Neuropixels Opto: Revoluční sonda, která současně nahrává a ovládá hluboké mozkové okruhy

Skutečným technickým průlomem je způsob, jakým přístroj dodává světlo. Namísto zabudování světelného zdroje přímo na čip – což by zahřívalo okolní tkáň – sonda využívá integrovaný fotonický vlnovod. Externí laser posílá světlo do vlnovodu, který ho rozvádí po celé délce hrotu až ke 28 emisním místům . Tato konstrukce elegantně eliminuje teplo a elektrický šum, které sužovaly dřívější pokusy o spojení elektroniky a fotoniky na jednom zařízení.

Vzniká tak to, co jeho tvůrci nazývají schopností „perturb-and-record“ (ruš a zaznamenávej): stimulujte geneticky definovanou populaci neuronů v jedné korové vrstvě a zároveň zaznamenávejte dominový efekt napříč stovkami okolních neuronů – a dokonce i ve vzdálených mozkových oblastech .

Překvapivé zjištění: Lokální stimulace má nelokální důsledky

První systematické testy sondy na myších, o nichž informuje článek v Nature Methods, ukázaly, že dokáže rozdílně aktivovat nebo umlčovat neurony v různých hloubkách mozkové kůry . To se očekávalo. Co však výzkumníky zaskočilo, bylo to, jak daleko tyto lokální zásahy dosáhnou.

V myším striatu (část bazálních ganglií zodpovědná za řízení pohybu) a dalších hlubokých mozkových strukturách Neuropixels Opto umožnil efektivní „optotagging“ – identifikaci geneticky definovaných buněčných typů na základě jejich reakcí na světlo . A co bylo důležitější, současné nahrávání z 960 míst odhalilo, že manipulace s lokálním korovým sloupcem vyvolala rozsáhlé, nelokální účinky na vzdálené neurony a mozkové oblasti .

Vzhledem k tomu, že dřívější technologie nutily vědce stimulovat jedním nástrojem a nahrávat druhým, bylo extrémně obtížné tyto vzorce šíření na úrovni celé sítě pozorovat. Neuropixels Opto spojuje tyto dvě funkce do jediného nástroje a odhaluje tak skutečnou komplexnost toho, jak lokální zásah kaskádovitě ovlivňuje živý mozek.

Jak může sonda proměnit výzkum nemocí

Schopnost sondy dosáhnout hlubokých mozkových struktur a zároveň nahrávat a manipulovat s konkrétními buněčnými typy z ní činí mimořádně silný nástroj pro studium neurologických a psychiatrických poruch, které jsou v zásadě poruchami mozkových okruhů.

Alzheimerova choroba

Hipokampus a entorhinální kůra patří mezi první struktury postižené patologií Alzheimerovy choroby. Dlouhý hrot sondy Neuropixels Opto může dosáhnout těchto hlubokých oblastí, zatímco jeho světelné zářiče cílí na specifické populace interneuronů, o nichž víme, že jsou narušeny akumulací proteinů amyloidu a tau . Manipulací s těmito buňkami a sledováním reakce sítě v reálném čase mohou výzkumníci budovat kauzální modely toho, jak patologie narušuje funkci okruhů – což je posun daleko za hranice prosté korelace.

Parkinsonova choroba

Parkinsonova choroba je charakterizována ztrátou dopaminových neuronů v substantia nigra a abnormálními vzorci aktivity ve striatu a bazálních gangliích. Neuropixels Opto lze zavést do striata a dalších hlubokých struktur a poskytovat prostorově přesnou optogenetickou stimulaci, zatímco nahrává ze stovek neuronů reprezentujících různé buněčné typy a dráhy okruhů . To by mohlo pomoci rozplést, které konkrétní buněčné typy řídí motorické symptomy a jak interagují, když dopaminová signalizace selhává.

Schizofrenie

Jedna z předních hypotéz o schizofrenii se týká interneuronů exprimujících parvalbumin a jejich role při generování oscilací v gama frekvenci, které koordinují korové sítě. Neuropixels Opto může přímo aktivovat nebo umlčovat tyto geneticky označené interneurony a zároveň nahrávat z rozsáhlých korových populací, což umožňuje kauzální testy hypotézy, že dysfunkce interneuronů je příčinou kognitivních a percepčních symptomů této poruchy .

Vědci se tak konečně nemusí spokojit s pouhou korelací mezi nervovou aktivitou a chováním či patologií. Nyní mohou klást – a odpovídat – na otázky, co konkrétní buněčné typy skutečně způsobují, když selžou. Tento posun od korelace ke kauzalitě je tím, co z Neuropixels Opto dělá skutečný skok vpřed pro translační neurovědu.