Mapeo de la conectividad funcional en un modelo de cerebro artificial en 3D mediante el análisis de señales neuronales
A Ilustraciones esquemáticas que muestran tres MEA multifuncionales en 2D antes de apilarlos y unirlos (izquierda), MEA multifuncional de alta densidad en 3D ensamblado con una interfaz fluídica PDMS y el vástago multifuncional para estimulaciones ópticas y químicas (centro), y la aplicación al modelo de red neuronal 3D in vitro compartimentado con dos regiones somáticas y neuríticas (derecha). Crédito: Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST)
El cerebro humano es menos accesible que otros órganos porque está cubierto por un cráneo grueso y duro. Como resultado, los investigadores se han visto limitados a imágenes de baja resolución o análisis de señales cerebrales medidas fuera del cráneo. Esto ha demostrado ser un obstáculo importante en la investigación del cerebro, incluida la investigación sobre las etapas de desarrollo, las causas de las enfermedades y sus tratamientos. Recientemente, se han realizado estudios utilizando neuronas primarias de ratas o células madre pluripotentes inducidas derivadas de humanos (iPSC) para crear modelos cerebrales artificiales que se han aplicado para investigar los procesos de desarrollo cerebral y las causas de las enfermedades cerebrales. Se espera que estos estudios desempeñen un papel clave para descifrar los misterios del cerebro.
En el pasado, se creaban y estudiaban modelos de cerebros artificiales en 2D; sin embargo, en 2017, un equipo de investigación de KIST desarrolló un modelo de cerebro artificial en 3D que se parecía más al cerebro real. Desafortunadamente, debido a la ausencia de un marco analítico para estudiar señales en un modelo de cerebro 3D, los estudios se limitaron a análisis de señales superficiales o tuvieron que reformar la estructura 3D a una forma plana. Como tal, el seguimiento de las señales neuronales en una red artificial interconectada y compleja sigue siendo un desafío.
El Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST) anunció que los equipos de investigación de los doctores Il-Joo Cho y Nakwon Choi han desarrollado un sistema de análisis que puede aplicar estímulos no destructivos precisos a un circuito neuronal artificial 3D y medir señales neuronales en tiempo real desde múltiples ubicaciones dentro del modelo a nivel celular.
El sistema multifuncional 3D para medir neuronas señales tiene la forma de un conjunto de sondas de silicio en forma de aguja de 50 m de ancho (aproximadamente la mitad del ancho de un cabello humano) integrado con 63 microelectrodos. Cuando este sistema se inserta en el modelo de cerebro artificial, es capaz de medir simultáneamente señales desde múltiples ubicaciones dentro del circuito neuronal. La sonda contiene una fibra óptica y canales de administración de fármacos, lo que permite una estimulación precisa de las neuronas utilizando luz o fármacos. Al medir los cambios funcionales en el modelo cerebral en respuesta a estos estímulos, el modelo puede usarse para estudiar la función cerebral y las enfermedades cerebrales.
Un investigador de KIST está analizando un chip de electrodo multifuncional tridimensional desarrollado por el Dr. Il -Joo Cho y Dr. Nakwon Choi Crédito: Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST)
Usando este sistema para estimular ópticamente circuitos neuronales en el modelo de cerebro artificial y medir simultáneamente la propagación de la señal de respuesta en múltiples ubicaciones, la investigación El equipo demostró que la velocidad de propagación de las señales neuronales era diferente según las direcciones dentro del modelo cerebral 3D. Además de los mapas cerebrales estructurales, que se pueden construir usando microscopía electrónica, este estudio demostró la posibilidad de construir mapas cerebrales funcionales en 3D que muestran cómo los diferentes circuitos están funcionalmente conectados dentro de redes cerebrales artificiales complejas.
Dr. Choi, de KIST, afirmó que «el sistema recientemente desarrollado nos permite estudiar varios trastornos del desarrollo cerebral y las causas y tratamientos de las enfermedades cerebrales». El Co-PI Dr. Cho agregó: «Este sistema permite realizar mediciones funcionales a partir de modelos cerebrales artificiales en 3D, lo que antes era imposible. Esperamos que el desarrollo de este sistema ayude a reducir radicalmente el tiempo necesario para desarrollar fármacos o tratamientos para diversas enfermedades cerebrales». .»
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Diversas señales neuronales son clave para una rica información visual Más información: Hyogeun Shin et al, matriz de microelectrodos de alta densidad 3D con estimulación óptica y administración de fármacos para investigar la dinámica del circuito neuronal , Comunicaciones de la naturaleza (2021). DOI: 10.1038/s41467-020-20763-3 Información de la revista: Nature Communications
Proporcionado por el Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología Cita: Mapeo de conectividad funcional en 3 -D modelo de cerebro artificial mediante el análisis de señales neuronales (10 de marzo de 2021) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-03-funcional-d-artificial-brain-neural.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.