Новая платформа на чипе измеряет динамику нейронов с высоким разрешением
Исследователи с кафедры биосистем Высшей технической школы ETH Zurich в Базеле (Швейцария) вместе с коллегами из дочернего коммерческого стартапа MaxWell Biosystems разработали новое поколение микросхем с микроэлектродными матрицами, которые можно использовать для точного возбуждения нервных клеток в клеточных культурах и для измерения электрической активности клеток.
Как и их предшественники, используемые в тысячах лабораторий по всему миру, новые чипы содержат около 20 000 микроэлектродов на площади 2×4 мм. Чтобы эти электроды улавливали относительно слабые нервные импульсы, сигналы необходимо усиливать. Но высокоэффективная усилительная электроника занимает много места, поэтому предыдущий чип мог одновременно усиливать и считывать сигналы только с 1000 электродов из 20000.
В новом устройстве применены более миниатюрные усилители, что позволяет ему одновременно усиливать и измерять сигналы от всех 20000 электродов. Для усилителей меньшего размера характерен более высокий уровень шума, поэтому, чтобы гарантировать прием даже самых слабых нервных импульсов, исследователи добавили несколько более крупных и мощных усилителей и использовали изящный трюк: эти мощные усилители используются для определения моментов, в которые возникают нервные импульсы в чашке для культивирования клеток. В эти же моменты ищут сигналы на других электродах, и, усреднив несколько последовательных сигналов, уменьшают фоновый шум. Такая процедура дает четкую картину сигнальной активности по всей области измерений.
В первых экспериментах, о которые исследователи рассказали в журнале Nature Communications, они продемонстрировали свой метод на нейронных клетках человека полученных из индуцированных стволовых клеток (IPS), а также на срезах мозга, фрагментах сетчатки, сердечных клетках и нейронных сфероидах.
С помощью нового чипа ученые могут создавать электрические изображения не только клеток, но и их аксонов, а также определять, насколько быстро нервный импульс передается к самым дальним участкам аксонов. Такие всесторонние измерения требуются при тестировании действия лекарств, а это означает, что теперь ученые могут проводить исследования и эксперименты непосредственно с культурами клеток человека, а не полагаться на лабораторных животных.
