Registro y análisis de la dinámica de conjuntos neuronales multimodales a gran escala en una matriz de microelectrodos de alta densidad integrada en CMOS
8 de marzo de 2024
Aquí, empleamos HD-MEA para profundizar en la dinámica computacional de conjuntos neuronales a gran escala, particularmente en el hipocampo, los circuitos del bulbo olfativo y las redes neuronales humanas. La captura de la actividad espacio-temporal, combinada con herramientas computacionales, proporciona información sobre la complejidad de los conjuntos neuronales. El método mejora la comprensión de las funciones cerebrales, lo que podría identificar biomarcadores y tratamientos para trastornos neurológicos.
Nuestra investigación explora las fronteras de la tecnología neuronal mediante la integración de una matriz de microelectrodos basada en CMOS de alta densidad para decodificar la comunicación neuronal y las grandes redes. Nuestro objetivo es responder cómo se codifica la información neuronal a través de escalas con un detalle único, mejorando nuestra comprensión de la función cerebral y la disfunción en la salud y la enfermedad. Al navegar por la compleja área de la investigación de conjuntos neuronales, nos enfrentamos a desafíos como lograr una resolución precisa de la señal en medio de la actividad cerebral y garantizar la biocompatibilidad de nuestras matrices de microelectrodos basadas en CMOS.
Estos obstáculos son fundamentales para capturar e interpretar con precisión el rico tapiz de la interacción neuronal mediante grabaciones multimodales. Nuestra investigación aborda una brecha crítica en la neurociencia, la falta de un método integral para recodificar y analizar la dinámica de un conjunto neuronal a mayor escala con alta resolución espacial y temporal. Esta brecha dificulta nuestra comprensión de las complejas redes cerebrales y su función en la salud y la enfermedad.
Nuestro protocolo permite grabaciones multimodales, sin etiquetas y de alta resolución en el hipocampo, el bulbo olfatorio y las neuronas humanas derivadas de IPSC, lo que proporciona una herramienta versátil para diversos experimentos. Este enfoque único facilita una visión sin precedentes de la dinámica neuronal, cerrando la brecha de investigación entre varias regiones cerebrales y sistemas modelo, avanzando significativamente en nuestra comprensión de la función y el trastorno neuronal. Los esfuerzos futuros en nuestro laboratorio investigarán en profundidad los cálculos neuronales y la dinámica de los genes a las redes, con el objetivo de unir las firmas moleculares y funcionales en la salud y la enfermedad.
A través de la bioelectrónica avanzada y la tecnología neuronal, nos centraremos en la neuroplasticidad, la codificación olfativa, el desarrollo de IA y estrategias de mejora de la memoria para nuevas terapias e interfaces cerebro-máquina.
Descripción general
Este estudio emplea matrices de microelectrodos de alta densidad (HD-MEA) para examinar la dinámica computacional de conjuntos neuronales a gran escala en circuitos del hipocampo y del bulbo olfatorio, así como en redes neuronales humanas. La integración del registro de actividad espacio-temporal y el análisis computacional mejora la comprensión de las interacciones neuronales complejas, aportando conocimientos sobre la función cerebral y posibles biomarcadores para trastornos neurológicos.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Electrofisiología
- Neurotecnología
Antecedentes
- Dificultades para descifrar la información neural a gran escala.
- Necesidad de grabaciones de alta resolución para estudiar redes cerebrales complejas.
- Enfoque en la biocompatibilidad y la resolución de señales en la tecnología neural.
Objetivo del estudio
- Para cerrar la brecha de investigación en la grabación de la dinámica de conjuntos neuronales a mayor escala.
- Para mejorar la comprensión de la función neuronal en la salud y la enfermedad.
- Para desarrollar una herramienta experimental versátil en diferentes modelos neuronales.
Métodos Utilizados
- Arreglos multielectrodos de alta densidad (HD-MEA) para capturar la actividad neuronal.
- Uso de cortes cerebrales de ratón ex vivo y neuronas humanas derivadas de iPSC in vitro.
- El protocolo incluye procedimientos de preparación, incubación y grabación.
- Destaca la posición precisa de los electrodos y los parámetros de adquisición de señales.
Resultados principales
- El estudio capta y analiza eficazmente la actividad neuronal espacio-temporal.
- Identifica las complejidades de la dinámica neuronal en diferentes modelos.
- Implicaciones potenciales para comprender los mecanismos de codificación y la neuroplasticidad.
Conclusiones
- Esta investigación demuestra un avance significativo en las técnicas de registro del comportamiento neuronal.
- Destaca la comprensión enriquecida de los mecanismos neuronales y las implicaciones de los trastornos.
- Los trabajos futuros pretenden conectar los conocimientos moleculares y funcionales entre modelos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Las matrices de microelectrodos integradas en CMOS de alta densidad (HD-MEA) permiten grabaciones a gran escala y multimodales sin precedentes de la dinámica de conjuntos neuronales, lo que apoya la reducción mecanicista de riesgos y la confianza predictiva en el descubrimiento de fármacos neurológicos. Esta plataforma conecta sistemas ex vivo e in vitro, facilitando la continuidad traslacional y una validación robusta de dianas para el avance de carteras en el sistema nervioso central. La integración de análisis computacionales avanzados posiciona esta metodología como una capacidad empresarial reutilizable para el descubrimiento de biomarcadores y la exploración de circuitos neuronales.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite la cartografía de alta resolución de la actividad de circuitos neuronales para la validación funcional de dianas.
- Apoya la reducción de riesgos mecanicistas al revelar los efectos a nivel de red de intervenciones candidatas.
- Facilita la interrogación basada en hipótesis de vías neuronales relevantes para enfermedades.
- Proporciona datos cuantitativos y reproducibles para la clasificación y priorización de carteras.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Proporciona lecturas electrofisiológicas estandarizadas y sin marcadores en múltiples regiones cerebrales y modelos celulares.
- Permite grabaciones escalables y en múltiples sitios para el desarrollo robusto de ensayos y la preparación para cribado.
- Facilita la reproducibilidad y la comparación cruzada de los efectos de compuestos sobre la dinámica de redes.
- Prepara sistemas biológicos validados para flujos de trabajo de cribado fenotípico de etapa posterior.
Investigación Translacional y Preclínica
- Alinea datos de redes neuronales derivadas de iPSC in vitro con modelos de cortes cerebrales ex vivo para el desarrollo traslacional de biomarcadores.
- Permite la continuidad desde el descubrimiento inicial hasta la validación preclínica de mecanismos de circuitos neuronales.
- Apoya decisiones de avance ajustadas al riesgo mediante el suministro de datos neuronales predictivos y multiescala.
- Facilita la identificación de biomarcadores a nivel de red relevantes para trastornos neurológicos.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
Esta metodología HD-MEA se integra perfectamente desde el descubrimiento inicial hasta la identificación de fármacos promisorios y la investigación preclínica, apoyando tanto la verificación de hipótesis como la alineación de biomarcadores traslacionales.
- Biología del Descubrimiento: Proporciona datos de alto contenido y espaciotemporales para la aclaración de vías y la reducción de riesgos biológicos.
- Selección: Ofrece resultados electrofisiológicos cuantitativos y reproducibles para la evaluación de compuestos.
- Análisis: Brinda análisis computacionales avanzados, incluyendo detección de eventos, teoría de grafos y clasificación basada en aprendizaje automático.
- Investigación Translacional: Conecta modelos in vitro y ex vivo para la validación de sistemas relevantes para enfermedades y el descubrimiento de biomarcadores.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma escalable y reutilizable para la interrogación de circuitos neuronales entre programas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en la validación de dianas del SNC.
- Valor operativo: Estandariza la adquisición y el análisis de datos neuronales multimodales en diversos modelos.
- Valor estratégico: Permite tomar decisiones informadas de avance o interrupción del desarrollo y una gestión eficiente del portafolio en términos de capital.
- Impacto en el portafolio: Apoya la priorización ajustada al riesgo y el avance de activos del SNC.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en electrofisiología, neurociencia computacional y análisis avanzado de datos.
- Exige acceso a instrumentación de MEA de alta densidad e infraestructura computacional robusta.
- Necesita estandarización entre equipos de los protocolos de grabación y análisis.
- Adaptable tanto a cortes cerebrales de roedores como a cultivos neuronales derivados de iPSC humanas.
- La resolución de la señal y la biocompatibilidad deben optimizarse para cada sistema modelo.
Preguntas frecuentes sobre biofármacos
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
