Kartläggning av synapser för skräddarsydda läkemedelsbehandlingar gör genombrott

Det finns så många som 86 miljarder neuroner i den mänskliga hjärnan. De bildar biljoner synaptiska kopplingar, där varje neuron ansluter till andra neuroner för att skapa ett komplext nätverk. 

Det är genom synaptisk signalering som neuroner kommunicerar med varandra vid synapser, som är kopplingar där neuroner kan excitera eller hämma andra neuroner. 

En synaptisk koppling är däremot den förbindelse mellan neuroner där de kommunicerar med varandra med hjälp av elektriska och kemiska signaler. Kartläggning av synaptiska kopplingar är en process för att identifiera exakt hur neuroner är anslutna till varandra och hur starka dessa kopplingar är. Strukturen hos dessa kopplingar tros bestämma hjärnans funktion, vilket gör processen extremt viktig. 

Emellertid är kartläggning och karakterisering av synaptiska kopplingar en öppen utmaning. För närvarande är vi begränsade till kartläggning av endast några hundra synaptiska kopplingar. Den senaste studien från Harvard-forskare har dock utökat detta till över 70 000 med hög noggrannhet, vilket utgör ett stort genombrott inom neurovetenskap, särskilt neuronal inspelning.

Kartläggningen och katalogiseringen i denna skala uppnåddes från cirka 2 000 råttneuroner med hjälp av ett kiselchip med mikrohåls‑elektroder som kan upptäcka små men märkbara synaptiska signaler samtidigt.

En sådan framsteg kan hjälpa oss att skapa en detaljerad karta över synaptiska kopplingar och göra det möjligt för oss att bättre förstå hur neuroner ansluter och kommunicerar.

Studien med titeln ”Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array” publicerades¹ i Nature Biomedical Engineering den här månaden.

Parallelliseringen av neuronal intracellulär inspelning i stor skala, enligt studien, är en stor utmaning som måste övervinnas eftersom den möjliggör mätning av synaptiska signaler över ett neuronätverk, vilket i sin tur möjliggör kartläggning samt karakterisering av synaptiska kopplingar.

Skalning av neuronal inspelning med avancerad chipinnovation

För visualisering av synaptiska strukturer har elektronmikroskopi (EM) visat sig vara mycket effektiv, men den kan inte mäta styrkan i neuronanslutningar. Detta begränsar teknikens förmåga att förklara funktionaliteten i neuronala nätverk.

Det är här patch‑clamp‑inspelning kommer in i bilden och erbjuder en mer exakt teknik för att studera synaptisk aktivitet, eftersom den kan tränga igenom enskilda neuroner och fånga även svaga signaler med hög känslighet.

Forskare Erwin Neher och Bert Sakmann fick 1991 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för patch‑clamp‑tekniken. Den experimentella mätapparaten bevisade existensen och funktionen av jonkanaler som driver viktiga uppgifter i levande celler, såsom muskelkontraktion och nervimpulstransmission. Tekniken möjliggjorde också att nyckelfunktioner hos kanalerna definierades med fin precision. 

Även om denna metod kan hjälpa forskare att identifiera och mäta anslutningsstyrka har forskare kämpat med att spela in intracellulära signaler från mer än några få neuroner åt gången fram till nu.

Under ledning av med‑seniorförfattaren Donhee Ham, professor i teknik och tillämpade vetenskaper vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), byggde forskarna från denna avdelning, samt Harvard Department of Chemistry and Chemical Biology, ett avancerat chip.

Mer exakt har teamet byggt en matris med 4 096 mikrohåls‑elektroder på ett chip. Denna enhet genomförde den massivt parallella intracellulära inspelningen av cirka 2 000 råttneuroner. 

Detta gav forskarna rikligt med data om synaptiska signaler, varifrån de extraherade mer än 70 000 synaptiska kopplingar.

Arbetet bygger faktiskt på den banbrytande enheten som teamet utvecklade för några år sedan. På den tiden stack en matris med 4 096 vertikala nanonyckelektroder ut från ett kiselchip med samma integrerade kretsdesign. 

Det elektroniska chipet hade en tät matris av vertikalt stående, platinkross‑belagda (för att förbättra signalöverföringsförmågan) nanometerskaliga elektroder på ytan.

På den enheten kunde en neuron linda sig runt en nål för att möjliggöra intracellulär inspelning, parallellt genom ett stort antal elektroder. På den tiden lyckades teamet spela in mer än 1 700 råttneuroner och kartlägga över 300 synaptiska kopplingar.

De uppnådda siffrorna var rekordbrytande, men teamet kände att de kunde förbättra dem ännu mer, vilket ledde till den senaste studien.

Klicka här för att lära dig om memristorer är nyckeln till att efterlikna den mänskliga hjärnan.

Revolutionerande intracellulär inspelning för kartläggning av anslutningar

Stödd av Samsung Advanced Institute of Technology från Samsung Electronics designade och tillverkade teamet platin/platin‑svart mikrohåls‑elektrodmatris på det komplementära metall‑oxid‑semiconductor‑chipet (CMOS). 

Matriserna användes för att försiktigt öppna celler genom att injicera små strömmar via elektroderna för att parallellisera deras intracellulära inspelning.

Den integrerade elektroniken i kiselchipet, enligt studiens med‑författare och tidigare postdoktorand Woo‑Bin Jung, som för närvarande är fakultetsmedlem vid Pohang University of Science and Technology i Sydkorea, ”spelar en lika viktig roll som mikrohåls‑elektroden, genom att leverera försiktiga strömmar på ett genomtänkt sätt för att få intracellulär åtkomst, och samtidigt spela in de intracellulära signalerna.”

Mikrohålsdesignen som används här är däremot liknande patch‑clamp‑elektroden. Dessa mikrohåls‑elektroder har två huvudfördelar:

1. De är mycket enklare att tillverka
2. De kopplar till neuronernas inre bättre än de vertikala nanonyckelektroderna som teamet använde tidigare

”Denna tillgänglighet är en annan viktig funktion i vårt arbete.”

– Jun Wang, postdoktoral forskare och med‑författare 

Med denna nya design kunde teamet uppnå fantastiska resultat. I genomsnitt integrerades 90 % av mikrohåls‑elektroderna (över 3 600 av 4 096) intracellulärt, vilket hjälpte teamet att extrahera 70 000 plausibla synaptiska kopplingar från dem, mycket mer än de 300 som erhölls med nanonyckelektrodmatrisen.

Teamet fick inte bara kvantitativa resultat utan uppnådde också hög kvalitet i sina inspelningsdata, vilket gjorde det möjligt att klassificera synaptiska kopplingar efter deras styrka och egenskaper.

Synaptiska kopplingar katalogiserades i elektriska synaptiska kopplingar samt starka/uppseendeväckande excitatoriska, svaga/ointeressanta excitatoriska och hämmande kemiska synaptiska kopplingar, med en uppskattad total felmarginal på 5 %.

Enligt studien är kartläggningen av synaptisk konnektivitet på en så omfattande nivå, samt förmågan att identifiera synaptiska kopplingar, ett stort steg mot funktionell konnektivitetskartering av storskaliga neuronala nätverk.

I sin tidigare version använde forskarna det högpresterande chipet för att beräkna vilka effekter läkemedel har på synaptiska kopplingar. Vid den tidpunkten uppgav teamet att de byggde ett wafer‑skala system för läkemedelstestning för neurologiska störningar som beroende, autism, Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom och schizofreni.

Den biologiska kartläggningen av synaptiska nätverk kan också erbjuda en ny strategi för maskininlärning att bygga nästa generations artificiella neurala nätverk och neuromorfa processorer.

Nu när teamet har fått insikter i synaptiska kopplingar från den enorma mängden data de erhöll genom parallell intracellulär inspelning, arbetar de ”mot en nyare design som kan implementeras i en levande hjärna.”

Klicka här för att lära dig hur AI och neurovetenskap tillsammans avkodar den mänskliga hjärnan.

Framsteg inom hjärnkartläggning och neuroteknik

Studier som dessa är avgörande för att fördjupa vår förståelse av hjärnans intrikata synaptiska kopplingar, och avslöjar inte bara komplexiteten i neuroninteraktioner utan också ger en grund för avancerad forskning inom hjärnkartläggning, ett av många spännande framsteg som formar framtiden för hjärnforskning.

Hjärnan är trots allt en intressant men komplex struktur, vilket gör den till ett område med växande intresse bland forskare och institutioner. Intressant nog blir de mer komplexa ju mer vi studerar och lär känna våra hjärnor. Som Jeff Lichtman, professor i molekylär och cellulär biologi vid Harvard, påpekade, har en enkel beskrivning av naturen avslöjat:

”[Att hjärnan är] mer komplicerad än vi trodde.”

I över ett decennium har Lichtman undersökt ett specifikt (ett kubikmillimeter) område av cerebral cortex för att skapa en detaljerad karta över anslutningarna i den mänskliga hjärnan. Sent förra året rapporterade Harvard Magazine deras analys som visade att gliaceller som stödjer och skyddar neuroner dominerar dem 2‑till‑1. En förklaring till detta har dock ännu inte hittats.

Han och hans kollegor observerade också några mycket starka kopplingar med många synapser för varje cell för att möjliggöra att information flödar genom hjärnan mycket snabbt, vilket enligt dem ”kanske… vad minnen är”.

För detta använde de vävnad från en kvinnas temporallob och skar den i över 5 000 sektioner, där varje sektion skannades med ett specialbyggt multibeam‑elektronmikroskop med mycket hög upplösning.

Google‑forskare byggde sedan nya neurala nätverksmetoder för att identifiera objekt i var och en av dessa skivor och kombinerade dem för att skapa ett 3D‑utrymme. Det frö‑stora provet de avbildade innehöll 57 000 celler, 230 mm blodkärl och 150 miljoner synapser.

Lichtman siktar nu på att kartlägga hela hjärnan hos en mus, eftersom detta ännu inte är möjligt med den mänskliga hjärnan. Under tiden kartlade ett team av forskare från Princeton en vuxen fruktflugas hjärna.

Tidigare har forskare kartlagt hjärnan hos en larvfruktfluga med 3 000 neuroner, men den vuxna fruktflugan har nästan 140 000 neuroner och tiotals miljoner synapser som förbinder dem. Kartan byggdes med hjälp av 21 miljoner bilder av fruktflugans hjärna och en AI‑modell. Med hjälp av denna ritning syftar forskarna till att ge svar på vilka neuroner som ansvarar för vilka beteenden.

Den mänskliga hjärnan, enligt John Ngai, chef för US National Institutes of Health:s BRAIN Initiative, är ”mer kraftfull än någon människogjord dator” på många sätt, ”men för det mesta förstår vi fortfarande inte dess underliggande logik.” 

Och om vi inte har ”en detaljerad förståelse för hur neuroner ansluter till varandra, kommer vi inte att ha en grundläggande förståelse för vad som fungerar i en frisk hjärna eller vad som går fel vid sjukdom.”

Det är därför det finns ett växande fokus på att försöka kartlägga våra hjärnor. Forskare vid The Research Institute of the McGill University Health Centre implementerade faktiskt en metod kallad ”optomapping” den här månaden för att dramatiskt påskynda studiet av neuroner.

Teamet har redan testat mer än 30 000 kandidat‑kopplingar och karakteriserat cirka 1 800 synapser i musens visuella cortex.

Viktiga upptäckter gjorda med optomapping inkluderar unika kopplingsmönster mot olika typer av inhibitoriska neuroner, vilket utmanar vad vi tidigare har vetat om informationsflödesprocessen i hjärnans kortikala lager. De demonstrerade också den noggranna balansen i hjärnans kommunikationsmönster, där vissa kopplingar förstärker signaler och andra dämpar dem.

Dessutom observerade de en obalans i hur olika neuron‑typer aktiveras, vilket kan hjälpa vid tillstånd som autism och epilepsi. Genom att identifiera förändringar kan optomapping leda till mer riktade och effektiva behandlingar.

Intressant nog meddelade teknikjätten Meta Platforms (META ) den här månaden att de utvecklat en enhet som låter människor producera text enbart genom tankar. För detta användes en hjärnskanner och en AI‑modell kallad Brain2Qwerty för att avkoda språk från hjärnan utan operation.

Dock är chanserna för att produkten blir kommersiell mycket låga på grund av flera begränsningar. Till exempel är magnetoencefalografisk scanner som används för att upptäcka magnetiska signaler extremt stor, väger omkring ett halvt ton och är dyr, med en kostnad på 2 miljoner dollar. Den fungerar också endast i ett avskärmat rum för att dämpa jordens magnetfält.

Men detta kan utan tvekan hjälpa till att främja vår förståelse av den mänskliga hjärnan och kommunikation.

”Att försöka förstå den exakta arkitekturen eller principerna för den mänskliga hjärnan kan vara ett sätt att informera utvecklingen av maskinintelligens. Det är vägen.”

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

Resultaten visar att systemet kan upptäcka vilka tangenter en ”skicklig” skrivare skulle trycka på med en noggrannhet på upp till 80 %. Även om det inte är felfritt, sade forskarna att det är tillräckligt exakt för att konstruera hela meningar från hjärnsignaler.

Dessa utvecklingar från ett företag med ett börsvärde på 1,76 biljon dollar, som främst är verksamt inom sociala medier och AI, kan verka överraskande för vissa, men Meta har varit involverat i neuroteknologisk forskning i många år nu.

Dessutom, till skillnad från företag som enbart fokuserar på neuroteknik, är Meta ett lönsamt företag, vilket innebär att de kan investera i relaterad forskning utan att oroa sig för resurser.

För kontext rapporterade företaget nyligen sina Q4‑resultat, som visade en 21 % år‑till‑år ökning i intäkter till 48,39 miljarder dollar. Trots allt använde i genomsnitt 3,35 miljarder dagliga aktiva personer (DAP) dess produkter. Under denna period registrerade Meta 25,02 miljarder dollar i kostnader och utgifter och 14,84 miljarder dollar i kapitalutgifter, medan fritt kassaflöde var 13,15 miljarder dollar, och kontanter, likvida medel och marknadsförda värdepapper uppgick till 77,81 miljarder dollar. De har också tillkännagett en investering på cirka 60‑65 miljarder dollar i AI i år.

Företag som driver fram detta område

Låt oss nu titta på framstående börsnoterade företag som gör betydande framsteg inom området.

1. Neuronetics, Inc.

Detta medicintekniska företag utvecklar produkter för patienter som lider av neurohälsostörningar. Dess NeuroStar Advanced Therapy System är en icke‑invasiv behandling som använder transkraniell magnetstimulering (TMS) för att stimulera områden i hjärnan som är förknippade med humör. Det används för att behandla vuxna patienter med major depressiv störning (MDD). 

Med ett börsvärde på 267 miljoner dollar handlas STIM‑aktierna till 4,80 $ vid tidpunkten för detta skrivande, en ökning på hela 198,14 % år‑till‑datum. Dess EPS (TTM) är -1,22 och dess P/E (TTM) är -3,94.

För Q3 2024 rapporterade Neuronetics 18,5 miljoner dollar i intäkter, en nettokostnad på 13,3 miljoner dollar och en minskning av kassasituationen till 20,9 miljoner dollar från 59,7 miljoner dollar i slutet av 2023. Under denna period levererade företaget 48 NeuroStar‑system i USA, och dess intäkter nådde 4,1 miljoner dollar, medan antalet behandlingssessioner ökade med 2 %.

Neuronetics har också förvärvat Greenbrook TMS , vilket förväntas påskynda dess väg till lönsamhet, enligt VD Keith J. Sullivan.

Enligt preliminära Q4‑resultat uppskattas Neuronetics intäkter för Q4 till 22,1 miljoner dollar och 74,5 miljoner dollar för hela 2024. Företaget har dock meddelat bättre förväntningar för detta år, med totala intäkter mellan 145 miljoner och 155 miljoner dollar samt positivt kassaflöde under tredje kvartalet. 

#2. NeuroOne Medical Technologies Corporation   

Detta medicintekniska företag utvecklar minimalt invasiva lösningar för hjärnstimulering, EEG‑inspelning och ablationslösningar för dem som lider av neurologiska störningar som epilepsi, dystoni, tremor, Parkinsons sjukdom och kronisk smärta.

Dess produkter inkluderar Evo‑kortikala elektrodteknik för inspelning, övervakning och stimulering av hjärnvävnad. 

Sedan finns OneRF‑ablationssystemet för att skapa ”radiofrekvenslesioner i nervvävnad för funktionella neurokirurgiska ingrepp.” NeuroOne har faktiskt erhållit FDA‑godkännande för sitt OneRF‑Ablationssystem, vilket gör det till det första och enda som får detta för både rapportering av elektrisk aktivitet och ablation av nervvävnad.

Med ett börsvärde på 34,56 miljoner dollar handlas NMTC‑aktierna för närvarande till 1,12 $ och har stigit 35,61 % år‑till‑datum. Dess EPS (TTM) är -0,27 och P/E (TTM) är -4,21.

Under första kvartalet av räkenskapsåret 2025 rapporterade företaget 3,3 miljoner dollar i produktintäkter och 1,9 miljoner dollar i bruttovinst för produkter samtidigt som driftskostnaderna minskade. Per den 31 december 2024 hade de kontanter och likvida medel på 1,1 miljoner dollar, lägre än de 1,5 miljoner dollar de hade den 30 september 2024.

Slutsats

Genombrott inom hjärnrelaterad forskning är avgörande för människans utveckling. Det är trots allt vårt viktigaste organ, som styr nästan alla funktioner, från tanke, minne och känsla till rörelse, syn och hörsel. Så att ha en djupare förståelse för hjärnan är en nödvändighet, och den senaste forskningen som gör framsteg inom storskalig kartläggning av synaptisk konnektivitet markerar ett betydande steg i att avkoda exakt hur neuroner interagerar och kommunicerar.

Allteftersom dessa framsteg fortsätter att förfinas kan de bana väg för djupare insikter i hjärnans funktionalitet, stödja nya terapeutiska strategier för komplexa tillstånd och revolutionera neuroforskning.

Klicka här för en lista över topp‑blåa chip-farmaceutiska företag.

Studierreferens:

1. Wang, J., Jung, W. B., Gertner, R. S., et al. (2025). Synaptisk konnektivitetskartering bland tusentals neuroner via parallelliserad intracellulär inspelning med en mikrohåls‑elektrodmatris. Nature Biomedical Engineering. https://doi.org/10.1038/s41551-025-01352-5