Le réseau d’électrodes 3D du laboratoire Rice révèle une évolution en millisecondes de l’activité synaptique

Dans une étude récemment publiée dans Nature Génie biomédicalXie et ses collègues ont décrit leur dernière réalisation vers cet objectif, un réseau d’électrodes 3D qui leur permet de cartographier les emplacements et l’activité de jusqu’à 1 million de liens synaptiques potentiels dans un cerveau vivant sur la base d’enregistrements de l’évolution à l’échelle de la milliseconde des impulsions électriques dans des dizaines de milliers de neurones dans un millimètre cube de tissu cérébral.

“Ce qui est nouveau dans ce travail, c’est la densité d’enregistrement”, a déclaré Xie, professeur agrégé de génie électrique et informatique à Rice et membre principal de la Rice Neuroengineering Initiative. “Les microcircuits dans le cerveau sont très mystérieux. Nous n’avons pas beaucoup de façons de cartographier leur activité, en particulier volumétriquement. Nous voulons fournir des enregistrements très denses du cortex car ceux-ci sont importants, scientifiquement, pour comprendre le fonctionnement des circuits cérébraux.”

Xie a collaboré à l’étude avec des collègues de Rice et de l’Université de Californie à San Francisco, dont Loren Frank de l’UCSF et l’auteur co-correspondant Lan Luan de Rice.

Les neurones sont petits. Chaque millimètre cube de tissu cérébral en contient environ 100 000. Cette densité est à peu près la même pour les humains et les autres mammifères, y compris les rongeurs qui font l’objet d’expériences dans le laboratoire de Xie. La puissance de traitement du cerveau provient des connexions synaptiques entre les neurones. Les paires de neurones synaptiques sont reliées par d’étroits ponts de tissu appelés axones, qui ne mesurent que quelques millionièmes de mètre de diamètre.

L’équipe de Xie a passé des années à développer un matériau appelé fil nanoélectronique (NET) qui est fin, ultraflexible et biocompatible, un trio de propriétés pour fabriquer des implants d’électrodes peu invasifs. Dans des études précédentes, l’équipe de Xie a démontré des techniques pour implanter des réseaux NET étroitement emballés jusqu’à 128 électrodes. Les chercheurs ont également montré que leurs matrices pouvaient rester en place jusqu’à 10 mois, enregistrant les pics d’électricité pulsés, ou potentiels d’action, dans les neurones voisins.

“Lorsque les neurones déclenchent des potentiels d’action, de très faibles signaux électriques en sortent”, a déclaré Xie. “Vous devez placer les électrodes très près de chaque neurone afin de capter ce signal. Habituellement, cela signifie une distance inférieure à 100 microns.”

L’utilisation d’électrodes pour enregistrer les pointes neuronales est une technique primaire en neurosciences depuis des décennies, mais l’évolution des matériaux d’électrode a progressivement transformé l’implantation d’électrodes neurales de procédures hautement invasives qui endommageaient le tissu cérébral même que les électrodes étaient censées mesurer en procédures qui en résultent. en aucun dommage tissulaire mesurable.

L’un des principaux objectifs du laboratoire de Xie est d’augmenter la taille de ses réseaux d’implants. Dans la nouvelle étude, Xie et ses collègues, dont Hanlin Zhu, l’un des principaux étudiants diplômés du projet, ont implanté des réseaux de 1 024 électrodes NET dans un volume de 1 millimètre cube de tissu cérébral.

“Les principaux signaux que nous essayons de mesurer sont les pointes électriques provenant des neurones”, a déclaré Xie. “C’est comme ça qu’ils communiquent. Et une chose qui nous intéresse beaucoup et que nous voulons vraiment comprendre, c’est comment les neurones sont connectés.”

Xie a déclaré qu’il n’y avait pas de moyen simple de sonder les connexions synaptiques

“Les axones peuvent être très longs et chaque neurone peut être connecté par plusieurs milliers d’autres”, a-t-il déclaré. “C’est un réseau très, très, très désordonné. Et le sonder est une tâche extrêmement difficile, surtout lorsque le cerveau fonctionne.”

La densité du nouveau réseau d’électrodes, ainsi que sa capacité à capturer les changements milliseconde par milliseconde dans les pointes électriques des neurones individuels ont permis à Xie et aux co-auteurs de déchiffrer les liens synaptiques potentiels entre les paires de neurones.

“Lorsque la synapse fonctionne, vous voyez généralement un schéma typique lorsque vous regardez l’activité de déclenchement des deux neurones”, a déclaré Xie.

Il faut un peu de temps pour que l’impulsion électrique qui commence dans les neurones présynaptiques se propage dans l’axone et active le neurone postsynaptique, a-t-il déclaré.

“Nous enregistrons de très nombreux pics, puis nous devons trier les pics et attribuer chacun d’eux à des neurones individuels”, a-t-il déclaré. “Nous connaissons l’emplacement de chaque électrode ou canal. Et chaque canal n’enregistre pas plus de quelques neurones à la fois. Chaque neurone est également généralement enregistré par plus d’un contact. Ainsi, vous pouvez faire quelque chose qui s’apparente à la triangulation pour identifier l’emplacement des neurones individuels.”

Une fois les neurones cartographiés, il est relativement facile de calculer la distance qui les sépare et, à partir de là, le temps de propagation de l’activation synaptique.

Le réseau de 1 024 électrodes a donné à l’équipe de Xie un rapport d’environ une électrode pour 100 neurones dans le volume millimétrique de tissu cérébral à l’étude. Le laboratoire travaille à créer des matrices plus denses qui regroupent plus d’électrodes dans le même volume.

La grande majorité des neurones dans le cerveau des gens sont inutilisés, malgré le fait que notre cerveau consomme généralement à peu près autant d’énergie que le corps peut en fournir. Les neuroscientifiques ne comprennent pas entièrement pourquoi le cerveau a autant de neurones inutilisés, et Xie a déclaré que c’est un facteur que son équipe prend en compte dans la conception de leurs réseaux d’électrodes.

“Je veux capturer autant d’interactivité que possible”, a-t-il déclaré. “Je dirais que nous n’avons pas besoin d’un rapport 1 pour 1 entre les électrodes et les neurones pour tout capturer, et c’est en effet mon rêve de capturer toute l’interactivité.”

La recherche a été soutenue par le National Institute of Neurological Disorders and Stroke (R01NS102917, U01NS115588, R01NS109361, UF1NS107667), le National Heart, Lung and Blood Institute (K25HL140153), la Welch Foundation (F-1941-20170325) et le Howard Hughes Medical Institut.