Bản đồ chip Harvard 70.000 kết nối synap từ 2.000 tế bào thần kinh chuột

Các nhà nghiên cứu tại Harvard đã chế tạo một chip CMOS với 4.096 mảng điện cực vi lỗ, cho phép ghi lại hoạt động điện của nhiều tế bào thần kinh. Theo tạp chí Nature, nhóm nghiên cứu đã lập bản đồ 2.000 nơ-ron chuột và hơn 70.000 kết nối giữa chúng, với chip có khả năng đo cường độ tín hiệu giữa các kết nối và xác định loại tín hiệu được truyền qua đó.

Bên trái là chip silicon đóng gói với một mảng điện cực lỗ vi. Bên phải là một tế bào thần kinh nằm trên mảng điện cực lỗ vi trong quá trình ghi nhận, tế bào thần kinh được bố trí dày đặc hơn. Đây là một bước tiến lớn trong nghiên cứu tế bào thần kinh, cho phép các nhà khoa học xác định chính xác mọi chi tiết của các kết nối thần kinh trong não.

Hiện tại, kính hiển vi điện tử có thể quan sát các kết nối synap nhưng không thể đo và ghi lại tín hiệu qua chúng. Kỹ thuật điện cực patch-clamp cho phép ghi lại tín hiệu thần kinh, nhưng chỉ áp dụng cho một số ít tế bào, hạn chế khả năng nghiên cứu số lượng lớn nơ-ron. Chip CMOS mới cho phép nghiên cứu sự tương tác của một số lượng nơ-ron tương đối lớn, giúp hiểu rõ hơn về cách hoạt động của chúng trong các quá trình tâm lý phức tạp như tư duy và học tập.

Các nhà nghiên cứu cho biết mỗi lỗ vi mô giống như một điện cực patch-clamp, nên khi thêm hơn 4.000 mảng này vào một chip duy nhất, họ có thể theo dõi hiệu quả hàng nghìn nơ-ron. Nhà nghiên cứu Jun Wang cho biết: "Các điện cực lỗ vi mô không chỉ kết nối tốt hơn với bên trong các nơ-ron so với các điện cực kim tiêm nano dọc, mà còn dễ chế tạo hơn nhiều."

Tính khả dụng này là một đặc điểm quan trọng trong công việc của chúng tôi. Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc giám sát hơn 3.600 tế bào thần kinh của chuột bằng 4.096 lỗ vi mô, đạt tỷ lệ thành công gần 90%. Họ đã ghi lại hơn 70.000 kết nối, gấp hơn 200 lần so với kỷ lục trước đó là 300. Tuy nhiên, họ vẫn còn xa mới có thể lập bản đồ não người, với khoảng 86 tỷ tế bào thần kinh.

Giả sử mỗi nơ-ron có trung bình 35 kết nối, thì trong bộ não chúng ta có ít nhất 3,01 tỷ kết nối synapse. Ngay cả với chỉ 2.000 tế bào thần kinh, đây đã là một khối lượng thông tin khổng lồ. Nghiên cứu viên Donhee Ham cho biết: “Một trong những thách thức lớn nhất, sau khi thành công trong việc ghi lại hoạt động tế bào song song, là cách phân tích khối lượng dữ liệu khổng lồ này. Chúng tôi đã có nhiều tiến bộ để hiểu rõ hơn về các kết nối synapse từ chúng.”

Chúng tôi đang phát triển một thiết kế mới có thể được triển khai trong não sống. Nếu thành công trong việc này và lập bản đồ cách các kết nối thần kinh hoạt động, nó có thể được ứng dụng vào nhiều tiến bộ công nghệ, như đào tạo AI và xây dựng các chip AI hiệu quả hơn, giúp tăng cường sức mạnh tính toán mà không cần tiêu tốn nhiều điện năng.

Nó cũng có thể được sử dụng trong nghiên cứu sức khỏe tâm thần, giúp các nhà khoa học hiểu cách các kết nối synapse hoạt động hoặc sai lệch và ảnh hưởng đến nhận thức của tâm trí.

Nguồn: www.tomshardware.com/tech-industry/harvard-team-built-a-cmos-chip-to-map-70-000-synaptic-connections-between-2-000-rat-neurons