Neuropixels Opto: Die Hirnsonde, die Neuronen gleichzeitig belauscht und dirigiert

Jahrzehntelang standen Neurowissenschaftler vor einem frustrierenden Kompromiss: Sie konnten entweder das elektrische Geplapper Hunderter Neuronen gleichzeitig aufzeichnen oder mit Licht genetisch veränderte Zellen steuern – beides gleichzeitig im selben tiefen Hirnschaltkreis war praktisch unmöglich. Neuropixels Opto, eine von einem globalen Team am University College London (UCL) und dem Allen Institute entwickelte Sonde der nächsten Generation, überbrückt diese Lücke nun endgültig. Die Forschungsergebnisse wurden in Nature Methods veröffentlicht .

Das Ergebnis ist ein Gerät, das Hirnaktivität nicht nur beobachtet, sondern aktiv umschreibt – und dabei die Konsequenzen im gesamten Netzwerk abhört.

Mehr als eine Messelektrode: Ein Instrument zum „Stören und Messen"

Jede Neuropixels Opto Sonde vereint 960 elektrische Ableitstellen und 28 Lichtemitter (14 für blaues, 14 für rotes Licht) auf einem einzigen Siliziumschaft, der 70 µm breit und 1 cm lang ist – dünner als ein menschliches Haar . Das dichte Raster an Messkontakten deckt einen viel größeren Bereich des Hirngewebes ab als herkömmliche Elektroden, während die zweifarbige Lichtabgabe es Forschern erlaubt, mittels Optogenetik gezielt bestimmte Neuronen in präzisen, adressierbaren Tiefen zu aktivieren oder stillzulegen.

Der technische Durchbruch liegt in der Art der Lichtzufuhr. Anstatt eine Lichtquelle direkt auf dem Chip zu platzieren – was das umliegende Gewebe erhitzen würde –, nutzt die Sonde einen integrierten photonischen Wellenleiter. Ein externer Laser speist Licht in diesen Wellenleiter ein, der es den Schaft entlang zu den 28 Emissionsstellen leitet . Dieses Design eliminiert die Hitze und die elektrischen Störgeräusche, die frühere Versuche, Elektronik und Photonik auf einem Gerät zu kombinieren, scheitern ließen.

Daraus ergibt sich eine Fähigkeit, die ihre Entwickler als „Stören und Messen" („perturb-and-record") bezeichnen: Man stimuliert eine genetisch definierte Neuronengruppe in einer Hirnrindenschicht und zeichnet gleichzeitig die wellenförmigen Auswirkungen auf Hunderte umliegende Neuronen auf – und sogar auf weit entfernte Hirnregionen .

Die überraschende Erkenntnis: Lokale Reize haben nicht-lokale Folgen

Die ersten systematischen Tests der Sonde an Mäusen, über die in der Nature Methods-Studie berichtet wurde, zeigten, dass sie Neuronen in unterschiedlichen Tiefen der Hirnrinde gezielt aktivieren oder hemmen konnte . Das war erwartet worden. Was die Forscher jedoch überraschte, war, wie weit sich diese lokalen Störungen ausbreiteten.

Im Striatum der Maus und anderen tiefen Hirnstrukturen ermöglichte Neuropixels Opto ein effizientes Optotagging – also die Identifizierung genetisch definierter Zelltypen anhand ihrer lichtgesteuerten Reaktionen . Noch entscheidender: Die gleichzeitige Aufzeichnung über 960 Messstellen enthüllte, dass die Manipulation einer lokalen kortikalen Säule weitreichende, nicht-lokale Effekte auf entfernte Neuronen und Hirnregionen auslöste .

Da frühere Technologien die Forscher dazu zwangen, mit dem einen Werkzeug zu stimulieren und mit einem anderen abzuleiten, waren diese Ausbreitungsmuster auf Netzwerkebene extrem schwer zu beobachten. Neuropixels Opto hebt diese Trennung auf und fasst alles in einem einzigen Instrument zusammen – und legt so die wahre Komplexität offen, mit der eine lokale Störung durch ein lebendes Gehirn kaskadiert.

Wie die Sonde die Krankheitsforschung verändern könnte

Die Fähigkeit der Sonde, tiefe Hirnstrukturen zu erreichen und gleichzeitig bestimmte Zelltypen abzuleiten und zu manipulieren, macht sie zu einem mächtigen Werkzeug für die Erforschung neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen, die grundlegend auf gestörten Schaltkreisen beruhen.

Alzheimer-Krankheit

Hippocampus und entorhinaler Kortex gehören zu den ersten Strukturen, die von der Alzheimer-Pathologie betroffen sind. Der lange Schaft von Neuropixels Opto kann diese tiefen Regionen erreichen, während die Lichtemitter gezielt auf jene Interneuronen-Populationen gerichtet werden können, die bekanntermaßen durch Amyloid- und Tau-Ablagerungen gestört werden . Indem man diese Zellen manipuliert und die Reaktion des Netzwerks in Echtzeit aufzeichnet, können Forscher kausale Modelle darüber erstellen, wie die Pathologie die Schaltkreisfunktion beeinträchtigt – und so über reine Korrelation hinausgehen.

Parkinson-Krankheit

Parkinson ist durch den Verlust von Dopamin-Neuronen in der Substantia nigra und abnormale Feuerungsmuster im Striatum und den Basalganglien gekennzeichnet. Neuropixels Opto kann in das Striatum und andere tiefe Strukturen eingeführt werden und liefert räumlich präzise optogenetische Stimulation, während es von Hunderten von Neuronen ableitet, die verschiedene Zelltypen und Schaltkreisbahnen repräsentieren . Dies könnte helfen, genau zu entwirren, welche Zelltypen die motorischen Symptome verursachen und wie sie interagieren, wenn die Dopamin-Signalübertragung ausfällt.

Schizophrenie

Eine führende Hypothese zu Schizophrenie betrifft Parvalbumin-positive Interneuronen und ihre Rolle bei der Erzeugung von Gamma-Oszillationen, die kortikale Netzwerke koordinieren. Neuropixels Opto kann diese genetisch markierten Interneuronen direkt aktivieren oder stilllegen und gleichzeitig von verteilten kortikalen Populationen ableiten. Dies ermöglicht kausale Tests der Hypothese, dass eine Fehlfunktion dieser Interneuronen den kognitiven und perzeptuellen Symptomen der Störung zugrunde liegt .

Anstatt neuronale Aktivität lediglich mit Verhalten oder Pathologie zu korrelieren, können Forscher nun Fragen stellen – und beantworten –, was bestimmte Zelltypen tatsächlich verursachen, wenn sie fehlfunktionieren. Dieser Wechsel von Korrelation zu Kausalität macht Neuropixels Opto zu einem echten Sprung nach vorn für die translationale Neurowissenschaft.