Kartlegging av synapser for skreddersydde medikamentbehandlinger oppnår gjennombrudd

Det finnes opptil 86 milliarder nevroner i den menneskelige hjernen. De danner billioner av synaptiske forbindelser, der hver nevron kobler seg til andre nevroner for å skape et komplekst nettverk. 

Det er gjennom synaptisk signalering at nevroner kommuniserer med hverandre ved synapser, som er koblingspunkter hvor nevroner kan excitere eller hemme andre nevroner. 

En synaptisk forbindelse er derimot koblingspunktet mellom nevroner hvor de kommuniserer med hverandre ved hjelp av elektriske og kjemiske signaler. Kartlegging av synaptiske forbindelser er en prosess for å identifisere akkurat hvordan nevroner er koblet til hverandre og hvor sterke disse forbindelsene er. Strukturen til disse forbindelsene anses å bestemme hjernefunksjon, noe som gjør denne prosessen ekstremt viktig. 

Imidlertid er kartlegging og karakterisering av synaptiske forbindelser en åpen utfordring. For øyeblikket er vi begrenset til kartlegging av kun noen hundre synaptiske forbindelser. Imidlertid har den siste studien fra Harvard-forskere utvidet dette til over 70 000 med nøyaktighet, noe som gjør det til en betydelig gjennombrudd innen nevrovitenskap, spesielt nevronopptak.

Kartleggingen og katalogiseringen i denne skalaen ble oppnådd fra omtrent 2 000 rotte-nevroner ved hjelp av en silisiumchip med mikrohull-elektroder som kan oppdage små, men merkbare synaptiske signaler samtidig.

En slik fremgang kan hjelpe oss med å lage et detaljert kart over synaptiske forbindelser og tillate oss å bedre forstå hvordan nevroner kobler seg og kommuniserer.

Studien med tittelen “Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array” ble publisert¹ i Nature Biomedical Engineering denne måneden.

Paralleliseringen av nevronalt intracellulært opptak i stor skala, ifølge studien, er en stor utfordring som må overvinnes da det gjør det mulig å måle synaptiske signaler over et nevronnettverk, noe som igjen gjør kartlegging og karakterisering av synaptiske forbindelser mulig.

Oppskalering av nevronopptak med avansert chip-innovasjon

For visualisering av synaptiske strukturer har elektronmikroskopi (EM) vist seg å være svært effektiv, men den kan ikke måle styrken på nevronforbindelser. Dette begrenser teknikkens evne til å forklare funksjonaliteten til nevronnettverk.

Dette er hvor patch-clamp-opptaket kommer inn, og tilbyr en mer presis teknikk for å studere synaptisk aktivitet da den kan trenge gjennom individuelle nevroner og fange selv svake signaler med høy følsomhet.

Forskere Erwin Neher og Bert Sakmann mottok Nobelprisen i fysiologi eller medisin i 1991 for patch-clamp-teknikken. Det eksperimentelle måleinstrumentet beviste eksistensen og funksjonen til ionekanaler i å drive viktige oppgaver i levende celler som muskelkontraksjon og nerveimpulsoverføring. Teknikken tillot også at nøkkelfunksjoner ved kanalene ble definert med fin presisjon. 

Selv om denne metoden kan hjelpe forskere med å identifisere og måle forbindelsesstyrke, har forskere slitt med å registrere intracellulære signaler fra mer enn noen få nevroner samtidig, frem til nå.

Ledet av med‑seniorforfatter Donhee Ham, professor i ingeniørfag og anvendt vitenskap ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), bygde forskerne fra denne avdelingen, samt Harvards avdeling for kjemi og kjemisk biologi, en avansert chip.

Mer presist har teamet bygget et array med 4 096 mikrohull-elektroder på en chip. Denne enheten utførte det massivt parallelle intracellulære opptaket av omtrent 2 000 rotte-nevroner. 

Dette ga forskerne rikelig med data om synaptiske signaler, fra hvilke de ekstraherte mer enn 70 000 synaptiske forbindelser.

Arbeidet bygger faktisk på den banebrytende enheten som teamet utviklet for noen år siden. På den tiden stakk et array med 4 096 vertikale nanoneedle-elektroder ut av en silisiumchip med samme integrerte kretsdesign. 

Den elektroniske chipen hadde et tett array av vertikalt stående, platinkrydde (for å forbedre signaloverføringskapasiteten) nanometerskala elektroder på overflaten.

På den enheten kunne en nevron vikle seg rundt en nål for å tillate intracellulært opptak, parallelt gjennom et stort antall elektroder. På den tiden klarte teamet å registrere mer enn 1 700 rotte-nevroner og kartlegge over 300 synaptiske forbindelser.

Tallene som ble oppnådd var rekordbrytende, men teamet følte at de kunne forbedre dem ytterligere, derfor den siste studien.

Klikk her for å lære om memristorer er nøkkelen til å etterligne den menneskelige hjernen.

Revolusjonerende intracellulært opptak for kartlegging av tilkoblinger

Støttet av Samsung Advanced Institute of Technology fra Samsung Electronics, designet og produserte teamet platina/platina-svart mikrohull-elektrodearray på den komplementære metall‑oksid‑semiconductor (CMOS) chipen. 

Arrayet ble operert for forsiktig å åpne celler ved å injisere små strømmer gjennom elektrodene for å parallellisere deres intracellulære opptak.

Den integrerte elektronikken i silisiumchipen, ifølge studiens med‑ledende forfatter og tidligere postdoktor Woo‑Bin Jung, som nå er fakultetsmedlem ved Pohang University of Science and Technology i Sør‑Korea, “spiller en like viktig rolle som mikrohull‑elektroden, ved å levere milde strømmer på en gjennomtenkt måte for å oppnå intracellulær tilgang, og samtidig registrere de intracellulære signalene.”

Mikrohull‑designet som brukes her, er derimot likt patch‑clamp‑elektroden. Disse mikrohull‑elektrodene har to hovedfordeler:

1. De er mye enklere å fremstille
2. De kobler seg til nevronenes indre bedre enn de vertikale nanoneedle‑elektrodene teamet brukte tidligere

“Denne tilgjengeligheten er en annen viktig egenskap ved vårt arbeid.”

– Jun Wang, postdoktorforsker og med‑ledende forfatter 

Med dette nye designet klarte teamet å oppnå gode resultater. I gjennomsnitt var 90 % av mikrohull‑elektrodene (over 3 600 av 4 096) integrert intracellulært, noe som hjalp teamet med å trekke ut 70 000 plausible synaptiske forbindelser fra dem, mye mer enn de 300 med nanoneedle‑elektrodearrayet.

Teamet fikk ikke bare kvantitative resultater, men oppnådde også kvalitet i opptaksdataene, noe som tillot dem å klassifisere synaptiske forbindelser etter deres styrke og egenskaper.

Synaptiske forbindelser ble katalogisert i elektriske synaptiske forbindelser og sterke/merkbare eksitatoriske, svake/ubemerkede eksitatoriske, og inhibitoriske kjemiske synaptiske forbindelser, med en estimert total feilrate på 5 %.

Ifølge studien er kartlegging av synaptisk tilkobling på et så omfattende nivå, samt evnen til å identifisere synaptiske forbindelser, et stort skritt mot funksjonell tilkoblingskartlegging av storskala nevronnettverk.

I deres tidligere versjon brukte forskerne den høyytelses chipen til å beregne effektene legemidler har på synaptiske forbindelser. På den tiden uttalte teamet at de bygde et wafer‑skala system for legemiddeltesting for nevrologiske lidelser som avhengighet, autisme, Alzheimers sykdom, Parkinsons sykdom og schizofreni.

Den biologiske kartleggingen av synaptiske nettverk kan også gi en ny strategi for maskinintelligens til å bygge neste generasjons kunstige nevrale nettverk og neuromorfe prosessorer.

Nå som teamet har fått innsikt i synaptiske forbindelser fra den enorme mengden data de fikk fra parallelt intracellulært opptak, jobber de “mot et nyere design som kan implementeres i en levende hjerne.”

Klikk her for å lære hvordan AI og nevrovitenskap sammen dekoder den menneskelige hjernen.

Fremskritt innen hjernekartlegging og nevroteknologi

Studier som disse er avgjørende for å utdype vår forståelse av hjernens intrikate synaptiske forbindelser, og avslører ikke bare kompleksiteten i nevroninteraksjoner, men også gir et grunnlag for avansert forskning innen hjernekartlegging, en av mange spennende utviklinger som former fremtiden for hjerneforskning.

Hjernen er tross alt en interessant, men kompleks struktur, noe som gjør den til et felt med økende interesse blant forskere og institusjoner. Interessant nok, jo mer vi studerer og blir kjent med hjernene våre, desto mer komplekse blir de. Som Jeff Lichtman, professor i molekylær og cellulær biologi ved Harvard, bemerket, har enkel beskrivelse av naturen avdekket:

“[At hjernen er] mer komplisert enn vi trodde.”

I over et tiår har Lichtman hatt tilgang til et spesifikt (en kubikkmillimeter) område av hjernebarken for å lage et detaljert kart over forbindelser i den menneskelige hjernen. Sent i fjor rapporterte Harvard Magazine rapporterte sin analyse for å oppdage at gliaceller som støtter og beskytter nevroner dominerer dem 2‑til‑1. En forklaring på dette er imidlertid ennå ikke funnet. 

Han og hans kolleger observerte også noen svært sterke forbindelser med mange synapser for hver celle, som tillater informasjonen å flyte gjennom hjernen svært raskt, noe som ifølge dem “kanskje… hva minner er”.

For dette brukte de vev fra en kvinnes temporallapp og skar det i over 5 000 seksjoner, hvor hver ble skannet med et spesialbygd multibeam‑elektronmikroskop med svært høy oppløsning. 

Google-forskere bygde deretter nye nevrale nettverksmetoder for å identifisere elementer i hver av disse skivene og kombinerte dem for å lage et 3D‑rom. Prøven på frø‑størrelse de avbildet inneholdt 57 000 celler, 230 millimeter blodkar og 150 millioner synapser.

Lichtman har som neste mål å kartlegge hele hjernen til en mus, siden dette med den menneskelige hjernen ennå ikke er mulig. I mellomtiden har et team av forskere fra Princetonkartlagt en voksen fruktflue‑hjerne. 

Tidligere har forskere kartlagt hjernen til en larve‑fruktflue med 3 000 nevroner, men den voksne fruktfluen har nesten 140 000 nevroner og titalls millioner synapser som forbinder dem. Kartet ble bygget ved bruk av 21 millioner bilder av fruktflue‑hjernen og en AI-modell. Med hjelp av denne blåkopien har forskerne som mål å gi svar på hvilke nevroner som er ansvarlige for hvilke atferder.

Den menneskelige hjernen, som John Ngai, direktør for USAs National Institutes of Health sin BRAIN Initiative, uttalte, “er kraftigere enn enhver menneskeskapt datamaskin,” på mange måter, “men for det meste forstår vi fortsatt ikke den underliggende logikken.” 

Og hvis vi ikke har “en detaljert forståelse av hvordan nevroner kobler seg med hverandre, vil vi ikke ha en grunnleggende forståelse av hva som fungerer i en sunn hjerne eller hva som går galt ved sykdom.”

Dette er grunnen til at det er økende fokus på å prøve å kartlegge hjernene våre. Forskere ved The Research Institute of the McGill University Health Centre har faktisk implementert en metode kalt “optomapping” denne måneden for å dramatisk akselerere studiet av nevroner.

 Teamet har allerede testet mer enn 30 000 kandidatforbindelser og karakterisert omtrent 1 800 synapser i musens visuelle korteks. 

Viktige oppdagelser gjort med optomapping inkluderer unike forbindelsesmønstre til ulike typer inhibitoriske nevroner, som utfordrer det vi har kjent om informasjonsflytprosessen i hjernens kortikale lag. De demonstrerte også den nøye balansen i hjernens kommunikasjonsmønstre, med noen forbindelser som forsterker signaler og andre som demper dem.

Videre observerte de en ubalanse i hvordan ulike nevron-typer aktiveres, noe som kan hjelpe ved tilstander som autisme og epilepsi. Ved å identifisere endringer kan Optomapping føre til mer målrettede og effektive behandlinger.

Interessant nok, denne måneden, teknologigiganten Meta Platforms (META ) kunngjorde at den hadde utviklet en enhet som lar folk produsere tekst kun ved tanke. Til dette ble en hjerne-skanner og en AI-modell kalt Brain2Qwerty brukt for å dekode språk fra hjernen uten kirurgi.

Imidlertid er sjansene for at produktet blir kommersielt svært lave på grunn av flere begrensninger. For eksempel er magnetoencefalografi‑skanneren som brukes til å oppdage magnetiske signaler ekstremt stor, veier omtrent et halvt tonn, og dyr, med en kostnad på 2 millioner dollar. Den fungerer også kun i et skjermet rom for å dempe jordens magnetfelt. 

Men dette kan absolutt bidra til å fremme vår forståelse av den menneskelige hjernen og kommunikasjon.

“Å prøve å forstå den presise arkitekturen eller prinsippene til den menneskelige hjernen kan være en måte å informere utviklingen av maskinintelligens. Det er veien.”

– Meta’s Brain & AI team lead, Jean‑Rémi King, fortalte Tech Review.

Funnene viser at systemet kan oppdage hvilke taster en “dyktig” skribent ville trykke med en nøyaktighet på opptil 80 %. Selv om det ikke er feilfritt, sa forskerne at det er nøyaktig nok til å konstruere hele setninger fra hjernesignaler.

Disse utviklingene fra et selskap med en markedsverdi på 1,76 billioner dollar, som primært er involvert i sosiale medier og AI, kan virke overraskende for noen, men Meta har vært involvert i nevroteknologiforskning i mange år nå.

I tillegg, i motsetning til selskaper som kun driver med ren nevroteknologi, er Meta et lønnsomt selskap, noe som betyr at det kan investere i relatert forskning uten å bekymre seg for ressurser.

For kontekst rapporterte selskapet nylig sine Q4-resultater, som viste en 21 % år‑over‑år økning i inntektene til 48,39 milliarder dollar. Til slutt brukte i gjennomsnitt 3,35 milliarder daglige aktive personer (DAP) produktene deres. I denne perioden registrerte Meta 25,02 milliarder dollar i kostnader og utgifter og 14,84 milliarder dollar i kapitalutgifter, mens fri kontantstrøm var 13,15 milliarder dollar, og kontanter, kontantekvivalenter og lett omsettelige verdipapirer var 77,81 milliarder dollar. De har også kunngjort en investering på omtrent 60‑65 milliarder dollar i AI i år.

Selskaper som driver dette området fremover

La oss nå se på fremtredende børsnoterte selskaper som gjør betydelige fremskritt innen dette feltet.

1. Neuronetics, Inc.

Dette medisinske teknologiselskapet utvikler produkter for pasienter som lider av nevrohelseforstyrrelser. Dets NeuroStar Advanced Therapy System er en ikke‑invasiv behandling som bruker transkraniell magnetisk stimulering (TMS) for å stimulere områder i hjernen som er assosiert med humør. brukes til å behandle voksne pasienter med alvorlig depressiv lidelse (MDD). 

Med en markedsverdi på 267 millioner dollar, handles STIM-aksjene til $4,80 på tidspunktet for skrivingen, opp en enorm 198,14 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er -1,22, og P/E (TTM) er -3,94.

For Q3 2024 rapporterte Neuronetics 18,5 millioner dollar i inntekter, et netto tap på 13,3 millioner dollar, og en nedgang i kontantposisjonen til 20,9 millioner dollar fra 59,7 millioner ved slutten av 2023. I denne perioden sendte selskapet 48 NeuroStar‑systemer i USA, og inntektene nådde 4,1 millioner dollar, mens behandlingsøktene økte med 2 %.

Neuronetics kjøpte også opp Greenbrook TMS , som forventes å akselerere sin vei mot lønnsomhet, ifølge administrerende direktør Keith J. Sullivan.

Ifølge foreløpige Q4-resultater er Neuronetics’ inntekter for Q4 anslått til 22,1 millioner dollar og 74,5 millioner dollar for hele 2024. Imidlertid har den kunngjort bedre forventninger for dette året, med totale inntekter mellom 145 millioner og 155 millioner dollar og positiv kontantstrøm i tredje kvartal. 

#2. NeuroOne Medical Technologies Corporation   

Dette medisinske teknologiselskapet utvikler minimalt invasive løsninger for hjerne‑stimulering, EEG‑opptak og ablasjonsløsninger for de som lider av nevrologiske lidelser som epilepsi, dystoni, skjelvinger, Parkinsons sykdom og kronisk smerte.

Produktene deres inkluderer Evo cortical elektrode‑teknologi for opptak, overvåking og stimulering av hjernevev. 

Deretter finnes OneRF‑ablasjonssystemet for å lage “radiofrekvenslesjoner i nervøst vev for funksjonelle nevrokirurgiske prosedyrer.” NeuroOne har faktisk oppnådd FDA‑godkjenning for sitt OneRF‑Ablasjonssystem, noe som gjør det til det første og eneste som har mottatt dette for både rapportering av elektrisk aktivitet og ablason av nervøst vev.

Med en markedsverdi på 34,56 millioner dollar, handles NMTC-aksjene for tiden til $1,12, opp 35,61 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er -0,27, og P/E (TTM) er -4,21.

I første kvartal av regnskapsåret 2025 rapporterte selskapet 3,3 millioner dollar i produktinntekter og 1,9 millioner dollar i bruttofortjeneste på produkter mens driftskostnadene ble redusert. Per 31. desember 2024 hadde det kontanter og kontantekvivalenter på 1,1 millioner dollar, lavere enn de 1,5 millioner dollar det hadde per 30. september 2024.

Konklusjon

Gjennombrudd innen hjerne‑relatert forskning er kritiske for menneskehetens fremgang. Tross alt er den vårt viktigste organ, som kontrollerer nesten alle funksjoner, fra tanker, hukommelse og følelser til bevegelse, syn og hørsel. Så, å ha en dypere forståelse av hjernen er en nødvendighet, og den nyeste forskningen som gjør fremskritt innen storskala kartlegging av synaptisk tilkobling markerer et betydelig skritt i å dekode nettopp hvordan nevroner samhandler og kommuniserer.

Etter hvert som disse fremskrittene fortsetter å bli finjustert, kan de bane vei for dypere innsikt i hjernens funksjonalitet, bidra til nye terapeutiske strategier for komplekse tilstander, og revolusjonere nevrologisk forskning.

Klikk her for en liste over topp blå chip farmasøytiske selskaper.

Studierreferanse:

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