Исследователям из Infineon Technologies удалось разработать совместно с институтом биохимии Макса Планка новейший биосенсорный чип с живыми нервными клетками, читающий электрические сигналы, производимые клетками. Этот технологический прорыв, названный "Нейро-Чипом", позволит исследователям глубже проникнуть в суть биологической функции нейронов, нервной ткани, и органических нейронных сетей. В области разработки лекарств, нейро-чип наконец-то позволит протестировать влияние новых соединений на живые нейроны, содействуя более продуктивным и эффективным исследованиям.
Infineon описывала новую разработку в докладе, представленном на International Solid State Circuits Conference (ISSCC) 2003, уважаемом форуме новых разработок в области полупроводников. Исследовательские сведения включают первый отчет об измерении электрических сигналов от живых нейронов. Работая совместно со знаменитым институтом биохимии Макса Планка, партнером Infineon по проекту и одним из лидирующих институтов бионаучных исследований, разработчики Infineon записали электрические сигналы нейронов мозга улитки.
Infineon сотрудничала с исследователями из института биохимии Макса Планка (MPI) c первой половины 2000г. при разработке нейро-чипа и специальной тестовой системы. Infineon отвечала за разработку полупроводниковой части, MPI обеспечивала своё "ноу-хау" в области интерфейса с нейроном.
Плотный массив сенсоров позволяет получать более эффективные и точные данные
Нейро-чип интегрирует 128 х 128 сенсоров в массиве, покрывающем площадь в 1мм2. Сложная электронная схема, наносимая снизу на каждый сенсор, усиливает и обрабатывает чрезвычайно слабые сигналы нейронов. Все нейроны погружены в питательное вещество на поверхности сенсорного массива. Оно позволяет поддерживать жизнь нейронов и реконструировать нейронную ткань. По сравнению с классическими методами исследований, при которых нейроны повреждаются в процессе приготовления образцов, неразрушающее наблюдение нейронной ткани в течении нескольких недель позволило ученым непрерывно наблюдать за прохождением процесса обучения, обработки и запоминания.
Плотность сенсоров нейро-чипа примерно в 300 раз выше, чем у нынешних методов для обучаемых нейронов, которые используют стеклянную подложку с нанесенными металлическими проводниками для контакта с нейронами. Каждый сенсор на чипе отделяется от другого расстоянием всего восемь микрометров. Т.к. обычный размер нейрона находится в пределах 10-50мкм, сенсоры с низкой плотностью не обеспечивают надежного контакта. Высокоплотный массив сенсоров нейро-чипа гарантирует, что каждый нейрон в образце контактирует, по крайней мере, с одним сенсором.
Вместо проверки каждого нейрона, нейро-чип от Infineon осматривает несколько нейронов одновременно. В результате получаются статистически релевантные данные. Кроме этого, нейро-чип от Infineon способен записывать последовательность электрической активности нейронной ткани за определенное время. Каждую секунду нейро-чип может записать более 2000 значений каждого из 16 384 сенсоров. Данные затем можно преобразовать в цветную картину для визуального анализа. Исследователи могут определить с помощью этих данных то, как вся нейронная ткань реагирует на электрическую стимуляцию или определенное химическое вещество в определенный момент времени.
Анализ и оценка на площади в 1/3 квадратного сантиметра
Общая площадь нейро-чипа составляет 5мм на 6мм, включая электронику, необходимую для усиления и обработки сигналов нейронов и передачи данных за пределы чипа. Чип основан на обычной CMOS технологии, доработанной для того, чтобы реализовать массив сенсоров такой плотности.
Успешная разработка Infineon полностью интегрированного чипа, позволяющего наблюдать чрезвычайно малые сигналы клеток, является мировым технологическим прорывом. Нейро-чипы способны определять и управлять изменениями напряжения с пиками в диапазоне от 100мкВ до 5мВ.
