Vastleggen en analyseren van multimodale grootschalige neuronale ensembledynamiek op CMOS-geïntegreerde micro-elektrode-array met hoge dichtheid
8 maart 2024
Hier gebruiken we HD-MEA om ons te verdiepen in de computationele dynamica van grootschalige neuronale ensembles, met name in hippocampussen, olfactoriusbolcircuits en menselijke neuronale netwerken. Het vastleggen van spatiotemporele activiteit, gecombineerd met computationele tools, geeft inzicht in de complexiteit van neuronale ensembles. De methode verbetert het begrip van hersenfuncties en identificeert mogelijk biomarkers en behandelingen voor neurologische aandoeningen.
Ons onderzoek verkent de grenzen van neurale technologie door CMOS-gebaseerde micro-elektrode-array met hoge dichtheid te integreren voor het decoderen van neurale communicatie en grote netwerken. We streven ernaar om te beantwoorden hoe neurale informatie op verschillende schalen in uniek detail wordt gecodeerd, waardoor ons begrip van hersenfunctie en disfunctie in gezondheid en ziekte wordt vergroot. Navigerend door het complexe gebied van neuronaal ensembleonderzoek, worden we geconfronteerd met uitdagingen zoals het bereiken van nauwkeurige signaalresolutie te midden van hersenactiviteit en het waarborgen van de biocompatibiliteit van onze CMOS-gebaseerde micro-elektrode-arrays.
Deze hindernissen zijn cruciaal bij het nauwkeurig vastleggen en interpreteren van het rijke tapijt van neurale interactie met behulp van multimodale opnames. Ons onderzoek richt zich op een kritieke lacune in de neurowetenschappen, het ontbreken van een uitgebreide methode om de dynamiek van een grootschaliger neuronaal ensemble met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie te hercoderen en te analyseren. Deze kloof belemmert ons begrip van complexe hersennetwerken en functies in gezondheid en ziekte.
Ons protocol maakt multimodale, labelvrije opnames met hoge resolutie mogelijk over de hippocampus, de bulbus olfactorius en menselijke IPSC-afgeleide neuronen, wat een veelzijdig hulpmiddel biedt voor diverse experimenten. Deze unieke aanpak maakt een ongeëvenaard inzicht in neuronale dynamiek mogelijk en overbrugt de onderzoekskloof tussen verschillende hersengebieden en modelsystemen, waardoor ons begrip van neurale functie en stoornis aanzienlijk wordt verbeterd. Toekomstige inspanningen in ons laboratorium zullen neurale berekeningen en dynamiek van genen tot netwerken diepgaand onderzoeken, met als doel moleculaire en functionele handtekeningen in gezondheid en ziekte te overbruggen.
Door middel van geavanceerde bio-elektronica en neurale technologie zullen we ons richten op neuroplasticiteit, olfactorische codering, het ontwikkelen van AI en geheugenverbeterende strategieën voor nieuwe therapieën en hersen-machine-interfaces.
Overzicht
Deze studie maakt gebruik van high-density multi-electrode arrays (HD-MEA) om de computationele dynamiek van grootschalige neuronale ensembles in circuits van de hippocampus en bolbulbus, alsmede in menselijke neuronale netwerken, te onderzoeken. De integratie van spatiotemporele activiteitsregistratie en computationele analyse verdiept het begrip van complexe neuronale interacties, wat inzicht biedt in de hersenfunctie en potentiële biomarkers voor neurologische aandoeningen.
Belangrijkste Onderdelen van de Studie
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Elektrofysiologie
- Neurotechnologie
Achtergrond
- Uitdagingen bij het decoderen van neurale informatie op grote schaal.
- Behoefte aan opnames met een hoge resolutie om complexe hersennetwerken te bestuderen.
- Focus op biocompatibiliteit en signaalresolutie in neurale technologie.
Doel van de studie
- Om het hiaat in onderzoek naar het registreren van de dynamiek van grootschalige neuronale ensembles te overbruggen.
- Om het begrip van de neurale functie bij gezondheid en ziekte te verbeteren.
- Om een veelzijdige experimentele tool te ontwikkelen die in verschillende neuronale modellen kan worden toegepast.
Gebruikte methoden
- Multi-elektrode arrays met hoge dichtheid (HD-MEA) voor het vastleggen van neuronale activiteit.
- Gebruik van ex vivo muizenbrensneden en in vitro neuronen afgeleid van menselijke iPSC's.
- Het protocol omvat procedures voor preparatie, incubatie en registratie.
- Nadruk op precieze positionering van elektroden en parameters voor signaalacquisitie.
Belangrijkste resultaten
- De studie legt spatiotemporele neuronale activiteit effectief vast en analyseert deze.
- Identificeert de complexiteit van neuronale dynamiek in verschillende modellen.
- Potentiële implicaties voor het begrijpen van neuroplasticiteit en coderingsmechanismen.
Conclusies
- Dit onderzoek demonstreert een aanzienlijke vooruitgang in registratietechnieken voor neuraal gedrag.
- Het benadrukt het verdiepte begrip van neurale mechanismen en de implicaties van stoornissen.
- Toekomstig werk is erop gericht om moleculaire en functionele inzichten over verschillende modellen heen te verbinden.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
Micro-elektrodearrays met hoge dichtheid die zijn geïntegreerd in CMOS (HD-MEA) maken ongekende, multimodale opnames op grote schaal van neuronale ensemble-dynamiek mogelijk, wat bijdraagt aan mechanische risicoreductie en voorspellende betrouwbaarheid bij het ontdekken van neurofarmaca. Dit platform slaat een brug tussen ex vivo en in vitro systemen, wat de translationele continuïteit en robuuste targetvalidatie voor de verdere ontwikkeling van CNS-portfolio's faciliteert. De integratie van geavanceerde computationele analyses positioneert deze methodologie als een herbruikbare bedrijfscapaciteit voor de ontdekking van biomarkers en het onderzoeken van neurale circuits.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt resolutie-rijke mapping van neuronale circuitactiviteit mogelijk voor functionele targetvalidatie.
- Ondersteunt mechanische risicoreductie door netwerkeffecten van kandidaat-interventies te onthullen.
- Faciliteert hypothese-gestuurde analyse van ziekterelateerde neurale paden.
- Levert kwantitatieve, reproduceerbare gegevens voor triage en prioritering van het portfolio.
Screening & Assayontwikkeling
- Levert gestandaardiseerde, labelvrije elektrofysiologische read-outs in meerdere hersengebieden en celmodellen.
- Maakt schaalbare, multi-site opnames mogelijk voor een robuuste assay-ontwikkeling en screeningparaatheid.
- Ondersteunt de reproduceerbaarheid en cross-vergelijking van effecten van verbindingen op netwerkdynamiek.
- Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream fenotypische screening-workflows.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt in vitro data van iPSC-afgeleide neuronale netwerken uit met ex vivo hersensnijmodellen voor de ontwikkeling van translationele biomarkers.
- Maakt continuïteit mogelijk van vroege ontdekking tot preklinische validatie van mechanismen in neurale circuits.
- Ondersteunt risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling door predictieve, multiscale neurale data te leveren.
- Faciliteert de identificatie van biomarkers op netwerkniveau die relevant zijn voor neurologische aandoeningen.
Integratie van Pipeline & Workflow
Deze HD-MEA-methodologie integreert naadloos van vroege ontdekking tot lead-identificatie en preklinisch onderzoek, en ondersteunt zowel hypothese-testen als translationele biomarker-afstemming.
- Discovery Biology: Levert hoogwaardige spatiotemporele data voor het verduidelijken van signaalpaden en biologische risicoreductie.
- Screening: Biedt reproduceerbare, kwantitatieve elektrofysiologische resultaten voor de evaluatie van verbindingen.
- Analytics: Levert geavanceerde computationele analyses, waaronder eventdetectie, grafentheorie en classificatie op basis van machine learning.
- Translational Research: Slaat een brug tussen in vitro en ex vivo modellen voor ziekterelevante systeemvalidatie en de ontdekking van biomarkers.
- Enterprise Reuse: Vestigt een schaalbaar, herbruikbaar platform voor de overkoepelende analyse van neurale circuits binnen diverse programma's.
Operationele en bedrijfsmatige impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij de validatie van CNS-targets.
- Operationele waarde: Standaardiseert de acquisitie en analyse van multimodale neurale data over diverse modellen heen.
- Strategische waarde: Maakt geïnformeerde go/no-go-beslissingen en kapitaalefficiënt portfoliobeheer mogelijk.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering en het verder ontwikkelen van CNS-assets.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in elektrofysiologie, computationele neurowetenschappen en geavanceerde data-analyse.
- Vereist toegang tot high-density MEA-instrumentatie en een robuuste computationele infrastructuur.
- Noodzaak tot cross-team standaardisatie van opname- en analyseprotocollen.
- Aanpasbaar aan zowel hersensnijplaten van knaagdieren als neurale culturen afgeleid van menselijke iPSCs.
- Signaalresolutie en biocompatibiliteit moeten worden geoptimaliseerd voor elk modelsysteem.
Veelgestelde vragen over 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
