دانشمندان سیناپس پنهان در مغز موش کشف کردند
هدف این تحقیق، درک شبکههای عصبی در مقیاس بزرگ از طریق جهشی در ثبت فعالیت نورونها است.
محققان هاروارد یک تراشه نیمهرسانای اکسید فلز مکمل (CMOS) مملو از ۴۰۹۶ آرایه الکترودی سوراخریز ساختند که به آنها امکان میدهد فعالیت الکتریکی را در چندین سلول عصبی ثبت کنند.
به گزارش نشریه نیچر، (به معنی طبیعت (Nature این امر تیم را قادر ساخت تا ۲۰۰۰ نورون موش را رسم کرده و بیش از ۷۰ هزار اتصال بین آنها را نقشهبرداری کنند. این تراشه قادر به اندازهگیری قدرت سیگنال بین هر اتصال و تعیین نوع سیگنال ارسال شده بین آنها بود.
این یک پیشرفت عظیم در تحقیقات نورونی است، جایی که دانشمندان میتوانند دقیقاً تمام جزئیات اتصالات عصبی درون مغز را نقشهبرداری کنند. در حال حاضر، میکروسکوپ الکترونی میتواند این اتصالات سیناپسی را تجسم کند، اما نمیتواند سیگنالهای عبوری از آنها را اندازهگیری و ثبت کند.
روش دیگر - الکترود پچ کلمپ (patch-clamp electrode) - به محققان اجازه میدهد حتی ضعیفترین سیگنالهای عصبی را نیز به دقت ثبت کنند. با این حال، این تکنیک فقط در چند سلول اندازهگیری میکند و اثربخشی آن را در مطالعه تعداد زیادی از نورونها محدود میکند.
تراشه CMOS جدید به محققان اجازه میدهد تا نحوه تعامل تعداد نسبتاً زیادی از نورونها را مطالعه کنند و به آنها کمک میکند تا درک کنند که چگونه فعالیت آنها منجر به فرآیندهای ذهنی پیچیده، مانند فکر کردن و یادگیری میشود.
محققان گفتند که هر سوراخ ریز مانند یک الکترود پچ کلمپ است. بنابراین، با افزودن بیش از ۴۰۰۰ از این آرایهها (ساختار داده) در داخل یک تراشه واحد، آنها توانستند به طور مؤثر هزاران نورون را کنترل کنند.
محقق جون وانگ با اشاره به تکنیک قدیمی توسعهیافته در سال ۲۰۲۰ که تیم تحقیقات خود را بر اساس آن قرار داده بود، گفت: "الکترودهای سوراخ ریز نه تنها بهتر از الکترودهای نانوسوزنی عمودی به داخل نورونها متصل میشوند، بلکه ساخت آنها نیز بسیار آسانتر است. این دسترسی، یکی دیگر از ویژگیهای مهم کار ما است."
این تیم توانست با استفاده از ۴۰۹۶ سوراخ ریز، بیش از ۳۶۰۰ نورون موش را با موفقیت کنترل کند - نرخ موفقیت تقریباً ۹۰٪. از این طریق، تیم توانست بیش از ۷۰ هزار اتصال را ثبت کند که بیش از ۲۰۰ برابر رکورد قبلی آنها یعنی ۳۰۰ اتصال است. علیرغم همه این پیشرفتها، آنها هنوز راه زیادی تا نقشهبرداری از مغز انسان، با میانگین ۸۶ میلیارد نورون، در پیش دارند.
با فرض اینکه هر نورون به طور متوسط ۳۵ اتصال داشته باشد، این بدان معناست که ذهن ما حداقل 3 میلیارد و 10 میلیون اتصال سیناپسی دارد.
حتی با فقط ۲۰۰۰ سلول عصبی، این مقدار زیادی از اطلاعات است. محقق دون هی هام گفت: "یکی از بزرگترین چالشها، پس از موفقیت در ثبت سلولی به صورت موازی انبوه، نحوه تجزیه و تحلیل حجم زیاد دادهها بود. ما از آن زمان راه زیادی را برای کسب بینش در مورد اتصالات سیناپسی طی کردهایم. اکنون در حال کار بر روی طراحی جدیدتری هستیم که میتواند در مغز زنده مستقر شود."
اگر تیم در انجام این کار و نقشهبرداری از نحوه عملکرد هر اتصال عصبی در مغز زنده موفق شود، میتواند برای چندین پیشرفت تکنولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال، میتوان آن را در آموزش هوش مصنوعی و حتی برای ساخت تراشههای هوش مصنوعی کارآمدتر به کار برد و به ما امکان میدهد قدرت محاسباتی عظیمی را بدون نیاز به گیگاوات ها برق بدست آوریم. همچنین میتواند برای تحقیقات سلامت روان مورد استفاده قرار گیرد، زیرا دانشمندان میتوانند نحوه فعال شدن اتصالات سیناپسی را درک کنند و ببینند که چگونه بر آنچه ذهن درک میکند تأثیر میگذارد.
