Registrazione e analisi della dinamica di ensemble neuronali multimodali su larga scala su array di microelettrodi ad alta densità integrati in CMOS
8 marzo 2024
Qui, impieghiamo l'HD-MEA per approfondire le dinamiche computazionali di insiemi neuronali su larga scala, in particolare nell'ippocampo, nei circuiti del bulbo olfattivo e nelle reti neuronali umane. L'acquisizione dell'attività spazio-temporale, combinata con strumenti computazionali, fornisce informazioni sulla complessità dell'insieme neuronale. Il metodo migliora la comprensione delle funzioni cerebrali, identificando potenzialmente biomarcatori e trattamenti per i disturbi neurologici.
La nostra ricerca esplora le frontiere della tecnologia neurale integrando array di microelettrodi basati su CMOS ad alta densità per la decodifica della comunicazione neurale e delle reti di grandi dimensioni. Miriamo a rispondere a come le informazioni neurali su scale sono codificate in modo dettagliato, migliorando la nostra comprensione della funzione e della disfunzione cerebrale in salute e malattia. Navigando nella complessa area della ricerca sugli insiemi neuronali, affrontiamo sfide come il raggiungimento di una risoluzione precisa del segnale durante l'attività cerebrale e la garanzia della biocompatibilità dei nostri array di microelettrodi basati su CMOS.
Questi ostacoli sono fondamentali per catturare e interpretare con precisione il ricco arazzo dell'interazione neurale utilizzando registrazioni multimodali. La nostra ricerca affronta una lacuna critica nelle neuroscienze, la mancanza di un metodo completo per ricodificare e analizzare le dinamiche di un insieme neuronale su larga scala con un'elevata risoluzione spaziale e temporale. Questa lacuna ostacola la nostra comprensione delle complesse reti cerebrali e delle funzioni in salute e malattia.
Il nostro protocollo consente registrazioni multimodali, prive di etichette e ad alta risoluzione attraverso l'ippocampo, il bulbo olfattivo e i neuroni umani derivati da IPSC, fornendo uno strumento versatile per diversi esperimenti. Questo approccio unico facilita una comprensione senza precedenti delle dinamiche neuronali, colmando il divario di ricerca tra varie regioni cerebrali e sistemi modello, facendo progredire in modo significativo la nostra comprensione della funzione neurale e del disturbo. Gli sforzi futuri nel nostro laboratorio indagheranno in profondità i calcoli e le dinamiche neurali dai geni alle reti, con l'obiettivo di collegare le firme molecolari e funzionali nella salute e nella malattia.
Attraverso la bioelettronica avanzata e la tecnologia neurale, ci concentreremo sulla neuroplasticità, sulla codifica olfattiva, sullo sviluppo di strategie di intelligenza artificiale e di miglioramento della memoria per nuove terapie e interfacce cervello-macchina.
Panoramica
Questo studio utilizza array di microelettrodi ad alta densità (HD-MEA) per esaminare la dinamica computazionale di popolazioni neuronali su larga scala nei circuiti ippocampali e del bulbo olfattivo, nonché nelle reti neuronali umane. L'integrazione della registrazione dell'attività spaziotemporale e dell'analisi computazionale migliora la comprensione delle interazioni neuronali complesse, fornendo informazioni sul funzionamento cerebrale e su potenziali biomarcatori per i disturbi neurologici.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Elettrofisiologia
- Neurotecnologia
Sfondo
- Sfide nella decodifica dell'informazione neurale su larga scala.
- Necessità di registrazioni ad alta risoluzione per lo studio di reti cerebrali complesse.
- Attenzione alla biocompatibilità e alla risoluzione del segnale nelle tecnologie neurali.
Scopo dello studio
- Colmare il divario nella ricerca relativo alla registrazione della dinamica di ensemble neuronali su larga scala.
- Migliorare la comprensione della funzione neuronale in condizioni fisiologiche e patologiche.
- Sviluppare uno strumento sperimentale versatile applicabile a diversi modelli neuronali.
Metodi Utilizzati
- Matrici ad alta densità di elettrodi (HD-MEA) per acquisire l'attività neuronale.
- Utilizzo di fette cerebrali di topo ex vivo e neuroni umani derivati da iPSC in vitro.
- Il protocollo comprende le procedure di preparazione, incubazione e registrazione.
- Pone particolare enfasi sulla posizione precisa degli elettrodi e sui parametri di acquisizione del segnale.
Risultati principali
- Lo studio cattura ed analizza efficacemente l'attività neuronale spaziotemporale.
- Identifica le complessità della dinamica neuronale in diversi modelli.
- Implicazioni potenziali per la comprensione della neuroplasticità e dei meccanismi di codifica.
Conclusioni
- Questa ricerca dimostra un notevole progresso nelle tecniche di registrazione dell'attività neuronale.
- Evidenzia una migliore comprensione dei meccanismi neurali e delle implicazioni nei disturbi.
- I futuri studi mirano a collegare le conoscenze molecolari e funzionali attraverso diversi modelli.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Metodo
Gli array di microelettrodi integrati in CMOS ad alta densità (HD-MEA) consentono registrazioni su larga scala, multimediali e senza precedenti delle dinamiche di popolazioni neuronali, supportando la riduzione dei rischi meccanicistici e una maggiore affidabilità predittiva nella scoperta di farmaci neurologici. Questa piattaforma collega sistemi ex vivo e in vitro, facilitando una continuità traslazionale e una valida conferma degli obiettivi per lo sviluppo del portafoglio del sistema nervoso centrale. L'integrazione di analisi computazionali avanzate colloca questa metodologia come capacità aziendale riutilizzabile per la scoperta di biomarcatori e l'analisi dei circuiti neurali.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette una mappatura ad alta risoluzione dell'attività dei circuiti neuronali per la validazione funzionale di bersagli.
- Supporta la riduzione del rischio meccanicistica rivelando gli effetti a livello di rete delle possibili interazioni.
- Facilita l'analisi guidata da ipotesi sui percorsi neurali rilevanti per la malattia.
- Fornisce dati quantitativi e riproducibili per la selezione e la priorizzazione del portafoglio.
Sviluppo di screening e saggi
- Fornisce letture elettrofisiologiche standardizzate e prive di marcatori in diverse regioni cerebrali e modelli cellulari.
- Consente registrazioni scalabili e multilocalità per lo sviluppo solido di saggi e la prontezza per lo screening.
- Permette la riproducibilità e il confronto incrociato degli effetti dei composti sulla dinamica delle reti.
- Prepara sistemi biologici validati per flussi di lavoro di screening fenotipico a valle.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea i dati ottenuti da reti neuronali derivate da iPSC in vitro a modelli di fette cerebrali ex vivo per lo sviluppo di biomarcatori traslazionali.
- Permette una continuità dalla fase iniziale di scoperta fino alla validazione preclinica dei meccanismi dei circuiti neurali.
- Supporta decisioni di avanzamento basate sulla valutazione del rischio fornendo dati neurali predittivi e su più scale.
- Facilita l'identificazione di biomarcatori a livello di rete rilevanti per i disturbi neurologici.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questa metodologia HD-MEA si integra perfettamente dallo stadio iniziale di scoperta fino all'identificazione dei composti promettenti e alla ricerca preclinica, sostenendo sia la verifica delle ipotesi sia l'allineamento dei biomarcatori traslazionali.
- Biologia della scoperta: Fornisce dati ad alto contenuto informativo e spaziotemporali per la chiarificazione dei percorsi biologici e la riduzione del rischio biologico.
- Screening: Offre output elettrofisiologici quantitativi e riproducibili per la valutazione di composti.
- Analisi: Fornisce analisi computazionali avanzate, inclusi il rilevamento di eventi, la teoria dei grafi e la classificazione basata sull'apprendimento automatico.
- Ricerca traslazionale: Collega modelli in vitro ed ex vivo per la validazione di sistemi rilevanti per le malattie e la scoperta di biomarcatori.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma scalabile e riutilizzabile per l'analisi di circuiti neurali trasversali ai programmi.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nella validazione degli obiettivi del sistema nervoso centrale.
- Valore operativo: Standardizza l'acquisizione e l'analisi di dati neurali multimodali in modelli diversi.
- Valore strategico: Consente decisioni informate di prosecuzione/cessazione e una gestione efficiente del portafoglio in termini di capitale.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione e la progressione di asset per il sistema nervoso centrale con una gestione del rischio adeguata.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze in elettrofisiologia, neuroscienze computazionali e analisi avanzata dei dati.
- Richiede accesso a strumentazione MEA ad alta densità e a un'infrastruttura computazionale robusta.
- Necessita di una standardizzazione intersettoriale dei protocolli di registrazione e analisi.
- Adattabile sia a fette cerebrali di roditore che a colture neuronali derivate da iPSC umani.
- La risoluzione del segnale e la biocompatibilità devono essere ottimizzate per ogni sistema modello.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
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
