Innerlijke werking van hersencellen onthuld door robots

Binnengaan van de innerlijke werken van een neuron in het levende brein is zo'n moeizame, complexe en gecompliceerde taak dat het als een kunstvorm wordt beschouwd, die alleen in een klein aantal laboratoria over de hele wereld kan worden gedaan.
De innerlijke werking van een neuron in het levende brein biedt een enorme hoeveelheid bruikbare informatie. Het biedt bijvoorbeeld informatie over de patronen van de hersenen van elektrische activiteit, de vorm en zelfs een profiel van welke genen op een bepaald moment worden ingeschakeld.
Volgens het 6 mei nummer van Natuur methoden, onderzoekers van MIT en Georgia Tech hebben een methode ontwikkeld om het proces van het vinden en vastleggen van informatie van neuronen in de levende hersenen te automatiseren.
In een samenwerking tussen het laboratorium van Ed Boyden, universitair hoofddocent biologische wetenschappen en hersen- en cognitieve wetenschappen aan het MIT, en Craig Forest, universitair docent werktuigbouwkunde bij Georgia Tech, toonden de onderzoekers aan dat een robotarm geleid door een celdetecterend computeralgoritme had hogere nauwkeurigheid en snelheid bij het identificeren en vastleggen van neuronen in de levende muizenhersenen dan bij een menselijke experimentator.
Het gebruik van dit nieuwe geautomatiseerde proces betekent dat lang doordachte informatie over de activiteiten van levende cellen kan worden verkregen zonder onderzoekers maandenlang te hoeven trainen. Deze nieuwe techniek stelt wetenschappers in staat om de duizenden verschillende hersenceltypen te classificeren en in kaart te brengen hoe ze zijn gekoppeld, en om te leren hoe zieke cellen verschillen van normale cellen.
Forest zegt:

"Ons team is vanaf het begin interdisciplinair geweest, en dit heeft ons in staat gesteld om de principes van precisie-machine-ontwerp toe te passen op de studie van de levende hersenen."

Forest's afgestudeerde student, Suhasa Kodandaramaiah is de belangrijkste auteur van de studie, en heeft de afgelopen twee jaar doorgebracht als gaststudent aan het MIT.
Volgens Boyden, lid van MIT's Media Lab en McGovern Institute for Brain Research, zou de methode vooral nuttig kunnen zijn bij het bestuderen van hersenstoornissen, zoals schizofrenie, de ziekte van Parkinson, autisme en epilepsie.
Hij gaat door:

"In al deze gevallen is een moleculaire beschrijving van een cel die is geïntegreerd in [zijn] elektrische en circuiteigenschappen ... ongrijpbaar gebleven. Als we echt kunnen beschrijven hoe ziektes moleculen veranderen in specifieke cellen in het levende brein, kan dit een beter medicijn mogelijk maken doelen te vinden. "

Boyden, Forest en Kodandaramaiah besloten om een ??30-jarige techniek te automatiseren, bekend als patchpatching met hele cellen, waarvoor een niveau van vaardigheid vereist is dat meestal een afgestudeerde postdoc student enkele maanden nodig heeft om te leren. De techniek houdt in dat een kleine holle glazen pipet in contact wordt gebracht met het celmembraan van een neuron en dan een kleine porie in het membraan opent om de elektrische activiteit in de cel vast te leggen.
Na vier maanden leren van de handmatige patch-clamp-techniek, zegt Kodandaramaiah:

"Toen ik er redelijk goed in was, voelde ik dat hoewel het een kunstvorm is, het kan worden teruggebracht tot een reeks stereotiepe taken en beslissingen die door een robot kunnen worden uitgevoerd."

Kodandaramaiah en zijn team bouwden een robotarm die een glazen pipet in de hersenen van een verdoofde muis verlaagt met nauwkeurigheid van de micrometer. Terwijl de arm beweegt, controleert de pipet de elektrische impedantie, d.w.z. een maat voor hoe moeilijk het is voor elektriciteit om uit de pipet te stromen. Als er geen cellen in de buurt zijn, stroomt de elektriciteit en is de impedantie laag, maar wanneer de punt een cel raakt, kan elektriciteit niet vrij stromen en stijgt de impedantie. De pipet neemt stappen van twee micrometer, meetimpedantie 10 keer per seconde, en zodra hij een cel detecteert, kan deze onmiddellijk stoppen, zodat hij niet door het membraan prikt.

Boyden zegt:

"Dit is iets wat een robot kan doen dat een mens niet kan."

Zodra de pipet een cel heeft gedetecteerd, brengt deze zuigkracht aan om een ??afdichting te vormen met het celmembraan, zodat de elektrode door het membraan kan breken om de interne elektrische activiteit van de cel te registreren.
De nauwkeurigheid van het robotsysteem bij het detecteren van cellen is 90%, met een slagingspercentage van 40% voor het tot stand brengen van een verbinding met de gedetecteerde cellen. De nieuwe methode kan ook worden gebruikt om de vorm van een cel te bepalen door een kleurstof te injecteren. De onderzoekers zijn momenteel aan het verkennen om de inhoud van een cel te extraheren om het genetische profiel te kunnen lezen, en om het aantal elektroden op te schalen om opnames van meerdere neuronen tegelijkertijd mogelijk te maken. Ze veronderstellen dat dit hen zou kunnen laten bepalen hoe verschillende delen van de hersenen verbonden zijn.
Ze werken ook samen om de duizenden neurontypes in de hersenen te categoriseren. Het meest gebruikelijke middel voor classificatie van deze "onderdelenlijst" voor de hersenen is door neuronen te identificeren aan de hand van hun vorm, maar de nieuwe methode maakt het mogelijk dat de neuronen verder worden geclassificeerd op basis van hun elektrische activiteit en hun genetische profiel.
Forest legt uit:

"Als je echt wilt weten wat een neuron is, kun je naar de vorm kijken, en je kunt kijken hoe het vuurt. Als je dan de genetische informatie eruithaalt, kun je echt weten wat er aan de hand is. Nu weet je alles Dat is de hele foto. "

Boyden is van mening dat dit slechts het begin is van het gebruik van robotica in de neurowetenschappen om levende dieren te bestuderen, aangezien een robot als de hune in de toekomst ook kan worden gebruikt voor het toedienen van medicijnen op doelpunten in de hersenen, of om gentherapievectoren af ??te leveren. Hij hoopt dat hun uitvinding neurowetenschappers zal inspireren om andere vormen van robotautomatisering te ontwikkelen. Bijvoorbeeld in optogenetica, met behulp van licht om gerichte neurale circuits te verstoren en te bepalen welke rol neuronen spelen in hersenfuncties.
Dat stelt dat in euroscience een van de weinige gebieden van de biologie is waar robots nog een grote impact moeten hebben, concludeert Boyden:

"Het genoomproject werd uitgevoerd door mensen en een gigantische set van robots die alle sequenties van het genoom zouden uitvoeren." In gerichte evolutie of in de synthetische biologie, doen robots veel van de moleculaire biologie.In andere delen van de biologie zijn robots essentieel. "

Geschreven door Petra Rattue