Гарвардский чип картирует 70 000 синаптических связей из 2 000 нейронов крысы

Исследователи из Гарварда создали дополнительный чип металл-оксид-полупроводник (КМОП), укомплектованный 4096 массивами микроотверстий электродов, что позволило им регистрировать электрическую активность в нескольких нейронных клетках. По данным журнала Nature, это позволило команде построить 2000 нейронов крысы и сопоставить более 70 000 связей между ними, причем чип мог измерять силу сигнала между каждым соединением и характеризовать тип сигнала, отправляемого через них.

Слева: Корпусированный кремниевый чип с массивом микроотверстий электродов наверху. Справа: Нейронная клетка, сидящая на массиве микроотверстий электродов (при реальной записи нейроны расположены гораздо плотнее). / Изображение: Гарвардская школа инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона

Это огромный прогресс в нейронных исследованиях, где ученые могут точно картировать каждую деталь нейронных связей в мозге. В настоящее время электронная микроскопия может визуализировать эти синаптические связи, но она не может измерять и регистрировать сигналы, проходящие через них. Другая техника — пэтч-кламп электрод — позволяет исследователям точно регистрировать даже самые слабые нейронные сигналы. Однако эта техника измеряет только через несколько клеток, что ограничивает ее эффективность при изучении большого количества нейронов.

Новый чип CMOS позволяет исследователям изучать, как взаимодействует относительно большое количество нейронов, позволяя им понять, как их активность приводит к сложным умственным процессам, таким как мышление и обучение. Исследователи заявили, что каждое микроотверстие похоже на электрод-зажим; поэтому, добавив более 4000 таких массивов внутри одного чипа, они смогли эффективно контролировать тысячи нейронов.

«Микроотверстия электродов не только лучше соединяются с внутренними частями нейронов, чем вертикальные наноигольчатые электроды», — сказал исследователь Цзюнь Ван, ссылаясь на старую технологию, разработанную в 2020 году, на которой группа основывала свое исследование, «но их также гораздо проще изготовить. Эта доступность — еще одна важная особенность нашей работы».

Команда смогла успешно контролировать более 3600 нейронов крысы, используя 4096 микроотверстий — почти 90% успеха. Из этого команда смогла записать более 70 000 связей, что в 200 раз больше их предыдущего рекорда в 300. Несмотря на все эти достижения, они все еще далеки от картирования человеческого мозга, в среднем 86 миллиардов нейронов. Если предположить, что каждый нейрон имеет в среднем 35 связей, это означает, что в нашем разуме есть по крайней мере 3 010 000 000 синаптических связей.

Даже при наличии всего 2000 нервных клеток это уже огромное количество информации. «Одной из самых больших проблем после того, как мы добились успеха в массовой параллельной внутриклеточной записи, было то, как анализировать подавляющее количество данных», — сказал исследователь Донхи Хэм. «С тех пор мы прошли долгий путь, чтобы получить представление о синаптических связях из них. Сейчас мы работаем над новой конструкцией, которую можно будет развернуть в живом мозге».

Если команда успешно справится с этим и составит карту того, как работает каждая нейронная связь в живом мозге, это можно будет использовать для нескольких технологических достижений. Например, это можно будет применить для обучения ИИ и даже для создания более эффективных чипов ИИ, что позволит нам получить огромную вычислительную мощность без необходимости использования гигаватт электроэнергии. Это также можно будет использовать для исследований в области психического здоровья, поскольку ученые смогут понять, как срабатывают (или не срабатывают) синаптические связи, и увидеть, как это влияет на то, что воспринимает разум.

Источник: Tomshardware.com