Нейрочип: мозг на микросхеме для изучения и лечения нейродегенеративных заболеваний.

Введение

Нейрочип — это чип интегральной схемы (например, микропроцессор), разработанный для взаимодействия с нейронными клетками.

Формирование

Он изготовлен из кремния, который допирован таким образом, что содержит EOSFET (электролитоксидные полупроводниковые полевые транзисторы), способные регистрировать электрическую активность нейронов (потенциалы действия) в находящемся выше физиологическом электролитном растворе. Он также содержит конденсаторы для электрической стимуляции нейронов. Ученые Университета Калгари, факультета медицины, во главе с канадским ученым пакистанского происхождения Навидом Сайедом, который доказал возможность культивирования сети клеток мозга, способных восстанавливать связи на кремниевом чипе – то есть «мозга на чипе», – разработали новую технологию, позволяющую контролировать активность клеток мозга с беспрецедентным разрешением. Новые кремниевые чипы, разработанные совместно с Национальным исследовательским советом Канады (NRC), также проще в использовании, что поможет лучше понять работу клеток мозга в нормальных условиях и откроет возможности для разработки лекарств от различных нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. В лаборатории Навида Сайеда культивировали клетки мозга на микрочипе. Новая технология, разработанная лабораторией Навида Сайеда в сотрудничестве с NRC, была опубликована в августе 2010 года в журнале Biomedical Devices. Это первый в мире нейрочип. «Этот технический прорыв означает, что мы можем отслеживать незначительные изменения в активности мозга на уровне ионных каналов и синаптических потенциалов, которые также являются наиболее подходящими мишенями для разработки лекарств при нейродегенеративных и нейропсихологических расстройствах», – говорит Сайед, профессор и заведующий кафедрой клеточной биологии и анатомии, член Института мозга Хотчкисса и советник вице-президента по исследованиям в области биомедицинской инженерии Чикагского университета. Новые нейрочипы также автоматизированы, что означает, что любой сможет научиться размещать на них отдельные клетки мозга. Ранее для освоения регистрации активности ионных каналов клеток мозга требовались годы обучения, и одновременно можно было контролировать только одну или две клетки. Теперь на чип можно поместить большие сети клеток и наблюдать за ними в мельчайших деталях, что позволяет анализировать взаимодействие нескольких клеток мозга и проводить автоматизированный высокопроизводительный скрининг лекарств для различных нарушений мозговой деятельности. Эта новая технология может помочь ученым в различных областях и при реализации различных исследовательских проектов. Джеральд Зампони, профессор и заведующий кафедрой физиологии и фармакологии, а также член Института мозга Хотчкисса, говорит: «Эту технологию, вероятно, можно будет масштабировать, чтобы она стала новым инструментом для скрининга лекарств средней пропускной способности, в дополнение к ее полезности для фундаментальных биомедицинских исследований». «В предыдущих исследованиях ученые разработали нейрочип, способный непосредственно стимулировать и регистрировать активность клеток мозга. Теперь Орли Ядид Пехт и Навид Сайед успешно разработали новую технологию «лаборатории на чипе», которая, благодаря сверхчувствительному компоненту, встроенному непосредственно в микрочип, также позволяет получать прямые изображения активности в клетках мозга».

It is made of silicon that is doped in such a way that it contains EOSFETs (electrolyte oxide semiconductor field effect transistors) that can sense the electrical activity of the neurons (action potentials) in the above standing physiological electrolyte solution. It also contains capacitors for the electrical stimulation of the neurons. The University of Calgary, Faculty of Medicine scientists led by Pakistani born Canadian scientist Naweed Syed who proved it is possible to cultivate a network of brain cells that reconnect on a silicon chip—or the brain on a microchip—have developed new technology that monitors brain cell activity at a resolution never achieved before. Developed with the National Research Council Canada (NRC), the new silicon chips are also simpler to use, which will help future understanding of how brain cells work under normal conditions and permit drug discoveries for a variety of neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's and Parkinson's. Naweed Syed's lab cultivated brain cells on a microchip. The new technology from the lab of Naweed Syed, in collaboration with the NRC, was published online in August 2010, in the journal, Biomedical Devices. It is the world's first neurochip. "This technical breakthrough means we can track subtle changes in brain activity at the level of ion channels and synaptic potentials, which are also the most suitable target sites for drug development in neurodegenerative diseases and neuropsychological disorders," says Syed, professor and head of the Department of Cell Biology and Anatomy, member of the Hotchkiss Brain Institute and advisor to the Vice President Research on Biomedical Engineering Initiative of the University of Chicago. The new neurochips are also automated, meaning that anyone can learn to place individual brain cells on them. Previously it took years of training to learn how to record ion channel activity from brain cells, and it was only possible to monitor one or two cells simultaneously. Now, larger networks of cells can be placed on a chip and observed in minute detail, allowing the analysis of several brain cells networking and performing automatic, large scale drug screening for various brain dysfunctions. This new technology has the potential to help scientists in a variety of fields and on a variety of research projects. Gerald Zamponi, professor and head of the Department of Physiology and Pharmacology, and member of the Hotchkiss Brain Institute, says, “This technology can likely be scaled up such that it will become a novel tool for medium throughput drug screening, in addition to its usefulness for basic biomedical research”. "In previous studies, researchers developed a neurochip that could directly stimulate and record brain cell activity. Now, Orly Yadid Pecht and Naweed Syed have successfully developed a novel lab on a chip technology that, through an ultra sensitive component built directly on the microchip, also enables direct imaging of activity in brain cells."

Приложения

Текущие применения – исследования нейронов. Перспективные применения (пока находящиеся на экспериментальной стадии) – имплантаты сетчатки или имплантаты мозга.