Gravação e Análise da Dinâmica Multimodal de Conjuntos Neuronais em Larga Escala em Microeletrodos de Alta Densidade Integrados CMOS
8 de março de 2024
Aqui, empregamos HD-MEA para nos aprofundarmos na dinâmica computacional de conjuntos neuronais de grande escala, particularmente em hipocampo, circuitos de bulbos olfativos e redes neuronais humanas. A captura da atividade espaço-temporal, combinada com ferramentas computacionais, fornece insights sobre a complexidade do conjunto neuronal. O método melhora a compreensão das funções cerebrais, potencialmente identificando biomarcadores e tratamentos para distúrbios neurológicos.
Nossa pesquisa explora as fronteiras da tecnologia neural integrando matriz de microeletrodos baseada em CMOS de alta densidade para decodificação de comunicação neural e grandes redes. Nosso objetivo é responder como as informações neurais em escalas são codificadas em detalhes únicos, melhorando nossa compreensão da função cerebral e da disfunção na saúde e na doença. Navegando na complexa área de pesquisa de conjuntos neuronais, enfrentamos desafios como alcançar uma resolução precisa do sinal em meio à atividade cerebral e garantir a biocompatibilidade de nossos arranjos de microeletrodos baseados em CMOS.
Esses obstáculos são fundamentais para capturar e interpretar com precisão a rica tapeçaria da interação neural usando gravações multimodais. Nossa pesquisa aborda uma lacuna crítica na neurociência, a falta de um método abrangente para recodificar e analisar a dinâmica de um conjunto neuronal de maior escala com alta resolução espacial e temporal. Essa lacuna dificulta nossa compreensão das complexas redes cerebrais e da função na saúde e na doença.
Nosso protocolo permite gravações multimodais, sem rótulos e de alta resolução em todo o hipocampo, bulbo olfativo e neurônios humanos derivados do IPSC, fornecendo uma ferramenta versátil para diversos experimentos. Esta abordagem única facilita uma visão inigualável da dinâmica neuronal, preenchendo a lacuna de pesquisa entre várias regiões cerebrais e sistemas modelo, avançando significativamente nossa compreensão da função neural e do transtorno. Futuros esforços em nosso laboratório investigarão profundamente a computação neural e a dinâmica de genes a redes, com o objetivo de unir assinaturas moleculares e funcionais em saúde e doença.
Por meio de bioeletrônica avançada e tecnologia neural, nos concentraremos em neuroplasticidade, codificação olfativa, desenvolvimento de IA e estratégias de aprimoramento da memória para novas terapias e interfaces cérebro-máquina.
Visão Geral
Este estudo utiliza matrizes de eletrodos multicanais de alta densidade (HD-MEA) para examinar a dinâmica computacional de conjuntos neuronais em larga escala em circuitos do hipocampo e do bulbo olfatório, bem como em redes neuronais humanas. A integração da gravação da atividade espaço-temporal e da análise computacional aprimora a compreensão das interações neuronais complexas, fornecendo insights sobre o funcionamento cerebral e potenciais biomarcadores para distúrbios neurológicos.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Eletrfisiologia
- Neurotecnologia
Antecedentes
- Dificuldades na decodificação de informações neurais em larga escala.
- Necessidade de gravações de alta resolução para estudar redes cerebrais complexas.
- Enfoque na biocompatibilidade e na resolução de sinais em tecnologias neurais.
Objetivo do Estudo
- Para preencher a lacuna de pesquisa no registro da dinâmica de ensembles neuronais de maior escala.
- Para aprimorar a compreensão da função neural na saúde e na doença.
- Para desenvolver uma ferramenta experimental versátil em diferentes modelos neuronais.
Métodos Utilizados
- Matrizes multieletrodo de alta densidade (HD-MEA) para capturar a atividade neuronal.
- Uso de fatias de cérebro de camundongo ex vivo e neurônios derivados de iPSCs humanos in vitro.
- O protocolo inclui procedimentos de preparação, incubação e gravação.
- Enfatiza o posicionamento preciso dos eletrodos e os parâmetros de aquisição de sinal.
Resultados Principais
- O estudo capta e analisa efetivamente a atividade neuronal espaçotemporal.
- Identifica as complexidades da dinâmica neuronal em diferentes modelos.
- Implicações potenciais para a compreensão dos mecanismos de neuroplasticidade e codificação.
Conclusões
- Esta pesquisa demonstra um avanço significativo nas técnicas de registro do comportamento neuronal.
- Destaca a compreensão aprimorada dos mecanismos neurais e das implicações de distúrbios.
- Trabalhos futuros visam conectar as perspectivas moleculares e funcionais entre modelos.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Matrizes de microeletrodos integrados em CMOS de alta densidade (HD-MEA) permitem gravações em larga escala, multilaterais e sem precedentes da dinâmica de conjuntos neuronais, apoiando a redução de riscos mecanicistas e a confiança preditiva na descoberta de fármacos neurológicos. Esta plataforma conecta sistemas ex vivo e in vitro, facilitando a continuidade translacional e a validação robusta de alvos para o avanço de portfólios em saúde mental e neurológica. A integração de análises computacionais avançadas posiciona esta metodologia como uma capacidade empresarial reutilizável para a descoberta de biomarcadores e a investigação de circuitos neurais.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêuticos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite mapeamento de alta resolução da atividade de circuitos neurais para validação funcional de alvos.
- Auxilia na redução de riscos mecanicistas ao revelar efeitos em nível de rede das intervenções candidatas.
- Facilita a investigação orientada por hipóteses de vias neurais relevantes para doenças.
- Fornece dados quantitativos e reprodutíveis para triagem e priorização de portfólios.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Fornece leituras eletrofisiológicas padronizadas e sem marcadores em múltiplas regiões cerebrais e modelos celulares.
- Permite gravações escaláveis em múltiplos sítios para desenvolvimento robusto de ensaios e prontidão para triagem.
- Apóia a reprodutibilidade e a comparação cruzada dos efeitos de compostos sobre a dinâmica da rede.
- Prepara sistemas biológicos validados para fluxos de trabalho downstream de triagem fenotípica.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Alinha dados de redes neurais derivadas de iPSCs in vitro com modelos de fatias cerebrais ex vivo para o desenvolvimento translacional de biomarcadores.
- Permite a continuidade desde a descoberta inicial até a validação pré-clínica de mecanismos de circuitos neurais.
- Apoia decisões de avanço ajustadas ao risco ao fornecer dados neurais preditivos e multiescala.
- Facilita a identificação de biomarcadores em nível de rede relevantes para distúrbios neurológicos.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Esta metodologia HD-MEA integra-se perfeitamente desde a descoberta inicial até a identificação de compostos promissores e a pesquisa pré-clínica, apoiando tanto a verificação de hipóteses quanto o alinhamento de biomarcadores translacionais.
- Biologia da Descoberta: Fornece dados de alto conteúdo e espaciais-temporais para esclarecimento de vias e desvio biológico de riscos.
- Triagem: Oferece saídas eletrofisiológicas quantitativas e reprodutíveis para avaliação de compostos.
- Análises: Fornece análises computacionais avançadas, incluindo detecção de eventos, teoria dos grafos e classificação baseada em aprendizado de máquina.
- Pesquisa Translacional: Conecta modelos in vitro e ex vivo para validação de sistemas relevantes à doença e descoberta de biomarcadores.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma escalável e reutilizável para interrogatório de circuitos neurais em múltiplos programas.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista na validação de alvos no sistema nervoso central.
- Valor Operacional: Padroniza a aquisição e análise de dados neurais multimodais em diversos modelos.
- Valor Estratégico: Permite decisões informadas de avançar/não avançar e uma gestão eficiente do portfólio em termos de capital.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco e o avanço de ativos no sistema nervoso central.
Considerações de Implementação
- Requer experiência em eletrofisiologia, neurociência computacional e análises avançadas de dados.
- Exige acesso a instrumentação MEA de alta densidade e infraestrutura computacional robusta.
- Necessita padronização entre equipes dos protocolos de gravação e análise.
- Adaptável tanto a fatias cerebrais de roedores quanto a culturas neuronais derivadas de iPSCs humanos.
- A resolução do sinal e a biocompatibilidade devem ser otimizadas para cada sistema modelo.
Perguntas Frequentes sobre Biotecnologia Farmacêutica
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
