Computing
Pagmamapa ng mga Synapse para sa Nais na Gamot na Paggamot Nakakamit ang Pagsulong
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
May humigit-kumulang 86 bilyong neuron sa utak ng tao. Gumagawa sila ng trilyong mga synaptic na koneksyon, kung saan ang bawat neuron ay kumokonekta sa ibang mga neuron upang lumikha ng isang komplikadong network.
Sa pamamagitan ng synaptic signaling, nagkokomunika ang mga neuron sa isa’t isa sa mga synapse, na mga junction kung saan maaaring pasiglahin o pigilan ng mga neuron ang ibang mga neuron.
Ang isang synaptic na koneksyon, sa kabilang banda, ay ang junction sa pagitan ng mga neuron kung saan nagkokomunika sila gamit ang mga elektrikal at kemikal na signal. Ang pagmamapa ng mga synaptic na koneksyon ay isang proseso ng pagtukoy kung paano nagkakaugnay ang mga neuron sa isa’t isa at kung gaano kalakas ang mga koneksyon na ito. Pinaniniwalaang ang estruktura ng mga koneksyon na ito ay tumutukoy sa paggana ng utak, kaya napakahalaga ng prosesong ito.
Gayunpaman, ang pagmamapa at pagkakakilanlan ng mga synaptic na koneksyon ay isang bukas na hamon. Sa kasalukuyan, limitado tayo sa pagmamapa ng ilang daang synaptic na koneksyon lamang. Subalit, ang pinakabagong pag-aaral mula sa mga mananaliksik ng Harvard ay pinalawak ito sa higit 70,000 na may katumpakan, na nagiging isang malaking pagsulong sa larangan ng neuroscience, partikular sa neuronal recording.
Ang pagmamapa at pag-catalog ng ganitong sukat ay naabot mula sa humigit-kumulang 2,000 neuron ng daga gamit ang isang silicon chip na may microhole electrodes na kayang sabay-sabay na matukoy ang maliliit ngunit mahalagang synaptic na signal.
Ang ganitong pag-unlad ay makakatulong sa atin na lumikha ng detalyadong mapa ng mga synaptic na koneksyon at magbigay-daan upang mas maunawaan kung paano nagkakakonekta at nagkokomunika ang mga neuron.
Ang pag-aaral na pinamagatang “Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array” ay inilathala1 sa Nature Biomedical Engineering ngayong buwan.
Ayon sa pag-aaral, ang parallelization ng neuronal intracellular recording sa malaking sukat ay isang malaking hamon na kailangang mapagtagumpayan dahil nagbibigay ito ng kakayahang sukatin ang mga synaptic na signal sa buong neuronal network, na nagbubukas ng daan para sa pagmamapa pati na rin sa pagkakakilanlan ng mga synaptic na koneksyon.
Pagpapalawak ng Neuronal Recording gamit ang Advanced na Inobasyon sa Chip
Para sa pag-visualize ng mga synaptic na estruktura, napatunayan na napakaepektibo ang electron microscopy (EM), ngunit hindi nito nasusukat ang lakas ng mga koneksyon ng neuron. Nililimitahan nito ang kakayahan ng teknik na ipaliwanag ang pag-andar ng mga neuronal network.
Dito pumapasok ang patch-clamp recording, na nag-aalok ng mas tumpak na teknik para pag-aralan ang synaptic activity dahil kaya nitong tumagos sa indibidwal na mga neuron at mahuli kahit ang mahihinang signal na may mataas na sensitivity.
Natanggap ng mga siyentistang sina Erwin Neher at Bert Sakmann ang Nobel Prize sa Physiology or Medicine noong 1991 para sa the patch-clamp technique. Pinatunayan ng eksperimental na sukatang aparato ang pag-iral at function ng ion channels sa pagganap ng mahahalagang gawain sa buhay na selula tulad ng pag-urong ng kalamnan at transmisyon ng nerve impulse. Pinahintulutan din ng teknik na matukoy ang mga pangunahing katangian ng mga channel nang may mataas na precision.
Bagaman makakatulong ang metodong ito sa mga mananaliksik na tuklasin at sukatin ang lakas ng koneksyon, nahihirapan ang mga siyentipiko na mag-record ng intracellular na signal mula sa higit sa ilang neuron nang sabay-sabay hanggang ngayon.
Pinamunuan ng co-senior author na si Donhee Ham, Propesor ng Engineering at Applied Sciences sa Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), ang mga mananaliksik mula sa departamentong ito, pati na rin sa Department of Chemistry and Chemical Biology ng Harvard, ay nagbuo ng isang advanced na chip.
Mas tiyak, ang koponan ay nagbuo ng isang array ng 4,096 microhole electrodes sa isang chip. Ang aparatong ito ay nagsagawa ng napakalaking parallel intracellular recording ng humigit-kumulang 2,000 neuron ng daga.
Nagbigay ito sa mga mananaliksik ng napakaraming datos tungkol sa mga synaptic signal, kung saan nakuha nila ang higit sa 70,000 na synaptic na koneksyon.
Ang gawa ay talagang nakabatay sa breakthrough na aparato na binuo ng koponan ilang taon na ang nakalilipas. Noon, isang array ng 4,096 vertical nanoneedle electrodes ang nakausli mula sa isang silicon chip na may parehong disenyo ng integrated circuit.
Ang elektronikong chip ay nagtatampok ng masikip na array ng patayo, platinum powder-coated (upang mapabuti ang kakayahang magpasa ng signal) na nanometer-scale na electrodes sa ibabaw nito.
Sa aparatong iyon, maaaring yumuko ang isang neuron sa paligid ng karayom upang pahintulutan ang intracellular recording, na pinaparallel sa pamamagitan ng maraming electrodes. Noon, nagawang i-record ng koponan ang higit sa 1,700 na neuron ng daga at i-map ang mahigit 300 na synaptic na koneksyon.
Ang mga numerong nakuha ay record-breaking, ngunit naramdaman ng koponan na maaari pa itong mapabuti, kaya’t ang pinakabagong pag-aaral.
I-click dito upang malaman kung ang mga memristor ay susi sa paggaya ng utak ng tao.
Pagbabago ng Intracellular Recording para sa Pagmamapa ng Konektibidad
Suportado ng Samsung Advanced Institute of Technology ng Samsung Electronics, dinisenyo at ginawa ng koponan ang platinum/platinum-black microhole electrode array sa complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) chip.
Ang array ay ginamit upang dahan-dahang buksan ang mga selula sa pamamagitan ng pag-inject ng maliliit na kuryente sa mga electrode upang i-parallelize ang kanilang intracellular recording.
Ayon sa co-lead author ng pag-aaral at dating postdoc researcher na si Woo-Bin Jung, na kasalukuyang miyembro ng faculty sa Pohang University of Science and Technology sa South Korea, “ang integrated electronics sa silicon chip ay kasinghalaga ng microhole electrode, nagbibigay ng banayad na kuryente sa masalimuot na paraan upang makuha ang intracellular access, at sabay na nagre-record ng intracellular na signal.”
Ang disenyo ng microhole na ginamit dito, sa kabilang banda, ay kahalintulad ng patch-clamp electrode. Ang mga microhole electrode na ito ay may dalawang pangunahing benepisyo:
- Mas madali silang gawin.
- Mas mahusay ang pagkakakabit nila sa loob ng mga neuron kumpara sa vertical nanoneedle electrodes na ginamit ng koponan dati.
“Ang accessibility na ito ay isa pang mahalagang tampok ng aming trabaho.”
– Jun Wang, Postdoctoral Researcher at Co-lead Author
Sa bagong disenyo na ito, nagawa ng koponan na makamit ang magagandang resulta. Sa average, 90% ng mga microhole electrode (higit sa 3,600 mula sa 4,096) ay na-integrate nang intracellular, na tumulong sa koponan na makuha ang 70,000 na posibleng synaptic na koneksyon mula rito, na mas marami kaysa sa 300 na nakuha gamit ang nanoneedle electrode array.
Hindi lamang nakuha ng koponan ang mga quantitative na resulta kundi nakamit din nila ang kalidad sa kanilang recording data, na nagbigay-daan upang mauri ang mga synaptic na koneksyon batay sa kanilang lakas at katangian.
Ang mga synaptic na koneksyon ay nakatalogo bilang electrical synaptic connections at strong/eventful excitatory, weak/uneventful excitatory, at inhibitory chemical synaptic connections, na may tinatayang 5% na kabuuang error rate.
Ayon sa pag-aaral, ang pagmamapa ng synaptic connectivity sa ganitong lawak, pati na rin ang kakayahang tukuyin ang mga synaptic na koneksyon, ay isang malaking hakbang patungo sa functional connectivity mapping ng malawakang neuronal networks.
Sa kanilang nakaraang bersyon, ginamit ng mga mananaliksik ang high-performance chip upang kalkulahin ang mga epekto ng mga gamot sa synaptic na koneksyon. Noon, sinabi ng koponan na nagtatayo sila ng wafer-scale system para sa drug testing para sa mga neurological disorder tulad ng addiction, autism, Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, at schizophrenia.
Ang pagmamapa ng biological synaptic network ay maaari ring magbigay ng bagong estratehiya para sa machine intelligence upang bumuo ng susunod na henerasyon ng artificial neural networks at neuromorphic processors.
Ngayon na nakuha ng koponan ang mga insight sa synaptic na koneksyon mula sa napakalaking datos na nakuha nila mula sa parallel intracellular recording, sila ay “nagtatrabaho patungo sa isang bagong disenyo na maaaring ilagay sa isang buhay na utak.”
Mga Pagsulong sa Pagmamapa ng Utak at Neurotechnology
Ang mga pag-aaral tulad nito ay mahalaga sa pagpapalalim ng ating pag-unawa sa masalimuot na synaptic na koneksyon ng utak, na hindi lamang nagpapakita ng komplikasyon ng neuronal interactions kundi nagbibigay din ng pundasyon para sa advanced na pananaliksik sa brain mapping, isa sa maraming kapanapanabik na pag-unlad na humuhubog sa hinaharap ng pananaliksik sa utak.
Ang utak, sa huli, ay isang kawili-wiling ngunit komplikadong estruktura, na ginagawa itong larangan na patuloy na kinagigiliwan ng mga mananaliksik at institusyon. Nakakatuwang, habang mas pinag-aaralan at nakikilala natin ang ating mga utak, mas nagiging komplikado ito. Ayon kay Jeff Lichtman, propesor ng molecular at cellular biology sa Harvard, ang simpleng paglalarawan ng kalikasan ay nagpakita:
“[Na ang utak ay] mas kumplikado kaysa sa ating inaakala.”
Sa loob ng higit isang dekada, ini-access ni Lichtman ang isang tiyak (isang cubic millimeter) na bahagi ng cerebral cortex upang lumikha ng detalyadong mapa ng mga koneksyon sa utak ng tao. Noong huling bahagi ng nakaraang taon, iniulat ng Harvard Magazine ang kanilang pagsusuri na natuklasan na ang mga glial cell na sumusuporta at nagpoprotekta sa mga neuron ay nangingibabaw sa kanila ng 2-to-1. Gayunpaman, wala pang natagpuang paliwanag para dito.
Napansin din niya at ng kanyang mga kasamahan ang ilang napakalakas na koneksyon na may maraming synapse para sa bawat selula upang payagan ang impormasyon na dumaloy sa utak nang napakabilis, na ayon sa kanila, “baka… kung ano ang alaala.”
Para dito, gumamit sila ng tisyu mula sa temporal lobe ng isang babae at hinati ito sa mahigit 5,000 na seksyon, kung saan bawat isa ay sincan gamit ang isang purpose-built multibeam electron microscope na may napakataas na resolusyon.
Pagkatapos, nagbuo ang mga mananaliksik ng Google ng mga bagong neural networking method upang tukuyin ang mga item sa bawat hiwa at pinagsama-sama ang mga ito upang lumikha ng 3D na espasyo. Ang seed-sized na sample na kanilang in-imagine ay naglalaman ng 57,000 selula, 230 millimeters ng mga daluyan ng dugo, at 150 milyong synapse.
Ang susunod na layunin ni Lichtman ay i-map ang buong utak ng daga, dahil hindi pa ito posible sa utak ng tao. Samantala, isang pangkat ng mga siyentipiko mula sa Princeton ang nag-map ng utak ng adultong fruit fly.
Dati, na-map na ng mga mananaliksik ang utak ng larval na fruit fly na may 3,000 neuron, ngunit ang adult na fruit fly ay may halos 140,000 neuron at sampu-sampung milyong synapse na nag-uugnay sa kanila. Ang mapa ay binuo gamit ang 21 milyong larawan ng utak ng fruit fly at isang AI model. Sa tulong ng blueprint na ito, layunin ng mga mananaliksik na magbigay ng sagot kung aling mga neuron ang responsable sa aling mga pag-uugali.
Ang utak ng tao, ayon kay John Ngai, direktor ng US National Institutes of Health’s BRAIN Initiative, ay “mas makapangyarihan kaysa sa anumang computer na gawa ng tao,” sa maraming aspeto, “ngunit sa pangkalahatan, hindi pa natin nauunawaan ang pinakapundamental na lohika nito.”
At kung wala tayong “detalyadong pag-unawa kung paano nagkakakonekta ang mga neuron sa isa’t isa, wala tayong pangunahing pag-unawa kung ano ang tama sa isang malusog na utak o kung ano ang mali sa sakit.”
Ito ang dahilan kung bakit tumataas ang pokus sa pagsubukang i-map ang ating mga utak. Ang mga siyentipiko sa The Research Institute ng McGill University Health Centre ay talagang nagpatupad ng isang metodo na tinatawag na “optomapping” ngayong buwan upang lubos na mapabilis ang pag-aaral ng mga neuron.
Nasubukan na ng koponan ang higit sa 30,000 na kandidato na koneksyon at na-kategorya ang humigit-kumulang 1,800 na synapse sa visual cortex ng utak ng daga.
Ang mga pangunahing tuklas na nagawa gamit ang optomapping ay kinabibilangan ng natatanging pattern ng koneksyon sa iba’t ibang uri ng inhibitory neuron, na hamon sa ating nalalaman tungkol sa proseso ng daloy ng impormasyon sa mga cortical layer ng utak. Ipinakita rin nila ang maingat na pagbalanse ng mga pattern ng komunikasyon ng utak, kung saan ang ilang koneksyon ay nagpapalakas ng signal at ang iba naman ay nagpapakalma nito.
Dagdag pa rito, napansin nila ang kawalan ng balanse sa kung paano na-activate ang iba’t ibang uri ng neuron, na maaaring makatulong sa mga kondisyon tulad ng autism at epilepsy. Sa pamamagitan ng pagtukoy ng mga pagbabago, maaaring magdala ang Optomapping ng mas target at epektibong mga paggamot.
Kagiliw-liwan, ngayong buwan, inanunsyo ng tech giant na Meta Platforms (META ) na nakabuo sila ng isang aparato na nagpapahintulot sa mga tao na lumikha ng teksto gamit lamang ang pag-iisip. Para dito, ginamit ang isang brain scanner at isang AI model na tinatawag na Brain2Qwerty upang i-decode ang wika mula sa utak nang walang operasyon.
Gayunpaman, napakababa ng tsansa na maging komersyal ang produkto dahil sa ilang limitasyon. Halimbawa, ang magnetoencephalography scanner na ginagamit para matukoy ang magnetic signals ay napakalaki, may bigat na halos kalahating tonelada, at mahal, nagkakahalaga ng $2 milyon. Gumagana rin ito lamang sa isang shielded na silid upang mapahina ang magnetic field ng Earth.
Ngunit tiyak na makakatulong ito upang mapalawak ang ating pag-unawa sa utak ng tao at komunikasyon.
“Ang pagsubok na maunawaan ang tumpak na arkitektura o mga prinsipyo ng utak ng tao ay maaaring maging paraan upang gabayan ang pag-develop ng machine intelligence. Iyan ang landas.”
– Ang pinuno ng Meta’s Brain & AI team, si Jean-Rémi King, ay nagsabi sa Tech Review.
Ipinapakita ng mga natuklasan na ang sistema ay maaaring matukoy kung aling mga susi ang pipindutin ng isang “mahusay” na typist na may katumpakan na hanggang 80%. Bagaman hindi perpekto, sinabi ng mga mananaliksik na ito ay sapat na tumpak upang makabuo ng buong pangungusap mula sa mga brain signal.
Ang mga pag-unlad na ito na nagmula sa isang kumpanya na may $1.76 trilyong market cap, na pangunahing nakatuon sa social media at AI, ay maaaring nakakagulat sa ilan, ngunit ang Meta ay kasali na sa pananaliksik sa neurotechnology sa loob ng maraming taon na.
Gayundin, hindi tulad ng mga kumpanyang nakatuon lamang sa neurotechnology, ang Meta ay isang kumikitang kumpanya, na nangangahulugang maaari itong mag-invest sa kaugnay na pananaliksik nang hindi nag-aalala sa mga mapagkukunan.
META Tsart ng Presyo
Para sa konteksto, kamakailan lamang iniulat ng kumpanya ang resulta ng Q4 nito, na nagpakita ng 21% YoY na pagtaas sa kita na $48.39 bilyon. Sa katunayan, ang average na 3.35 bilyong daily active people (DAP) ay gumagamit ng mga produkto nito. Sa panahong ito, naitala ng Meta ang $25.02 bilyon sa gastos at expenses at $14.84 bilyon sa capital expenditures, habang ang free cash flow nito ay $13.15 bilyon, at ang cash, cash equivalents, at marketable securities ay $77.81 bilyon. Inanunsyo rin nito ang pamumuhunan ng humigit-kumulang $60-$65 bilyon sa AI ngayong taon.
Mga Kumpanyang Nagpapaunlad ng Espasyong Ito
Ngayon, tingnan natin ang mga kilalang publicly listed na kumpanya na gumagawa ng makabuluhang pag-unlad sa larangang ito.
1. Neuronetics, Inc.
Ang kumpanyang ito sa medikal na teknolohiya ay nagde-develop ng mga produkto para sa mga pasyenteng may neurohealth disorders. Ang NeuroStar Advanced Therapy System nito ay isang non-invasive na paggamot na gumagamit ng transcranial magnetic stimulation (TMS) upang pasiglahin ang mga bahagi ng utak na kaugnay ng mood. Ginagamit ito upang gamutin ang mga adult na pasyente na may major depressive disorder (MDD).
Sa market cap na $267 milyon, ang mga share ng STIM ay nagte-trade sa $4.80 sa oras ng pagsulat na ito, tumaas ng nakamamanghang 198.14% YTD. Ang EPS (TTM) nito ay -1.22, at ang P/E (TTM) ay -3.94.
STIM Tsart ng Presyo
Para sa Q3 2024, iniulat ng Neuronetics ang $18.5 milyon na kita, isang net loss na $13.3 milyon, at pagbaba ng cash position sa $20.9 milyon mula $59.7 milyon noong katapusan ng 2023. Sa panahong ito, nagpadala ang kumpanya ng 48 na NeuroStar system sa US, at ang kita nito ay umabot sa $4.1 milyon, habang tumaas ng 2% ang bilang ng mga treatment session.
Nakuha rin ng Neuronetics ang Greenbrook TMS , na inaasahang magpapabilis ng landas nito patungo sa pagiging profitable, ayon kay CEO Keith J. Sullivan.
Ayon sa paunang Q4 results, ang kita ng Neuronetics para sa Q4 ay tinatayang $22.1 milyon at $74.5 milyon para sa buong 2024. Gayunpaman, inanunsyo nito ang mas magagandang inaasahan para sa taong ito, na may kabuuang kita sa pagitan ng $145 milyon at $155 milyon at positibong cash flow sa ikatlong quarter.
#2. NeuroOne Medical Technologies Corporation
Ang kumpanyang ito sa medikal na teknolohiya ay nagde-develop ng minimally invasive na solusyon para sa brain stimulation, EEG recording, at ablation solutions para sa mga may neurological disorders tulad ng epilepsy, dystonia, tremors, Parkinson’s disease, at chronic pain.
Kasama sa mga produkto nito ang Evo cortical electrode technology para sa pag-record, monitoring, at stimulating ng brain tissue.
Mayroon din silang OneRF ablation system para sa paglikha ng “radiofrequency lesions sa nervous tissue para sa functional neurosurgical procedures.” Ang NeuroOne ay talagang nakamit ang FDA clearance para sa OneRF Ablation System nito, na ginagawa itong una at tanging isa na nakatanggap nito para sa parehong electrical activity reporting at nervous tissue ablation.
NMTC Tsart ng Presyo
Sa market cap na $34.56 milyon, ang mga share ng NMTC ay kasalukuyang nagte-trade sa $1.12, tumaas ng 35.61% YTD. Ang EPS (TTM) nito ay -0.27, at ang P/E (TTM) ay -4.21.
Sa unang quarter ng fiscal 2025, iniulat ng kumpanya ang $3.3 milyon na product revenue at $1.9 milyon na product gross profit habang bumaba ang operating expenses. Noong Disyembre 31, 2024, mayroon itong cash at cash equivalents na $1.1 milyon, mas mababa kaysa sa $1.5 milyon na mayroon ito noong Setyembre 30, 2024.
Konklusyon
Ang mga breakthrough sa pananaliksik na may kinalaman sa utak ay kritikal para sa pag-unlad ng sangkatauhan. Sa huli, ito ang pinakamahalagang organ natin, na kumokontrol sa halos lahat ng function, mula sa pag-iisip, memorya, at emosyon hanggang sa galaw, paningin, at pandinig. Kaya, ang mas malalim na pag-unawa sa utak ay isang pangangailangan, at ang pinakabagong pananaliksik na nagdadala ng pag-unlad sa large-scale synaptic connectivity mapping ay nagmamarka ng mahalagang hakbang sa pag-decode kung paano nag-iinteract at nagkokomunika ang mga neuron.
Habang patuloy na pinapahusay ang mga pag-unlad na ito, maaari nilang ilatag ang daan para sa mas malalim na pag-unawa sa pag-andar ng utak, tumulong sa mga bagong therapeutic strategy para sa mga komplikadong kondisyon, at baguhin ang larangan ng neurological research.
I-click dito para sa listahan ng mga nangungunang blue chip pharmaceutical companies.
Sanggunian ng Pag-aaral:
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
