CMOS Entegre Yüksek Yoğunluklu Mikroelektrot Dizisi Üzerinde Multimodal Büyük Ölçekli Nöronal Topluluk Dinamiğinin Kaydedilmesi ve Analizi
8 Mart 2024
Burada, özellikle hipokampal, koku soğanı devreleri ve insan nöronal ağlarında, büyük ölçekli nöronal toplulukların hesaplama dinamiklerini araştırmak için HD-MEA'yı kullanıyoruz. Hesaplama araçlarıyla birlikte uzay-zamansal aktiviteyi yakalamak, nöronal topluluk karmaşıklığı hakkında içgörüler sağlar. Yöntem, beyin fonksiyonlarının anlaşılmasını geliştirir, potansiyel olarak biyobelirteçleri ve nörolojik bozukluklar için tedavileri tanımlar.
Araştırmamız, nöral iletişim ve büyük ağların kodunu çözmek için yüksek yoğunluklu CMOS tabanlı mikroelektrot dizisini entegre ederek nöral teknolojinin sınırlarını araştırıyor. Ölçekler arasındaki sinirsel bilginin benzersiz ayrıntılarla nasıl kodlandığını yanıtlamayı, beyin fonksiyonu ve sağlık ve hastalıktaki işlev bozukluğu hakkındaki anlayışımızı geliştirmeyi amaçlıyoruz. Nöronal topluluk araştırmalarının karmaşık alanında gezinirken, beyin aktivitesinin ortasında hassas sinyal çözünürlüğü elde etmek ve CMOS tabanlı mikroelektrot dizilerimizin biyouyumluluğunu sağlamak gibi zorluklarla karşı karşıyayız.
Bu engeller, çok modlu kayıtlar kullanarak nöral etkileşimin zengin dokusunu doğru bir şekilde yakalamak ve yorumlamak için çok önemlidir. Araştırmamız, sinirbilimdeki kritik bir boşluğu, daha büyük ölçekli nöronal topluluğun dinamiklerini yüksek uzamsal ve zamansal çözünürlükle yeniden kodlamak ve analiz etmek için kapsamlı bir yöntemin eksikliğini ele almaktadır. Bu boşluk, karmaşık beyin ağlarını anlamamızı ve sağlık ve hastalıktaki işlevlerini engeller.
Protokolümüz, hipokampus, koku soğanı ve insan IPSC'den türetilen nöronlar arasında çok modlu, etiketsiz, yüksek çözünürlüklü kayıtlara olanak tanıyarak çeşitli deneyler için çok yönlü bir araç sağlar. Bu benzersiz yaklaşım, çeşitli beyin bölgeleri ve model sistemler arasındaki araştırma boşluğunu doldurarak, nöral işlev ve bozukluk anlayışımızı önemli ölçüde ilerleterek, nöronal dinamiklere benzersiz bir bakış açısı sağlar. Laboratuvarımızdaki gelecekteki çabalar, sağlık ve hastalıkta moleküler ve fonksiyonel imzalar arasında köprü kurmayı amaçlayan, genlerden ağlara kadar nöral hesaplamaları ve dinamikleri derinlemesine araştıracaktır.
Gelişmiş biyoelektronik ve nöral teknoloji sayesinde, yeni terapötikler ve beyin makine arayüzleri için nöroplastisite, koku kodlama, yapay zeka geliştirme ve hafıza geliştirme stratejilerine odaklanacağız.
Genel Bakış
Bu çalışma, hipokampal ve olfaktör bulbus devrelerinin yanı sıra insan nöronal ağlarındaki büyük ölçekli nöronal toplulukların hesaplamalı dinamiklerini incelemek için yüksek yoğunluklu çok elektrotlu diziler (HD-MEA) kullanmaktadır. Spatiotemporal aktivite kaydı ve hesaplamalı analizin entegrasyonu, karmaşık nöronal etkileşimlerin anlaşılmasını geliştirerek beyin fonksiyonlarına dair içgörüler ve nörolojik bozukluklar için potansiyel biyobelirteçler sağlamaktadır.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Nörobilim
- Elektrofizyoloji
- Nöroteknoloji
Arka Plan
- Sinirsel bilgilerin ölçeklenebilir şekilde kodunun çözülmesindeki zorluklar.
- Karmaşık beyin ağlarını incelemek için yüksek çözünürlüklü kayıtlara duyulan ihtiyaç.
- Sinirsel teknolojilerde biyouyum ve sinyal çözünürlüğüne odaklanılması.
Çalışmanın Amacı
- Daha büyük ölçekli nöronal toplulukların dinamiklerinin kaydedilmesindeki araştırma boşluğunu doldurmak.
- Sağlıklı ve hastalıklı durumlarda nöral fonksiyonların anlaşılmasını geliştirmek.
- Farklı nöronal modellerde kullanılabilen çok yönlü bir deneysel araç geliştirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Nöronal aktiviteyi yakalamak için yüksek yoğunluklu çok elektrotlu diziler (HD-MEA).
- Ex vivo fare beyin kesitlerinin ve in vitro insan iPSC türevli nöronların kullanımı.
- Protokol; hazırlama, inkübasyon ve kayıt prosedürlerini içerir.
- Hassas elektrot konumlandırması ve sinyal toplama parametreleri vurgulanmaktadır.
Ana Sonuçlar
- Çalışma, spatiotemporal nöronal aktiviteyi etkili bir şekilde yakalar ve analiz eder.
- Farklı modellerdeki nöronal dinamiklerin karmaşıklıklarını tanımlar.
- Nöroplastisite ve kodlama mekanizmalarının anlaşılması açısından potansiyel etkiler sunar.
Sonuçlar
- Bu araştırma, nöronal davranış kayıt tekniklerinde önemli bir ilerleme ortaya koymaktadır.
- Sinirsel mekanizmaların ve bozuklukların etkilerinin daha derinlemesine anlaşılmasını vurgulamaktadır.
- Gelecekteki çalışmalar, farklı modeller genelinde moleküler ve fonksiyonel içgörüleri birbirine bağlamayı hedeflemektedir.
Sıkça Sorulan Sorular
Endüstriyel Uygulama Alanları
Yüksek yoğunluklu CMOS entegreli mikroelektrot dizileri (HD-MEA), nöronal topluluk dinamiklerinin benzeri görülmemiş, multimodal ve büyük ölçekli kayıtlarına olanak tanıyarak nörofarmasötik keşif süreçlerinde mekanistik risklerin azaltılmasını ve öngörü güvenini destekler. Bu platform, ex vivo ve in vitro sistemler arasında köprü kurarak translasyonel sürekliliği ve MSS portföy gelişimine yönelik sağlam hedef doğrulamasını kolaylaştırır. Gelişmiş hesaplamalı analitiklerin entegrasyonu, bu metodolojiyi biyobelirteç keşfi ve nöral devre sorgulaması için yeniden kullanılabilir bir kurumsal yetkinlik olarak konumlandırmaktadır.
Biyofarma Ar-Ge'de Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Fonksiyonel hedef doğrulaması için nöronal devre aktivitesinin yüksek çözünürlüklü haritalamasını sağlar.
- Aday müdahalelerin ağ düzeyindeki etkilerini ortaya çıkararak mekanistik risk azaltımını destekler.
- Hastalıkla ilgili nöral yolakların hipotez odaklı sorgulanmasını kolaylaştırır.
- Portföy ayıklama ve önceliklendirme için kantitatif, tekrarlanabilir veriler sağlar.
Tarama ve Analiz Geliştirme
- Birden fazla beyin bölgesi ve hücre modelinde standartlaştırılmış, etiketsiz elektrofizyolojik veriler sağlar.
- Güçlü assay geliştirme ve tarama hazırlığı için ölçeklenebilir, çok noktalı kayıtlara olanak tanır.
- Bileşiklerin ağ dinamikleri üzerindeki etkilerinin tekrarlanabilirliğini ve çapraz karşılaştırmasını destekler.
- Doğrulanmış biyolojik sistemleri, sonraki aşamadaki fenotipik tarama iş akışları için hazırlar.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Translasyonel biyobelirteç geliştirme amacıyla, in vitro iPSC kaynaklı nöronal ağ verilerini ex vivo beyin kesit modelleri ile uyumlu hale getirir.
- Nöral devre mekanizmalarının erken keşif aşamasından preklinik doğrulamasına kadar olan süreçte süreklilik sağlar.
- Öngörücü ve çok ölçekli nöral veriler sunarak risk ayarlı ilerleme kararlarını destekler.
- Nörolojik bozukluklarla ilgili ağ düzeyindeki biyobelirteçlerin tanımlanmasını kolaylaştırır.
Boru Hattı ve İş Akışı Entegrasyonu
Bu HD-MEA metodolojisi, erken keşif aşamasından ön aday belirleme ve preklinik araştırmalara kadar sorunsuz bir şekilde entegre olarak hem hipotez testlerini hem de translasyonel biyobelirteç uyumunu destekler.
- Keşif Biyolojisi: Yolak aydınlatması ve biyolojik risklerin azaltılması için yüksek içerikli, spatiotemporal veriler sağlar.
- Tarama: Bileşik değerlendirmesi için tekrarlanabilir, kantitatif elektrofizyolojik çıktılar sunar.
- Analitik: Olay tespiti, grafik teorisi ve makine öğrenimi tabanlı sınıflandırma dahil olmak üzere gelişmiş hesaplamalı analizler sunar.
- Translasyonel Araştırma: Hastalıkla ilgili sistem doğrulaması ve biyobelirteç keşfi için in vitro ve ex vivo modeller arasında köprü kurar.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Programlar arası nöral devre sorgulaması için ölçeklenebilir, yeniden kullanılabilir bir platform oluşturur.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: MSS hedef doğrulamasında öngörü güvenini artırır ve mekanistik belirsizliği azaltır.
- Operasyonel Değer: Farklı modeller genelinde multimodal nöral veri elde etme ve analizini standartlaştırır.
- Stratejik Değer: Bilgiye dayalı devam/dur kararlarına ve sermaye açısından verimli portföy yönetimine olanak tanır.
- Portföy Etkisi: MSS varlıklarının riskten arındırılmış önceliklendirmesini ve geliştirilmesini destekler.
Uygulama Hususları
- Elektrofizyoloji, hesaplamalı nörobilim ve ileri veri analitiği konularında uzmanlık gerektirir.
- Yüksek yoğunluklu MEA cihazlarına ve güçlü bir hesaplama altyapısına erişim gerektirir.
- Kayıt ve analiz protokollerinin ekipler arası standartlaştırılmasını gerektirir.
- Hem kemirgen beyin kesitlerine hem de insan iPSC kaynaklı nöronal kültürlere uyarlanabilir.
- Sinyal çözünürlüğü ve biyouyumluluk, her model sistemi için optimize edilmelidir.
Biyofarma SSS
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
