Neuropixels Opto: Mullistava aivosondi, joka kuuntelee ja puhuu neuroneille yhtä aikaa

Neurotieteilijät ovat vuosikymmeniä kamppailleet turhauttavan kompromissin kanssa: he ovat voineet joko tallentaa satojen hermosolujen sähköistä viestintää kerralla tai käyttää valoa geneettisesti muokattujen solujen hallintaan, mutta näitä kahta ei ole voinut helposti yhdistää samassa syvän aivoalueen piirissä samanaikaisesti. Nyt UCL:n ja Allen Instituten kansainvälisen tutkijaryhmän kehittämä ja Nature Methods -lehdessä julkaistu uuden sukupolven Neuropixels Opto -sondi ratkaisee tämän ongelman lopullisesti .

Lopputulos on laite, joka ei vain tarkkaile aivojen toimintaa – se muokkaa sitä aktiivisesti ja kuuntelee samalla seurauksia koko hermoverkossa.

Enemmän kuin tallennuselektrodi: 'Häiritse ja tallenna' -instrumentti

Jokaisessa Neuropixels Opto -sondissa on 960 sähköistä tallennuspistettä ja 28 valolähdettä (14 siniselle valolle, 14 punaiselle) yhdellä piikiekolla, joka on 70 µm leveä ja 1 cm pitkä – ihmishiusta kapeampi . Tiheä tallennuskontaktien verkko kattaa huomattavasti suuremman osan aivokudoksesta kuin perinteiset elektrodit, kun taas kaksivärinen valo mahdollistaa tutkijoille tiettyjen hermosolujen aktivoinnin tai hiljentämisen optogenetiikan avulla tarkasti kohdennetuilla syvyyksillä.

Tekninen läpimurto on tapa, jolla valo tuotetaan. Sen sijaan, että valonlähde olisi upotettu itse siruun – mikä kuumentaisi ympäröivän kudoksen – sondissa käytetään integroitua fotonista aaltojohdetta. Ulkoinen laser syöttää valoa aaltojohteeseen, joka ohjaa sen uloketta pitkin 28:aan valokohtaan . Tämä muotoilu poistaa lämpö- ja sähköhäiriöt, jotka vaivasivat aiempia yrityksiä yhdistää elektroniikka ja fotoniikka samalle laitteelle.

Näin syntyy toiminto, jota sen kehittäjät kutsuvat "häiritse ja tallenna" -kyvykkyydeksi: stimuloi geneettisesti määritelty hermosolupopulaatio yhdessä aivokuoren kerroksessa ja tallenna samanaikaisesti vaikutukset satoihin ympäröiviin hermosoluihin – ja jopa kaukaisiin aivoalueisiin .

Yllättävä havainto: Paikallinen stimulaatio aiheuttaa ei-paikallisia seurauksia

Nature Methods -lehden artikkelissa raportoiduissa ensimmäisissä järjestelmällisissä hiirikokeissa sondin osoitettiin pystyvän aktivoimaan tai vaimentamaan hermosoluja eri aivokuoren syvyyksillä . Se oli odotettua. Yllättävää sen sijaan oli, kuinka kauas nuo paikalliset häiriöt levisivät.

Hiiren aivojuoviossa ja muissa syvissä aivorakenteissa Neuropixels Opto osoitti tehokasta "optomerkitsemistä" – geneettisesti määriteltyjen solutyyppien tunnistamista niiden valovasteiden perusteella . Vielä tärkeämpää on, että samanaikainen tallennus 960 pisteessä paljasti, kuinka paikallisen aivokuoren pylvään manipuloinnilla oli laajoja, ei-paikallisia vaikutuksia kaukaisiin hermosoluihin ja aivoalueisiin .

Koska aiemmat teknologiat pakottivat tutkijat käyttämään yhtä työkalua stimulointiin ja toista tallentamiseen, näitä verkostotason leviämismalleja oli uskomattoman vaikea havainnoida. Neuropixels Opto romahduttaa tämän erottelun yhdeksi instrumentiksi paljastaen sen todellisen monimutkaisuuden, kuinka paikallinen häiriö leviää ketjureaktiona elävissä aivoissa.

Miten se voi mullistaa sairaustutkimuksen

Sondin kyky saavuttaa syviä aivorakenteita ja samanaikaisesti tallentaa ja manipuloida tiettyjä solutyyppejä tekee siitä tehokkaan työkalun sellaisten neurologisten ja psykiatristen sairauksien tutkimiseen, jotka ovat pohjimmiltaan hermopiiritason häiriöitä.

Alzheimerin tauti

Hippokampus ja sisempi aivopoimu (entorinaalinen aivokuori) ovat ensimmäisten Alzheimerin patologian vaurioittamien rakenteiden joukossa. Neuropixels Opton pitkä uloke yltää näille syville alueille, kun taas sen valolähteet voivat kohdistaa tiettyihin välineuroneihin (interneuroneihin), joiden tiedetään häiriintyvän amyloidi- ja tau-proteiinien kertymisen seurauksena . Manipuloimalla näitä soluja ja tallentamalla hermoverkon vaste reaaliajassa tutkijat voivat luoda syy-seurausmalleja siitä, kuinka patologia heikentää piirien toimintaa – siirtyen korrelaatioiden toteamisesta syiden ymmärtämiseen.

Parkinsonin tauti

Parkinsonin taudille on ominaista dopamiinihermosolujen kato mustatumakkeessa (substantia nigra) ja poikkeava aktiivisuus aivojuoviossa ja tyvitumakkeissa. Neuropixels Opto voidaan asettaa aivojuovioon ja muihin syviin rakenteisiin, antaen tarkasti kohdennettua optogeneettistä stimulaatiota samalla, kun se tallentaa sadoista hermosoluista, jotka edustavat eri solutyyppejä ja piiriteitä . Tämä voi auttaa erottamaan tarkalleen, mitkä solutyypit aiheuttavat motorisia oireita ja miten ne ovat vuorovaikutuksessa, kun dopamiinisignalointi pettää.

Skitsofrenia

Yksi johtava hypoteesi skitsofrenialle liittyy parvalbumiinipositiivisiin välineuroneihin ja niiden rooliin gamma-taajuisten värähtelyjen tuottajina, jotka koordinoivat aivokuoren verkostoja. Neuropixels Opto voi suoraan aktivoida tai hiljentää näitä geneettisesti merkittyjä välineuroneja samalla tallentaen hajautetuista aivokuoren populaatioista, mahdollistaen syy-seuraustestit hypoteesille, jonka mukaan välineuronien toimintahäiriö on sairauden kognitiivisten ja havaintokykyyn liittyvien oireiden taustalla .

Sen sijaan, että hermostollista aktiivisuutta vain korreloitaisiin käyttäytymisen tai patologian kanssa, tutkijat voivat nyt kysyä – ja vastata – kysymyksiin siitä, mitä tietyt solutyypit todella aiheuttavat toimiessaan väärin. Tämä siirtymä korrelaatiosta kausaliteettiin tekee Neuropixels Optosta aidon harppauksen translationaaliselle neurotieteelle.

Usein kysyttyä uudesta teknologiasta

Mikä Neuropixels Opto tarkalleen ottaen on?
Se on prototyyppi aivosondista, joka yhdistää korkean resoluution sähköfysiologian (hermosolujen sähköisen viestinnän mittaus) ja optogenetiikan (solujen hallinta valon ja genetiikan avulla) yhdeksi integroiduksi laitteeksi . Sen on kehittänyt kansainvälinen ryhmä UCL:n ja Allen Instituten johdolla.

Miten se eroaa aiemmista teknologioista?
Aiemmin tutkijat joutuivat käyttämään erillisiä laitteita hermosolujen manipulointiin valolla ja niiden sähköisen aktiivisuuden mittaamiseen. Neuropixels Opto tekee molemmat yhdellä hiusta kapeammalla ulokkeella, mikä mahdollistaa sen, että tutkija voi esimerkiksi aktivoida tietyn solutyypin yhdessä kerroksessa ja samanaikaisesti nähdä, miten signaali leviää satoihin muihin hermosoluihin .

Kuinka se välttää aivojen kuumenemisen?
Käyttämällä ulkoista laseria ja fotonista aaltojohdetta. Valo tuotetaan kallon ulkopuolella ja ohjataan kuitua pitkin sondin kärkeen, jolloin itse siru ei kuumene. Tämä ratkaisee suuren ongelman, joka vaivasi aiempia yrityksiä upottaa valonlähde suoraan aivokudokseen .