Hur våra hjärnceller, eller neuroner, använda elektriska signaler för att kommunicera och koordinera för högre hjärnfunktion är en av de största frågorna inom all vetenskap.

I årtionden, forskare har använt elektroder för att lyssna på och spela in dessa signaler. Elektroden för lappklämma, en elektrod i ett tunt glasrör, revolutionerade neurobiologin på 1970-talet med dess förmåga att penetrera en neuron och att registrera tysta men tydliga synaptiska signaler inifrån cellen. Men det här verktyget saknar förmågan att spela in ett neuronalt nätverk; den kan bara mäta cirka 10 celler parallellt.

Nu, forskare från Harvard University har utvecklat ett elektroniskt chip som kan utföra högkänslig intracellulär inspelning från tusentals anslutna neuroner samtidigt. Detta genombrott gjorde det möjligt för dem att kartlägga synaptiska anslutningar på en aldrig tidigare skådad nivå, identifiera hundratals synaptiska kopplingar.

"Vår kombination av känslighet och parallellitet kan gynna både grundläggande och tillämpad neurobiologi, inklusive funktionell anslutningskonstruktion och elektrofysiologisk screening med hög genomströmning, sa Hongkun Park, Mark Hyman Jr. professor i kemi och professor i fysik, och co-senior författare av tidningen.

"Kartläggningen av det biologiska synaptiska nätverket som möjliggörs av denna länge eftersökta parallellisering av intracellulär inspelning kan också ge en ny strategi för maskinintelligens för att bygga nästa generations artificiella neurala nätverk och neuromorfa processorer, sa Donhee Ham, Gordon McKay professor i tillämpad fysik och elektroteknik vid John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), och co-senior författare av tidningen.

Forskningen beskrivs i Nature Biomedicinsk teknik .

Forskarna utvecklade det elektroniska chippet med samma tillverkningsteknik som datormikroprocessorer. Chipet har en tät uppsättning vertikalt stående elektroder i nanometerskala på sin yta, som drivs av den underliggande integrerade högprecisionskretsen. Belagd med platinapulver, varje nanoelektrod har en grov ytstruktur, vilket förbättrar dess förmåga att skicka signaler.

Neuroner odlas direkt på chipet. Den integrerade kretsen skickar en ström till varje kopplad neuron genom nanoelektroden för att öppna små hål i dess membran, skapa en intracellulär åtkomst. Samtidigt, samma integrerade krets förstärker också spänningssignalerna från neuronen som tas upp av nanoelektroden genom hålen.

"På detta sätt kombinerade vi den höga känsligheten hos intracellulär inspelning och parallelliteten hos det moderna elektroniska chipet, sa Jeffrey Abbott, en postdoktor vid Institutionen för kemi och kemisk biologi och SEAS, och tidningens första författare.

I experiment, arrayen registrerade intracellulärt mer än 1, 700 nervceller från råtta. Bara 20 minuters inspelning gav forskarna en aldrig tidigare sett titt på det neuronala nätverket och tillät dem att kartlägga mer än 300 synaptiska anslutningar.

"Vi använde också denna höga genomströmning, högprecisionschip för att mäta effekterna av droger på synaptiska förbindelser över råttans neuronala nätverk, och nu utvecklar vi ett system i wafer-skala för läkemedelsscreening med hög genomströmning för neurologiska störningar som schizofreni, Parkinsons sjukdom, autism, Alzheimers sjukdom, och beroende, sa Abbott.