحليلات الحاسوبية المتقدمة يجعل من هذه المنهجية قدرة مؤسسية قابلة لإعادة الاستخدام لاكتشاف المؤشرات الحيوية واستقصاء الدوائر العصبية.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير للمستحضرات الدوائية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- يتيح رسم خرائط عالية الدقة لنشاط الدوائر العصبية من أجل التحقق من الأهداف الوظيفية.
- يدعم تقليل المخاطر الميكانيكية من خلال الكشف عن التأثيرات على مستوى الشبكة للتدخلات المرشحة.
- يسهل الاستقصاء القائم على الفرضيات للمسارات العصبية ذات الصلة بالمرض.
- يوفر بيانات كمية وقابلة للتكرار لفرز وتحديد أولويات محفظة المشاريع.
الفحص وتطوير المقايسة
- يوفر قراءات كهرومغناطيسية قياسية وخالية من الوسوم عبر مناطق متعددة في الدماغ ونماذج خلوية متنوعة.
- يتيح تسجيلات قابلة للتوسع في مواقع متعددة لضمان تطوير مقاييس قوية والجاهزية لعمليات الفحص.
- يدعم قابلية التكرار والمقارنة المتقاطعة لتأثيرات المركبات على ديناميكيات الشبكة.
- يجهز أنظمة بيولوجية تم التحقق من صحتها لسير عمل عمليات الفحص المظهري اللاحقة.
الأبحاث الترجمية والسريرية الأولية
- يوائم بيانات الشبكة العصبية المشتقة من الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSC) في المختبر مع نماذج شرائح الدماغ خارج الجسم الحي لتطوير المؤشرات الحيوية الانتقالية.
- يمكّن من تحقيق الاستمرارية بدءاً من مرحلة الاكتشاف المبكر وصولاً إلى التحقق قبل السريري من آليات الدوائر العصبية.
- يدعم قرارات التطوير المعدلة وفقاً للمخاطر من خلال توفير بيانات عصبية تنبؤية متعددة المقاييس.
- يسهل تحديد المؤشرات الحيوية على مستوى الشبكة ذات الصلة بالاضطرابات العصبية.
تكامل سير العمل والمسار التحليلي
تتكامل منهجية مصفوفات الأقطاب الكهربائية الدقيقة عالية الكثافة (HD-MEA) بسلاسة بدءاً من مراحل الاكتشاف المبكرة وصولاً إلى تحديد المركبات الرائدة والأبحاث قبل السريرية، مما يدعم كلاً من اختبار الفرضيات ومواءمة المؤشرات الحيوية الانتقالية.
- بيولوجيا الاكتشاف: توفر بيانات مكانية-زمانية عالية المحتوى لتوضيح المسارات والحد من المخاطر البيولوجية.
- الفحص: يقدم مخرجات فيزيولوجية كهربائية كمية وقابلة للتكرار لتقييم المركبات.
- التحليلات: توفر تحليلات حاسوبية متقدمة، بما في ذلك اكتشاف الأحداث، ونظرية المخططات، والتصنيف القائم على التعلم الآلي.
- الأبحاث الانتقالية: تجسر العلاقة بين النماذج المختبرية (in vitro) والنماذج خارج الجسم (ex vivo) للتحقق من الأنظمة ذات الصلة بالمرض واكتشاف المؤشرات الحيوية.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: تؤسس منصة قابلة للتوسع وإعادة الاستخدام لاستقصاء الدوائر العصبية عبر البرامج المختلفة.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تزيد من الثقة التنبؤية وتقلل من الغموض الآلي في التحقق من أهداف الجهاز العصبي المركزي.
- القيمة التشغيلية: توحد عمليات الحصول على البيانات العصبية متعددة الأنماط وتحليلها عبر نماذج متنوعة.
- القيمة الاستراتيجية: تتيح اتخاذ قرارات مدروسة بشأن المضي قدماً أو التوقف، وإدارة المحفظة بكفاءة رأسمالية.
- تأثير المحفظة: تدعم ترتيب الأولويات المعدل حسب المخاطر والنهوض بأصول الجهاز العصبي المركزي.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في الفيزيولوجيا الكهربائية، وعلم الأعصاب الحسابي، وتحليلات البيانات المتقدمة.
- يستلزم الوصول إلى أجهزة مصفوفات الأقطاب الكهربائية الدقيقة (MEA) عالية الكثافة وبنية تحتية حسابية قوية.
- يستوجب توحيد بروتوكولات التسجيل والتحليل عبر الفرق البحثية.
- قابل للتطبيق على كل من شرائح دماغ القوارض والمستنبتات العصبية المشتقة من الخلايا الجذعية البشرية المستحثة متعددة القدرات (iPSC).
- يجب تحسين دقة الإشارة والتوافق الحيوي لكل نظام نموذجي.
الأسئلة الشائعة حول المستحضرات الصيدلانية الحيوية
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:21
Ex‐Vivo Brain Slices Preparation from Mouse Brain Tissue for Studying Hippocampal‐Cortical and Olfactory Bulb Circuits
3:22
In‐Vitro Culture of Human‐Induced Pluripotent Stem Cells (iPSC) on High‐Density Microelectrode Array (HD‐MEA)
4:44
Ex‐Vivo Circuit‐Wide Recordings from Hippocampal‐Cortical and Olfactory Bulb Slices Using High‐Density Microelectrode Array (HD‐MEA)
6:15
Preparation of Human iPSC Recording Workspace and Network‐Wide Recordings on High‐Density Microelectrode Array (HD‐MEA)
7:05
Analysis of Ex‐Vivo Mouse Brain Slices and In‐Vitro Human iPSC‐Derived Neuronal Networks
