Inovasi Teknologi: Chip Biosensor Neurologi dari Infineon Technologies Boleh Mengukur Elektrik

Munich, Jerman dan San Francisco, Calif. ?? 11 Februari 2003 ?? Penyelidik di Infineon Technologies telah berjaya bekerjasama dengan Institut Max Planck secara langsung menyambungkan cip biosensor yang baru dibangunkan dengan sel saraf hidup dan membaca isyarat elektrik yang dihasilkan oleh sel-sel. Teknologi penemuan ini, yang Infineon memanggil "Neuro-Chip", akan membolehkan penyelidik saintifik mendapat pandangan baru dalam fungsi biologi neuron, tisu saraf, dan rangkaian saraf organik. Dalam bidang pembangunan dadah, Neuro-Chip akhirnya akan membolehkan ujian kesan sebatian farmaseutikal baru pada neuron yang hidup, menyumbang kepada kecekapan dan produktiviti yang lebih besar dalam penyelidikan.

Infineon menerangkan perkembangan Neuro-Chip dalam satu kertas kerja yang dikemukakan hari ini di Persidangan Litar Solid State International (ISSCC) 2003, forum global yang sangat dihormati untuk perkembangan baru dalam semikonduktor. Penemuan penyelidikan termasuk laporan pertama mengenai pengukuran isyarat elektrik dari neuron hidup. Bekerjasama dengan Institut Biokimia Max Planck yang terkenal, rakan kongsi projek Infineon dan salah satu institut terkemuka dunia untuk penyelidikan biosains, penyelidik telah mencatatkan isyarat elektrik dari neuron dari otak siput.

Neuron adalah sel khusus yang membentuk sistem saraf semua makhluk hidup. Tisu saraf, yang terdiri daripada banyak sel saraf yang berkaitan, adalah komponen utama otak dan saraf tunjang. Sel-sel saraf berkomunikasi antara satu sama lain melalui denyutan elektrik, jadi keupayaan untuk membaca isyarat-isyarat ini dan merekodkannya dalam sistem komputer memegang janji pemahaman baru ke dalam proses neurologi.

?? Mengenai nisbah isyarat-ke-bunyi cip ini beroperasi hampir dengan had fizikal asas, ?? kata Dr. Roland Thewes, Pengarah Kanan yang bertanggungjawab untuk aktiviti cip biosensor dalam Pusat Penyelidikan Korporat di Infineon Technologies. ?? Infineon mampu menarik 50 tahun pengetahuan dalam pembuatan cip untuk membangun biochips yang membawa kelebihan teknologi silikon kepada biokimia dan penyelidikan dadah baru. Dengan Neuro-Chip, kami meletakkan asas untuk kemajuan dalam pemahaman saintifik. ??

Infineon telah bekerjasama sejak pertengahan tahun 2000 dengan penyelidik di Institut Max Planck (MPI) untuk Biokimia di Martinsried, berhampiran Munich, mengenai perkembangan sistem Neuro-Chip dan ujian yang berkaitan. Infineon bertanggungjawab terutamanya untuk pembangunan teknologi semikonduktor, dan MPI menyediakan pengetahuan khususnya dalam bidang interaksi antara neuron-chip.

Profesor Dr. Peter Fromherz, Pengarah Institut Biokimia Max Planck di Martinsried, Jerman, berkata: 'Bahawa penyelidikan asas jangka panjang kami pada antara muka neuron-semikonduktor sekarang melihat cip berteknologi tinggi, seperti mimpi yang menjadi kenyataan. Infineon pembangunan mikroelektronik canggih mungkin pra-syarat untuk tidak terdengar aplikasi dalam bidang biomedicine, bioteknologi dan penyelidikan otak. ??

Array Sensor yang Sengit Beri Data Lebih Berkesan, Tepat

Infineon Neuro-Chip mengintegrasikan sensor 128 x 128 dalam corak array yang meliputi hanya satu milimeter persegi. Litar elektronik yang canggih digabungkan di bawah setiap sensor, yang menguatkan dan memproses isyarat neuron yang sangat lemah. Neuron individu diletakkan dalam larutan nutrien di atas pelbagai sensor, yang menyimpan neuron hidup dan membolehkan pembinaan semula rangkaian saraf. Berbanding kaedah penyelidikan klasik, di mana neuron rosak dalam penyediaan sampel kajian, pemerhatian tisu saraf yang tidak terganggu sepanjang tempoh beberapa minggu menawarkan saintis satu wawasan yang berterusan ke atas fungsi bagaimana sistem saraf dan otak belajar, memproses dan menyimpan pembelajarannya.

Ketumpatan sensor Infineon Neuro-Chip adalah kira-kira 300 kali ganda lebih besar dari kaedah umum hari ini untuk mengkaji neuron, yang menggunakan substrat kaca dengan lombong metalik yang didepositkan wap untuk menghubungi neuron. Setiap sensor pada cip dipisahkan oleh jarak hanya lapan mikrometer (seribu milimeter). Oleh kerana ukuran neuron biasa adalah antara 10 - 50 mikrometer, sensor berkepadatan rendah mungkin tidak dapat menjalin hubungan yang boleh dipercayai. Arus sensor berkepadatan tinggi Neuro-Chip menjamin bahawa setiap neuron dalam sampel dihubungi oleh sekurang-kurangnya satu sensor.

Daripada berurutan memeriksa setiap neuron tunggal, Infineon Neuro-Chip menyelidik beberapa neuron pada masa yang sama. Akibatnya, data yang lebih statistik yang bersesuaian tersedia. Selain itu, Neuro-Chip membolehkan rakaman urutan operasi aktiviti elektrik dalam tisu saraf pada masa yang ditetapkan. Setiap saat, Neuro-Chip boleh mencatatkan lebih daripada 2,000 nilai tunggal bagi setiap 16,384 sensornya. Data itu kemudiannya boleh diubah menjadi gambaran warna untuk analisis visual. Penyelidik dapat mengesan dari data ini bagaimana tisu saraf lengkap bertindak balas terhadap rangsangan elektrik atau bahan kimia tertentu dalam tempoh tertentu.

Analisis dan Penilaian pada Ketiga Square Centimeter

Jumlah kawasan Infineon's Neuro-Chip mengukur lima milimeter dengan enam milimeter, termasuk litar yang diperlukan untuk menguatkan dan memproses isyarat neuron dan menghantar data off-chip. Cip didasarkan pada teknologi Standard Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) yang diperluaskan dengan langkah-langkah proses tambahan untuk merealisasikan pelbagai sensor kapasitif.

Infineon berjaya membangunkan litar bersepadu lengkap yang membolehkan pemerhatian isyarat sel sangat rendah adalah satu kejayaan teknologi dunia. Neuro-Chips dapat mengesan dan mengendalikan perubahan voltan dengan puncaknya dari 100 μV (mikrovolt, sejuta 1 Volt) hingga 5 mV (millivolt, seribu seribu 1 Volt).