محققان فناوری منبع باز جدیدی را برای ارتباط با نورون های زنده طراحی می کنند

نورون ها به طور پیچیده ای با محرک ها در یک شبکه گسترده ارتباط برقرار می کنند و به آنها پاسخ می دهند و عملکردهای اساسی را از فرآیندهای اولیه بدن تا افکار پیچیده هماهنگ می کنند. روش‌های عصب‌شناسی سنتی، با تکیه بر الکتروفیزیولوژی in vivo (در یک موجود زنده)، اغلب در پرداختن به پیچیدگی مغز به عنوان یک کل مشکل دارند.

یک رویکرد جایگزین شامل استخراج سلول‌ها از ارگانیسم و ​​انجام مطالعات بر روی ظرف کشت به جای آن (در شرایط آزمایشگاهی) است که به محققان کنترل و دقت بیشتری در اندازه‌گیری فرآیندهای عصبی ارائه می‌کند.

در یک مطالعه جدید که در علوم پیشرفتهمحققان از یک سیستم in vitro مقرون‌به‌صرفه و منبع باز برای ارتباط با نورون‌ها رونمایی می‌کنند که راه در دسترس‌تری را برای محققان علاقه‌مند به تعاملات عصبی ارائه می‌دهد.

این مطالعه بخشی از یک پروژه بزرگتر به نام Mind in Vitro است که چگونگی تعامل نورون ها با یکدیگر را بررسی می کند، نه تنها برای درک بهتر عملکردهای زیربنایی سیستم های پیچیده مانند مغز، بلکه برای هدف نهایی استفاده از شبکه های عصبی آزمایشگاهی برای محاسبات. . برای دستیابی به چنین هدفی، پروژه MiV شامل یک گروه بسیار بین رشته ای از محققان، از جمله افرادی از علوم کامپیوتر، مهندسی، نوروبیولوژی، فیزیولوژی و غیره است.

ژی (اندرو) دو، یک دانشجوی فارغ التحصیل در آزمایشگاه Gazzola که به رهبری پروژه کمک کرد، توضیح داد: «هدف پروژه MiV در نهایت استفاده از نورون ها برای محاسبات است. این امر به سیستمی امکان می دهد که برخلاف سیستم های محاسباتی سنتی پویا و دائما در حال تکامل باشد و در واقع انرژی کارآمدتری نیز داشته باشد.

مطالعه جدید MiV که توسط Mattia Gazzola (M-CELS)، دانشیار علوم و مهندسی مکانیک، Xiaotian Zhang، محقق فوق دکتری در آزمایشگاه Gazzola و Dou هدایت می‌شود، رویکردی نوآورانه برای اندازه‌گیری فعالیت نورون‌ها با استفاده از آرایه میکرو الکترود توصیف می‌کند. فناوری (MEA). در حالی که سیستم‌های تجاری وجود دارند که از فناوری مشابهی استفاده می‌کنند، اغلب گران هستند و با رویکردهای تجربی خاص به بازار عرضه می‌شوند.

ژانگ می‌گوید: «مشکل فناوری کنونی برای ارتباط با نورون‌ها این است که عمدتاً سیستم‌های تجاری هستند که برای شرایط آزمایشی خاص، به طور کلی در بیوشیمی یا علوم اعصاب سنتی استاندارد شده‌تر هستند». از آنجایی که ما علاقه مند به مهندسی پارادایم های محاسباتی از سلول های زنده هستیم، انگیزه ما برای این بود که از سیستم های تجاری استانداردتر فاصله بگیریم و خودمان چیزی بسازیم که کنترل کامل روی آن داشته باشیم.

در دستگاه جدید MiV، سلول‌ها روی صفحه‌ای قرار می‌گیرند که حاوی MEA است و به فناوری اجازه می‌دهد با بسترهای عصبی ارتباط برقرار کند. الکترودها ولتاژ نورون‌ها را تشخیص می‌دهند و این ولتاژ تقویت می‌شود و به رایانه ارسال می‌شود و سپس داده‌ها را پردازش می‌کند.

در مقایسه با سیستم تجاری استاندارد 60 الکترود، سیستم MiV دارای بیش از 500 الکترود است که امکان جمع‌آوری داده‌های بیشتری را در یک زمان فراهم می‌کند. این سیستم همچنین دارای ویژگی‌های بهبود یافته و/یا جدید در مقایسه با سیستم‌های تجاری است، مانند قابلیت حمل، ارتباط دوطرفه با نورون‌ها، توانایی تصویربرداری از نورون‌ها در حین ضبط، و توانایی آزمایش انواع ورودی (الکتریکی و نوری) و چندگانه. جمعیت سلولی در یک زمان

با وجود این پیشرفت‌ها، هزینه ساخت سیستم MiV به‌طور تکان‌دهنده‌ای 10 برابر ارزان‌تر از هزینه یک سیستم تجاری است و کاملاً قابل تنظیم است. به منظور انتشار بیشتر این سیستم، محققان مدل‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری خود را برای سیستم MiV منبع باز و به صورت رایگان در دسترس آنلاین قرار داده‌اند.

ژانگ می‌گوید: «اینکه نرم‌افزار و سخت‌افزار ما متن‌باز باشد واقعاً برای ما مهم بود. “ما می خواستیم هزینه را کاهش دهیم تا این فناوری در دسترس دیگران قرار گیرد، و آن را انعطاف پذیرتر و همه کاره تر کنیم تا محققان بتوانند تنظیمات آزمایشی خود را برای هر چیزی که نیاز دارند سفارشی کنند. سیستم ما فقط برای یک آزمایشگاه یا یک گروه نیست. از افرادی که به یک چیز خاص علاقه دارند، آن برای همه است.”

دوو گفت: “ما سیستم خود را طوری طراحی کردیم که ساخت بسیار آسان و متشکل از قطعات ارزان قیمت باشد، که به بسیاری از آزمایشگاه هایی که توانایی پرداخت سیستم تجاری را ندارند، اجازه می دهد تا سیستم خود را داشته باشند.” اگرچه طرح اصلی برای مطالعات محاسباتی است، اما ما ساختار را برای طراحی مجدد و گسترش آن آسان کرده‌ایم، بنابراین مطمئن هستیم که این امر محققین را بدون توجه به نوع مطالعاتی که می‌خواهند انجام دهند، راضی می‌کند.

محققان می گویند آزمایشگاه های دیگر در حال حاضر برای آزمایش های خود به فناوری جدید علاقه نشان می دهند. تیم MiV قصد دارد به بهبود طراحی ادامه دهد تا سخت‌افزار را خودکارتر و در دسترس‌تر کند، و همچنین راه‌هایی را برای تعیین کمیت و گسترش عملکرد فناوری کشف کند.

پیوندهای طرح‌ها و نرم‌افزارهای سخت‌افزار منبع باز را می‌توانید به ترتیب در https://gazzolalab.github.io/MiV-OH/ و https://miv-os.readthedocs.io/ پیدا کنید.