Les chercheurs de Harvard ont cartographié et catalogué plus de 70 000 connexions synaptiques à partir d'environ 2 000 neurones de rat, en utilisant une puce de silicium capable d'enregistrer de petits signaux synaptiques mais révélateurs à partir d'un grand nombre de neurones.
La recherche, publiée dans Nature Biomedical Engineering, est une avancée majeure dans l'enregistrement neuronal et peut aider les scientifiques à rapprocher une carte de connexion synaptique détaillée du cerveau.
On pense que les fonctions cérébrales d'ordre supérieur sont dérivées de la façon dont les cellules du cerveau, ou les neurones, sont connectées. Les points de contact des neurones-neurons sont appelés synapses, et les scientifiques cherchent à dessiner des cartes de connexion synaptiques qui montrent non seulement quels neurones se connectent aux autres neurones, mais aussi à quelle forte connexion est forte.
Alors que la microscopie électronique a été utilisée avec un grand succès pour créer des cartes visuelles de connexions synaptiques, ces images manquent d'informations sur les forces de connexion et donc la fonction ultime du réseau neuronal.
En revanche, une électrode patch-clamp, l'étalon-or dans l'enregistrement neuronal, peut efficacement pénétrer dans un neurone individuel pour enregistrer un faible signal synaptique avec une sensibilité élevée, et peut donc trouver une connexion synaptique et raconter sa force.
Les scientifiques ont longtemps essayé d'appliquer un tel enregistrement intracellulaire à haute sensibilité à un grand nombre de neurones en parallèle, afin de mesurer et de caractériser un grand nombre de signaux synaptiques et ainsi dessiner une carte annotée avec des résistances de connexion. Mais ils ont rarement accédé plus loin que d'obtenir un accès intracellulaire à partir d'une poignée de neurones à la fois.
Les chercheurs, dirigés par Donhee Ham, le professeur John A. et Elizabeth S. Armstrong d'ingénierie et de sciences appliqués à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Seas), ont développé un éventail de 4 096 électrodes de microhole sur un silicon Chip, qui a effectué un enregistrement intracellulaire massivement parallèle de neurones de rat cultivé sur la puce. À partir de ces données d'enregistrement sans précédent qui abondaient avec des signaux synaptiques, ils ont extrait plus de 70 000 connexions synaptiques à partir d'environ 2 000 neurones.
Le travail s'appuie sur le dispositif révolutionnaire de l'équipe 2020 – un tableau de 4 096 électrodes verticales de nanoneedle qui dépassent une puce en silicium de la même conception de circuit intégré. Sur ce dispositif précédent, un neurone pourrait s'enrouler autour d'une aiguille pour permettre un enregistrement intracellulaire, qui a été parallélisé par le grand nombre d'électrodes. Dans le meilleur des cas, ils pourraient extraire environ 300 connexions synaptiques à partir des données d'enregistrement – toujours bien au-delà de ce que l'enregistrement patch-clamp peut atteindre.
Avec la prémisse de base en main, l'équipe soupçonnait qu'elle pourrait faire mieux. Les auteurs de co-madaires Jun Wang et Woo-Bin Jung du groupe HAM à Seas ont mené la conception et la fabrication du réseau d'électrodes de microhole sur la puce de silicium, l'enregistrement électrophysiologique et l'analyse des données.
Ils ont opéré la puce pour ouvrir doucement les cellules avec de petites injections de courant à travers les électrodes afin de paralléliser leur enregistrement intracellulaire. Le chercheur postdoctoral Wang a déclaré que la conception de microhole est similaire à l'électrode patch-clamp, qui est essentiellement une pipette en verre de logement d'électrode avec un trou à la fin.
Non seulement les électrodes de micro-trou pourraient mieux coupler les intérieurs des neurones que les électrodes verticales de nanoneedle, mais elles sont également beaucoup plus faciles à fabriquer. Cette accessibilité est une autre caractéristique importante de notre travail. «
Jun Wang, co-dirigeant auteur et associé de recherche, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Le nouveau design a dépassé les attentes de l'équipe. En moyenne, plus de 3 600 électrodes de microhole sur le total de 4 096 – soit 90% – ont été couplées intracellulaires aux neurones au-dessus. Le nombre de connexions synaptiques que l'équipe a extraites de ces données d'enregistrement intracellulaires à l'échelle du réseau sans précédent a fleuri à 70 000 connexions synaptiques plausibles, contre environ 300 avec leur précédent réseau d'électrode nanoneedle. La qualité des données d'enregistrement était également meilleure, ce qui a permis à l'équipe de classer chaque connexion synaptique en fonction de ses caractéristiques et de ses forces.
« The integrated electronics in the silicon chip plays as equally an important role as the microhole electrode, providing gentle currents in an elaborate way to obtain intracellular access, and recording at the same time the intracellular signals, » said Jung, a former postdoctoral researcher and Maintenant membre du corps professoral à l'Université des sciences et technologies de Pohang en Corée du Sud.
« L'un des plus grands défis, après avoir réussi à enregistrer des enregistrements intracellulaires massivement parallèles, a été de savoir comment analyser la quantité écrasante de données », a déclaré Ham. « Nous avons depuis parcouru un long chemin pour mieux comprendre les connexions synaptiques. Nous travaillons maintenant vers un design plus récent qui peut être déployé dans un cerveau vivant. »
