Neuropixels Opto: Hjernesonden, der endelig kan optage og kontrollere neuroner samtidig

Den tekniske bedrift ligger i måden, lyset leveres på. I stedet for at have en lyskilde indlejret i selve chippen – hvilket ville opvarme det omgivende væv – bruger sonden en integreret fotonisk bølgeleder. En ekstern laser fører lys ind i bølgelederen, som dirigerer det ned langs stiften til de 28 emissionssteder . Dette design fjerner den varme og elektroniske støj, der tidligere spændte ben for forsøg på at kombinere elektronik og fotonik på samme enhed.

Det, der opstår, er hvad skaberne kalder en "forstyr-og-optag"-funktion (perturb-and-record): man stimulerer en genetisk defineret population af neuroner i ét kortikalt lag og optager samtidig ringvirkningerne i hundredvis af omkringliggende neuroner – og sågar i fjerne hjerneområder .

Den overraskende opdagelse: Lokal stimulation har ikke-lokale konsekvenser

De første systematiske tests i mus, beskrevet i Nature Methods-artiklen, viste, at sonden kunne aktivere eller dæmpe neuroner forskelligt i hjernebarkens lag . Det var forventet. Hvad der overraskede forskerne var, hvor langt disse lokale forstyrrelser bredte sig.

I musens striatum og andre dybe hjernestrukturer muliggjorde Neuropixels Opto effektiv "optotagging" – identifikation af genetisk definerede celletyper baseret på deres lysdrevne responser . Endnu vigtigere var det, at de samtidige optagelser fra alle 960 punkter afslørede, at manipulation af et lokalt område i hjernebarken fremkaldte omfattende, ikke-lokale effekter i fjerne neuroner og hjerneområder .

Fordi tidligere teknologier tvang forskere til at stimulere med ét værktøj og optage med et andet, var disse netværksomspændende udbredelsesmønstre ekstremt vanskelige at observere. Neuropixels Opto forener denne adskillelse i et enkelt instrument og blotlægger den sande kompleksitet af, hvordan en lokal forstyrrelse bølger gennem en levende hjerne.

Hvordan den kan transformere sygdomsforskning

Sondens evne til at nå dybe hjernestrukturer, mens den samtidig optager og manipulerer specifikke celletyper, gør den til et kraftfuldt værktøj til at studere neurologiske og psykiatriske lidelser, der i bund og grund er forstyrrelser på kredsløbsniveau.

Alzheimers sygdom

Hippocampus og entorhinal cortex er blandt de strukturer, der først påvirkes af Alzheimers-patologi. Neuropixels Optos lange stift kan nå disse dybe regioner, mens dens lysemitere kan målrette specifikke interneuron-populationer, som man ved forstyrres af ophobning af amyloid og tau . Ved at manipulere disse celler og optage netværkets respons i realtid kan forskere opbygge årsagsmodeller for, hvordan patologi nedbryder kredsløbsfunktionen – og dermed bevæge sig ud over simpel korrelation.

Parkinsons sygdom

Parkinsons er kendetegnet ved tab af dopamin-neuroner i substantia nigra og unormale fyringsmønstre i striatum og basalganglierne. Neuropixels Opto kan indsættes i striatum og andre dybe strukturer og levere rumligt præcis optogenetisk stimulation, mens den optager fra hundredvis af neuroner, der repræsenterer forskellige celletyper og nervebaner . Dette kan hjælpe med at afdække præcist hvilke celletyper, der driver de motoriske symptomer, og hvordan de interagerer, når dopamin-signaleringen svigter.

Skizofreni

En førende hypotese for skizofreni peger på parvalbumin-positive interneuroner og deres rolle i at generere gamma-frekvensoscillationer, som koordinerer kortikale netværk. Neuropixels Opto kan direkte aktivere eller dæmpe disse genetisk mærkede interneuroner, mens den optager fra distribuerede kortikale populationer, hvilket muliggør årsagstests af hypotesen om, at interneurondysfunktion ligger til grund for lidelsens kognitive og perceptuelle symptomer .

I stedet for blot at korrelere neural aktivitet med adfærd eller sygdomspatologi kan forskere nu stille – og besvare – spørgsmål om, hvad specifikke celletyper rent faktisk forårsager, når de ikke fungerer. Dette skift fra korrelation til kausalitet er det, der gør Neuropixels Opto til et ægte kvantespring for translationel neurovidenskab.