Innovatieve 3D-gouden micro-elektrode-arrays verbeteren het begrip van neuronale netwerkcommunicatie

Inzicht in de dynamiek van neuronale communicatie is van cruciaal belang voor de voortgang van neurowetenschappelijk onderzoek en de ontwikkeling van effectieve therapieën voor neurologische aandoeningen.

Neuronale netwerkmodellen zijn waardevol gebleken in de neurowetenschap en bieden een hoge controleerbaarheid en herhaalbaarheid voor het bestuderen van hersenfuncties, ziektemechanismen en de impact van neurologische medicijnen. Traditionele tweedimensionale (2D) micro-elektrode-arrays (MEA’s) die worden gebruikt voor het monitoren van deze netwerken, hebben echter beperkingen, met name in stabiliteit en signaal-ruisverhouding, die langetermijnopnames belemmeren die nodig zijn voor langetermijnstudies.

In een onderzoek gepubliceerd in ACS Nanoeen groep wetenschappers onder leiding van Prof. Cai Xinxia van het Aerospace Information Research Institute (AIR) van de Chinese Academie van Wetenschappen, heeft in samenwerking met internationale collega’s een innovatieve aanpak ontwikkeld om de dynamiek van neuronale netwerken te onderzoeken.

Ze verbeterden aanzienlijk de mogelijkheid om communicatie binnen neuronale netwerken te monitoren en analyseren met behulp van driedimensionale (3D) gouden micro-elektrode-arrays.

De wetenschappers introduceerden een aanpasbare, polymeer-gemodificeerde 3D gouden micro-elektrode-array die stabiele, hoge signaal-ruisverhouding (SNR) opnames kan leveren gedurende langere perioden. Deze innovatie maakt gedetailleerde verkenning van celcommunicatie binnen neuronale netwerken gedurende langere perioden mogelijk, waarmee de tekortkomingen van planaire 2D MEA’s worden overwonnen.

De 3D-structuur verbetert de elektrische geleidbaarheid en biocompatibiliteit, waardoor een effectievere koppeling met elektrisch actieve celmembranen mogelijk is.

De wetenschappers pasten gerichte ruimtelijke en temporele patronen van elektrische stimulatie toe op gekweekte neuronale netwerken en monitorden hun dynamiek gedurende drie weken. Door correlatie-heatmaps en wederzijdse informatienetwerken te gebruiken, kwantificeerden ze de synaptische communicatie en connectiviteit van de netwerken.

Analyse van synaptische vertraging en signaalsnelheid tussen cellen leidde tot de ontwikkeling van een communicatieconnectiviteitsmodel, dat dynamische veranderingen in netwerkcommunicatie in de loop van de tijd aan het licht bracht.

De bevindingen van deze studie bieden een waardevol hulpmiddel voor toekomstige studies naar de dynamiek van neuronale netwerken. Het vermogen om communicatieveranderingen binnen deze netwerken te monitoren, kan het begrip van zowel gezonde hersenfuncties als ziektemechanismen vergroten.