Systemübersicht. Kredit: Fortgeschrittene Wissenschaft (2024). DOI: 10.1002/advs.202306826
Neuronen kommunizieren innerhalb eines riesigen Netzwerks auf komplexe Weise und reagieren auf Reize. Dabei steuern sie wesentliche Funktionen von grundlegenden Körperprozessen bis hin zu komplexen Gedanken. Traditionelle neurowissenschaftliche Methoden, die auf der In-vivo-Elektrophysiologie (innerhalb eines lebenden Organismus) basieren, haben oft Schwierigkeiten, die Komplexität des Gehirns als Ganzes zu berücksichtigen.
Ein alternativer Ansatz besteht darin, Zellen aus dem Organismus zu extrahieren und stattdessen Studien auf einer Kulturschale (in vitro) durchzuführen, was den Forschern eine bessere Kontrolle und Präzision bei der Messung neuronaler Prozesse bietet.
In einer neuen Studie vorgestellt in Fortgeschrittene Wissenschaftstellen Forscher ein kostengünstiges Open-Source-In-vitro-System für die Verbindung mit Neuronen vor, das Forschern, die sich für neuronale Interaktionen interessieren, einen leichter zugänglichen Weg bietet.
Die Studie ist Teil eines größeren Projekts namens „Mind in Vitro“, das untersucht, wie Neuronen miteinander interagieren, nicht nur um die Funktionen besser zu verstehen, die komplexen Systemen wie dem Gehirn zugrunde liegen, sondern auch mit dem Ziel, schließlich neuronale Netze in vitro für Berechnungen zu nutzen . Um dieses Ziel zu erreichen, umfasst das MiV-Projekt eine äußerst interdisziplinäre Gruppe von Forschern, darunter Forscher aus den Bereichen Informatik, Ingenieurwesen, Neurobiologie, Physiologie und mehr.
„Das Ziel des MiV-Projekts besteht darin, letztendlich Neuronen für Berechnungen zu nutzen“, erklärte Zhi (Andrew) Dou, ein Doktorand im Gazzola-Labor, der das Projekt leitete. „Dies würde ein System ermöglichen, das im Gegensatz zu herkömmlichen Computersystemen dynamisch ist, sich ständig weiterentwickelt und tatsächlich auch energieeffizienter ist.“
Die neue MiV-Studie unter der Leitung von Mattia Gazzola (M-CELS), einem außerordentlichen Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen, Xiaotian Zhang, einem Postdoktoranden in Gazzolas Labor, und Dou, beschreibt einen innovativen Ansatz zur Messung der Neuronenaktivität mithilfe eines Mikroelektroden-Arrays (MEA)-Technologie. Zwar gibt es kommerzielle Systeme, die eine ähnliche Technologie nutzen, diese sind jedoch häufig teuer und werden für bestimmte experimentelle Ansätze vermarktet.
„Das Problem mit der aktuellen Technologie zur Schnittstelle mit Neuronen besteht darin, dass es sich hauptsächlich um kommerzielle Systeme handelt, die für bestimmte Testbedingungen, im Allgemeinen innerhalb der Biochemie oder der traditionellen Neurowissenschaften, stärker standardisiert sind“, sagte Zhang. „Da wir daran interessiert sind, Computerparadigmen aus lebenden Zellen zu entwickeln, bestand unsere Motivation darin, uns von den eher standardisierten kommerziellen Systemen zu lösen und selbst etwas zu bauen, über das wir die volle Kontrolle haben.“
Im neuen MiV-Gerät werden Zellen auf einer Platte platziert, die MEAs enthält, wodurch die Technologie mit den neuronalen Substraten interagieren kann. Die Elektroden erfassen die Spannung der Neuronen, und diese Spannung wird verstärkt und an einen Computer gesendet, der die Daten dann verarbeitet.
Im Vergleich zum kommerziellen Standardsystem mit 60 Elektroden verfügt das MiV-System über mehr als 500 Elektroden, wodurch mehr Daten auf einmal erfasst werden können. Das System verfügt außerdem über verbesserte und/oder neuartige Funktionen im Vergleich zu kommerziellen Systemen, wie etwa Portabilität, bidirektionale Kommunikation mit Neuronen, die Möglichkeit, Neuronen während Aufzeichnungen abzubilden und die Möglichkeit, mehrere Arten von Eingaben (elektrisch und optisch) und mehrere zu testen Zellpopulationen gleichzeitig.
Trotz dieser Verbesserungen sind die Kosten für den Bau des MiV-Systems erschreckend zehnmal günstiger als die Kosten eines kommerziellen Systems und vollständig anpassbar. Um die Verbreitung des Systems voranzutreiben, haben die Forscher ihre Hardware- und Softwaremodelle für das MiV-System Open Source und online frei verfügbar gemacht.
„Es war uns wirklich wichtig, dass unsere Software und Hardware Open Source sind“, sagte Zhang. „Wir wollten die Kosten senken, um diese Technologie anderen zugänglich zu machen, und sie flexibler und vielseitiger machen, damit Forscher ihre experimentellen Einstellungen wirklich an ihre Bedürfnisse anpassen können. Unser System ist nicht nur für ein Labor oder eine Gruppe gedacht.“ von Leuten, die sich für eine bestimmte Sache interessieren, es ist für jeden etwas dabei.
„Wir haben unser System so konzipiert, dass es sehr einfach herzustellen ist und aus kostengünstigen Teilen besteht, was vielen Laboren, die sich das kommerzielle System nicht leisten können, die Möglichkeit gibt, ein eigenes System zu haben“, sagte Dou. „Obwohl das ursprüngliche Design für rechnergestützte Studien gedacht war, haben wir die Struktur einfach umgestaltet und erweitert. Daher sind wir ziemlich sicher, dass Forscher damit zufrieden sein werden, ganz gleich, welche Art von Studien sie durchführen möchten.“
Die Forscher sagen, dass andere Labore bereits Interesse an der neuen Technologie für ihre eigenen Experimente zeigen. Das MiV-Team plant, das Design weiter zu verbessern, um die Hardware automatisierter und zugänglicher zu machen, und außerdem Möglichkeiten zu erkunden, die Leistung der Technologie zu quantifizieren und zu erweitern.
Links zu den Open-Source-Hardwaredesigns und -Software finden Sie unter https://gazzolalab.github.io/MiV-OH/ bzw. https://miv-os.readthedocs.io/.
Mehr Informationen:
Xiaotian Zhang et al., Mind In Vitro Platforms: Vielseitige, skalierbare, robuste und offene Lösungen für die Schnittstelle zu lebenden Neuronen, Fortgeschrittene Wissenschaft (2024). DOI: 10.1002/advs.202306826
Zur Verfügung gestellt von der University of Illinois in Urbana-Champaign
Zitat: Forscher entwerfen neue Open-Source-Technologie für die Verbindung mit lebenden Neuronen (2024, 23. Januar), abgerufen am 23. Januar 2024 von https://medicalxpress.com/news/2024-01-source-technology-interfacing-neurons.html
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