Synapsien kartoitus räätälöidyille lääkehoidoille saavuttaa läpimurron

Ihmisellä on jopa 86 miljardia hermosolua. Ne muodostavat biljoonia synaptisia yhteyksiä, jokainen hermosolu yhdistyy muihin hermosoluihin luoden monimutkaisen verkoston. 

Hermosolut viestivät toistensa kanssa synaptisen signaloinnin kautta synapseissa, jotka ovat liitoskohtia, joissa hermosolut voivat innostaa tai estää toisia hermosoluja. 

Synaptinen yhteys on puolestaan hermosolujen välinen liitos, jossa ne kommunikoivat sähkö- ja kemiallisten signaalien avulla. Synaptisten yhteyksien kartoitus on prosessi, jossa selvitetään, miten hermosolut ovat yhteydessä toisiinsa ja kuinka vahvoja nämä yhteydet ovat. Uskotaan, että näiden yhteyksien rakenne määrää aivojen toiminnan, mikä tekee tästä prosessista äärimmäisen tärkeän. 

Synaptisten yhteyksien kartoitus ja karakterisointi on kuitenkin avoin haaste. Tällä hetkellä kartoitamme vain muutamia satoja synaptisia yhteyksiä. Harvardin tutkijoiden uusin tutkimus on kuitenkin laajentanut sen yli 70 000:een tarkkuudella, mikä on merkittävä läpimurto neurotieteen alalla, erityisesti hermosolujen tallennuksessa. 

Tämän mittakaavan kartoitus ja luettelointi saavutettiin noin 2 000 rottahermosolun avulla, käyttäen piisirua, jossa on mikrorakoelektrodeja, jotka pystyvät havaitsemaan samanaikaisesti pieniä mutta merkittäviä synaptisia signaaleja. 

Tällainen edistysaskel voi auttaa meitä luomaan yksityiskohtaisen kartan synaptisista yhteyksistä ja mahdollistaa paremman ymmärryksen siitä, miten hermosolut yhdistyvät ja viestivät. 

Tutkimus nimeltä “Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array” julkaistiin julkaistu¹ Nature Biomedical Engineering -lehdessä tässä kuussa. 

Neuronaalisen sisäsolu‑tallennuksen rinnakkaistaminen suuressa mittakaavassa on tutkimuksen mukaan suuri haaste, joka on voitettava, koska se mahdollistaa synaptisten signaalien mittaamisen hermoverkossa, mikä puolestaan mahdollistaa synaptisten yhteyksien kartoituksen ja karakterisoinnin. 

Neuronaalisen tallennuksen skaalaus edistyksellisellä siruinnovaatioilla

Synaptisten rakenteiden visualisointiin elektronimikroskopia (EM) on osoittautunut erittäin tehokkaaksi, mutta se ei pysty mittaamaan hermosoluyhteyksien vahvuutta. Tämä rajoittaa tekniikan kykyä selittää hermoverkkojen toiminnallisuutta. 

Tässä patch-clamp‑tallennus tulee kuvaan, tarjoten tarkemman tekniikan synaptisen toiminnan tutkimiseen, sillä se voi lävistää yksittäisiä hermosoluja ja kaapata jopa heikkoja signaaleja korkealla herkkyydellä. 

Tiedemiehet Erwin Neher ja Bert Sakmann saivat vuonna 1991 Nobel‑palkinnon fysiologiasta tai lääketieteestä patch-clamp‑tekniikasta. Kokeellinen mittauslaite todisti ionikanavien olemassaolon ja toiminnan, jotka ohjaavat tärkeitä tehtäviä elävissä soluissa, kuten lihassupistusta ja hermoimpulssien siirtoa. Tekniikka mahdollisti myös kanavien keskeisten ominaisuuksien määrittämisen tarkasti. 

Vaikka tämä menetelmä voi auttaa tutkijoita tunnistamaan ja mittaamaan yhteyksien vahvuutta, tiedemiehet ovat tähän asti kamppailleet sisäsolusignaalien tallentamisessa useammasta kuin muutamasta hermosolusta kerrallaan. 

Harvardin John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) -koulun profeessori ja yhteisvanhempi tekijä Donhee Ham johti tiimiä, jonka jäsenet olivat peräisin tästä laitoksesta sekä Harvardin kemian ja kemiallisen biologian osastolta, ja he rakensivat edistyksellisen sirun. 

Tarkemmin sanottuna tiimi on rakentanut sirulle 4 096 mikrorakoelektrodiota sisältävän matriisin. Tämä laite mahdollisti massiivisesti rinnakkaisen sisäsolutallennuksen noin 2 000 rottahermosolulle. 

Tämä tarjosi tutkijoille runsaasti dataa synaptisista signaaleista, joista he poimivat yli 70 000 synaptista yhteyttä. 

Työ perustuu itse asiassa rakentaa läpimurtolaitteen päälle, jonka tiimi kehitti muutama vuosi sitten. Silloin 4 096 pystysuoraa nanokynäelektrodiota ulottui saman integroidun piisirun pinnasta. 

Elektroninen siru sisälsi tiheän matriisin pystysuorasti seisovista, platinaan jauheella päällystetyistä (signaalin kulkukyvyn parantamiseksi) nanometrin mittakaavan elektrodeista sen pinnalla. 

Tuossa laitteessa hermosolu saattoi kietoutua neulaan mahdollistaen sisäsolutallennuksen, rinnakkaisesti suuren määrän elektrodeja hyödyntäen. Silloin tiimi pystyi tallentamaan yli 1 700 rottahermosolua ja kartoitamaan yli 300 synaptista yhteyttä. 

Saavutetut luvut olivat ennätyksellisiä, mutta tiimi koki, että niitä voitaisiin vielä parantaa, mistä johtui uusin tutkimus. 

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, ovatko memristorit avain ihmisaivojen jäljittelemiseen.

Sisäsolutallennuksen vallankumous yhteyksien kartoituksessa

Samsung Electronicsin Samsung Advanced Institute of Technology -laitoksen tukemana tiimi suunnitteli ja valmisti platina/platina‑musta mikrorakoelektrodi‑matriisin komplementaariselle metallioksidisemikondensaattorilla (CMOS) -sirulle. 

Matriisia käytettiin solujen varovaisesti avaamiseen injektoimalla pieniä virtoja elektrodien läpi, jotta niiden sisäsolutallennus voitaisiin rinnakkain toteuttaa. 

Sirun sisään integroidut elektroniikat, tutkimuksen yhteisjohtava tekijä ja entinen postdoc‑tutkija Woo‑Bin Jungin mukaan, joka on tällä hetkellä Pohang University of Science and Technologyin (POST) tiedekunnan jäsen Etelä‑Koreassa, “näyttelevät yhtä tärkeää roolia kuin mikrorakoelektrodi, tarjoamalla varovaisia virtoja monimutkaisella tavalla sisäsolutason pääsyn saamiseksi ja tallentaen samanaikaisesti sisäsolusignaalit”. 

Tässä mikrorako‑suunnittelu on samankaltainen kuin patch‑clamp‑elektrodi. Näillä mikrorakoelektrodeilla on kaksi pääetua:

1. Ne ovat paljon helpompia valmistaa
2. Ne kytkeytyvät hermosolujen sisäosiin paremmin kuin aiemmin käytetyt pystysuorat nanokynäelektrodit

“Tämä saavutettavuus on toinen tärkeä ominaisuus työssämme.”

– Jun Wang, postdoc‑tutkija ja yhteisjohtava tekijä 

Uuden suunnittelun avulla tiimi saavutti erinomaisia tuloksia. Keskimäärin 90 % mikrorakoelektrodeista (yli 3 600 / 4 096) oli sisäsolutasolla integroituna, mikä auttoi tiimiä poimimaan niistä 70 000 uskottavaa synaptista yhteyttä, paljon enemmän kuin 300 nanokynäelektrodi‑matriisilla. 

Tiimi ei saanut pelkästään kvantitatiivisia tuloksia, vaan myös laadukasta tallennusdataa, jonka avulla he pystyivät luokittelemaan synaptiset yhteydet niiden vahvuuksien ja ominaisuuksien perusteella. 

Synaptiset yhteydet luokiteltiin sähköisiksi synaptisiksi yhteyksiksi sekä vahvoiksi/tapahtumallisiksi eksitatorisiksi, heikoiksi/ei‑tapahtumallisiksi eksitatorisiksi ja inhibiittisiksi kemiallisiksi synaptisiksi yhteyksiksi, arvioidulla 5 % kokonaisvirheratalla. 

Tutkimuksen mukaan synaptisen yhteyden kartoitus näin laajalla tasolla sekä kyky tunnistaa synaptiset yhteydet on suuri askel kohti toiminnallisen yhteyden kartoitusta suurten hermoverkkojen mittakaavassa. 

Aikaisemmassa versiossa tutkijat käyttivät suorituskykyistä sirua laskiakseen lääkkeiden vaikutuksia synaptisiin yhteyksiin. Silloin tiimi ilmoitti rakentavansa wafer‑pohjaista järjestelmää lääketestaukseen neurologisten häiriöiden, kuten riippuvuuden, autismi, Alzheimerin tauti, Parkinsonin tauti ja skitsofrenia, osalta. 

Biologinen synaptinen verkostokartoitus voi myös tarjota uuden strategian koneälylle seuraavan sukupolven keinotekoisten neuroverkkojen ja neuromorfisten prosessorien rakentamiseen. 

Nyt kun tiimi on saanut näkemyksiä synaptisista yhteyksistä massiivisesta rinnakkaisen sisäsolutallennuksen datasta, he “työskentelevät kohti uutta suunnitelmaa, joka voitaisiin ottaa käyttöön elävässä aivoissa”. 

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten tekoäly ja neurotiede yhdessä purkavat ihmisaivoja.

Aivokartoituksen ja neuroteknologian edistysaskeleet

Tällaiset tutkimukset ovat keskeisiä syventäessämme ymmärrystämme aivojen monimutkaisista synaptisista yhteyksistä, paljastaen paitsi hermosolujen vuorovaikutuksen monimutkaisuuden myös tarjoten perustan edistyneelle aivokartoitustutkimukselle, yksi monista jännittävistä kehityksistä, jotka muovaavat aivotutkimuksen tulevaisuutta. 

Aivot ovat lopulta mielenkiintoinen, mutta monimutkainen rakenne, mikä tekee siitä kasvavan kiinnostuksen kohteen tutkijoiden ja instituutioiden keskuudessa. Mielenkiintoista on, että mitä enemmän tutkimme ja opimme aivoistamme, sitä monimutkaisemmiksi ne tulevat. Kuten Harvardin molekyylisen ja solubiologian professori Jeff Lichtman totesi, pelkkä luonnon kuvaaminen on paljastanut: 

“[Se, että aivot] ovat monimutkaisempia kuin luulimme.”

Yli vuosikymmenen ajan Lichtman on tarkastellut tiettyä (yksi kuutiosenttimetri) aivokuoren aluetta luodakseen yksityiskohtaisen kartan yhteyksistä ihmisaivoissa. Viime vuonna Harvard Magazine raportoi heidän analyysistaan, jonka mukaan glia‑solut, jotka tukevat ja suojaavat hermosoluja, hallitsevat niitä kahden yhden suhdeluvulla. Selitystä tälle ilmiölle ei kuitenkaan ole vielä löydetty. 

Hän ja hänen kollegansa havaitsivat myös muutaman erittäin vahvan yhteyden, joissa jokaisella solulla oli paljon synapseja, mahdollistaen tiedon kulkemisen aivoissa erittäin nopeasti, mikä heidän mukaansa “ehkä… mitä muistot ovat”. 

Tähän he käyttivät naisen ohimolohkon kudosta, jonka leikkasivat yli 5 000 osaan, joista jokainen skannattiin erityisesti tähän tarkoitukseen rakennetulla monisäde‑elektronimikroskoopilla erittäin korkealla tarkkuudella. 

Google‑tutkijat rakensivat sitten uusia neuroverkkomenetelmiä tunnistaakseen kohteita kussakin näistä viipaleista ja yhdistivät ne luodakseen 3D‑tilan. Heidän kuvaamansa siemenkokoisen näytteen sisälsi 57 000 solua, 230 millimetriä verisuonia ja 150 miljoonaa synapsia. 

Lichtman aikoo seuraavaksi kartoittaa koko hiiren aivot, sillä ihmisaivojen kartoitus ei vielä ole mahdollista. Sillä välin Princetonin tiedeyhteisön tiimi kartoitti aikuisen hedelmäkärpäsen aivot. 

Aikaisemmin tutkijat ovat kartoittaneet toukkakärpäsen aivot, joissa on 3 000 hermosolua, mutta aikuinen hedelmäkärpänen sisältää lähes 140 000 hermosolua ja kymmeniä miljoonia niiden välisiä synapseja. Kartta rakennettiin käyttäen 21 miljoonaa hedelmäkärpäsen aivojen kuvaa ja tekoälymallia. Tämän suunnitelman avulla tutkijat pyrkivät antamaan vastauksia siihen, mitkä hermosolut vastaavat mistäkin käyttäytymisestä. 

John Ngai, Yhdysvaltain terveysinstituutin (NIH) BRAIN‑aloitteen johtaja, totesi, että ihmisaivot ovat “voimakkaampia kuin mikään ihmisen tekemä tietokone” monessa suhteessa, “mutta suurimmaksi osaksi emme silti ymmärrä niiden taustalla olevaa logiikkaa”. 

Ja jos meillä ei ole “yksityiskohtaista ymmärrystä siitä, miten hermosolut yhdistyvät toisiinsa, meillä ei ole perustavaa ymmärrystä siitä, mikä toimii oikein terveissä aivoissa tai mikä menee vikaan sairaudessa”. 

Tämä on syy siihen, miksi yhä enemmän keskitytään aivojen kartoitukseen. McGill University Health Centrein tutkimuslaitoksen tiedemiehet toteuttivat juuri kuussa menetelmän nimeltä “optomapping”, joka nopeuttaa hermosolujen tutkimusta dramaattisesti. 

Tiimi on jo testannut yli 30 000 ehdokas‑yhteyttä ja karakterisoinut noin 1 800 synapsia hiiren aivojen näköaivokuoressa. 

Optomappingin avulla tehdyt keskeiset löydökset sisältävät ainutlaatuisia yhteysmalleja eri tyyppisiin inhibiittorisiin hermosoluihin, mikä haastaa aiemman tietämyksemme aivojen kortikaalikerrosten informaatiovirta‑prosessista. Ne myös osoittivat aivojen viestintämallien tarkkaa tasapainottamista, jossa jotkut yhteydet vahvistavat signaaleja ja toiset rauhoittavat niitä. 

Lisäksi he havaitsivat epätasapainoa eri hermosolutyyppejen aktivoinnissa, mikä voi auttaa esimerkiksi autismissa ja epilepsiassa. Tunnistamalla muutokset, Optomapping voi johtaa tarkempiin ja tehokkaampiin hoitoihin. 

Mielenkiintoista on, että tällä kuukaudella teknologiayritys Meta Platforms (META ) ilmoitti kehittäneensä laitteen, jonka avulla ihmiset voivat tuottaa tekstiä pelkän ajatuksen voimalla. Tähän käytettiin aivoskanneria ja tekoälymallia nimeltä Brain2Qwerty aivojen kielen purkamiseksi ilman leikkausta. 

Kuitenkin tuotteen kaupallistumismahdollisuudet ovat hyvin pienet useiden rajoitteiden vuoksi. Esimerkiksi magneettienergiatutkimukseen (MEG) käytettävä skanneri on erittäin suuri, painaa noin puoli tonnia ja on kallis, maksaa 2 miljoonaa dollaria. Se toimii myös vain suojatussa huoneessa, jotta maapallon magneettikenttä voidaan vaimentaa. 

Mutta tämä voi varmasti edistää ymmärrystämme ihmisaivoista ja viestinnästä. 

“Yrittäminen ymmärtää ihmisaivojen tarkkaa arkkitehtuuria tai periaatteita voi olla tapa ohjata koneälyn kehitystä. Se on polku.”

– Metan Brain & AI -tiimin johtaja, Jean‑Rémi King, kertoi Tech Reviewlle. 

Tulokset osoittavat, että järjestelmä pystyy havaitsemaan, mitä näppäimiä “taitava” kirjoittaja painaisi, jopa 80 %:n tarkkuudella. Vaikka se ei ole virheetön, tutkijat sanoivat sen olevan riittävän tarkka rakentaakseen kokonaisia lauseita aivosignaaleista. 

Nämä kehitykset, jotka tulevat 1,76 triljoonan dollarin markkina‑arvon yritykseltä, joka keskittyy pääasiassa sosiaaliseen mediaan ja tekoälyyn, saattavat yllättää joitakin, mutta Meta on ollut mukana neuroteknologian tutkimuksessa jo monien vuosien ajan. 

Lisäksi, toisin kuin puhtaasti neuroteknologiaan keskittyvät yritykset, Meta on kannattava, mikä tarkoittaa, että se voi investoida siihen liittyvään tutkimukseen huolehtimatta resurssien puutteesta. 

Taustatietona yritys raportoi äskettäin neljänneksen 4 tuloksensa, jotka osoittivat 21 %:n vuotuisen liikevaihdon kasvun 48,39 miljardia dollaria. Kaiken kaikkiaan keskimäärin 3,35 miljardia päivittäin aktiivista käyttäjää (DAP) käytti sen tuotteita. Tänä aikana Meta kirjasi 25,02 miljardia dollaria kuluja ja menoja sekä 14,84 miljardia dollaria pääomamenoja, samalla kun sen vapaa kassavirta oli 13,15 miljardia dollaria, ja käteinen, käteisen vastaavat ja myytävät arvopaperit olivat 77,81 miljardia dollaria. Se on myös ilmoittanut investoivansa noin 60–65 miljardia dollaria tekoälyyn tänä vuonna. 

Tässä tilassa edistyvät yritykset

Katsotaanpa nyt merkittäviä pörssinoteerattuja yrityksiä, jotka tekevät merkittäviä edistysaskeleita alalla. 

1. Neuronetics, Inc.

Tämä lääketieteellinen teknologiayritys kehittää tuotteita potilaille, jotka kärsivät neuroterveysongelmista. Sen NeuroStar Advanced Therapy System on ei‑invasiivinen hoito, joka käyttää transkraniaalista magneettistimulaatiota (TMS) aivojen mielialaan liittyvien alueiden stimuloimiseen. Sitä käytetään aikuisten potilaiden hoitoon, joilla on suuri masennushäiriö (MDD). 

Markkina‑arvoltaan 267 miljoonaa dollaria, STIM‑osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 4,80 $, mikä on huikea 198,14 %:n nousu vuodesta alkaen. Sen EPS (TTM) on -1,22 ja P/E (TTM) on -3,94. 

Q3‑2024‑tuloksena Neuronetics raportoi 18,5 miljoonaa dollaria liikevaihtoa, 13,3 miljoonaa dollaria nettotappiota ja kassatilanteen laskun 20,9 miljoonaan dollariin 59,7 miljoonan dollariin vuoden 2023 lopussa verrattuna. Tänä aikana yritys toimitti Yhdysvalloissa 48 NeuroStar‑järjestelmää, ja sen liikevaihto oli 4,1 miljoonaa dollaria, kun hoitosessiot kasvoivat 2 %. 

Neuronetics myös hankki Greenbrook TMS :n, jonka odotetaan nopeuttavan sen kannattavuuspolkua toimitusjohtaja Keith J. Sullivanin mukaan. 

Alustavien Q4‑tulosten mukaan Neuroneticsin liikevaihto Q4:lle arvioidaan olevan 22,1 miljoonaa dollaria ja koko vuoden 2024 liikevaihdoksi 74,5 miljoonaa dollaria. Kuitenkin se on ilmoittanut paremmat odotukset tälle vuodelle, kokonaisliikevaihdon ollessa 145–155 miljardia dollaria ja positiivisen kassavirran kolmannella neljänneksellä. 

#2. NeuroOne Medical Technologies Corporation   

Tämä lääketieteellinen teknologiayritys kehittää minimaalisen invasiivisia ratkaisuja aivojen stimulaatioon, EEG‑tallennukseen ja ablaatiolle niille, jotka kärsivät neurologisista häiriöistä, kuten epilepsiasta, dystoniasta, vapinasta, Parkinsonin taudista ja kroonisesta kipusta. 

Sen tuotteisiin kuuluu Evo‑kortikaalielektroditeknologia aivokudoksen tallentamiseen, valvontaan ja stimulaatioon. 

Sitten on OneRF‑ablaatiolaitteisto, jonka avulla luodaan “radiotaajuuslesioita hermokudokseen toiminnallisia neurokirurgisia toimenpiteitä varten.” NeuroOne on itse asiassa saanut FDA‑hyväksynnän OneRF Ablation System -laitteelleen, mikä tekee siitä ensimmäisen ja ainoan, joka on saanut sen sekä sähköisen toiminnan raportointiin että hermokudoksen ablaatioon. 

Markkina‑arvoltaan 34,56 miljoonaa dollaria, NMTC‑osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 1,12 $, mikä on 35,61 %:n nousu vuodesta alkaen. Sen EPS (TTM) on -0,27 ja P/E (TTM) on -4,21. 

Fiscal‑vuoden 2025 ensimmäisellä neljänneksellä yritys raportoi 3,3 miljoonaa dollaria tuote‑liikevaihtoa ja 1,9 miljoonaa dollaria tuote‑bruttovoittoa, kun taas toimintakulut vähenivät. 31 . joulukuuta 2024 kassassa ja kassavaroissa oli 1,1 miljoonaa dollaria, mikä on vähemmän kuin 1,5 miljoonaa dollaria, joka oli 30 . syyskuuta 2024. 

Johtopäätös

Aivoihin liittyvät läpimurrot ovat kriittisiä ihmiskunnan kehitykselle. Loppujen lopuksi aivot ovat tärkein elin, joka ohjaa lähes kaikkia toimintoja, ajatuksista, muistoista ja tunteista liikkeeseen, näköön ja kuulemiseen. Siksi syvempi aivojen ymmärtäminen on välttämätöntä, ja viimeaikaiset tutkimukset, jotka edistävät laajamittaista synaptisen yhteyden kartoitusta, merkitsevät merkittävää askelta aivojen purkamisessa juuri siinä, miten hermosolut vuorovaikuttavat ja viestivät. 

Kun nämä edistysaskeleet jatkavat tarkentumistaan, ne voivat raivata tietä syvempään ymmärrykseen aivojen toiminnasta, tukea uusia terapeuttisia strategioita monimutkaisiin sairauksiin ja mullistaa neurotieteellisen tutkimuksen. 

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon huippuluokan sinisistä lääketeollisuuden yrityksistä.

Tutkimusviite:

1. Wang, J., Jung, W. B., Gertner, R. S., et al. (2025). Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array. Nature Biomedical Engineering. https://doi.org/10.1038/s41551-025-01352-5