Neuropixels Opto : la sonde cérébrale qui enregistre et manipule enfin les neurones en même temps

La prouesse technique réside dans la méthode de délivrance de la lumière. Plutôt que d'intégrer une source lumineuse directement sur la puce — ce qui n'aurait pas manqué de cuire les tissus environnants — la sonde utilise un guide d'onde photonique intégré. Un laser externe injecte la lumière dans ce guide, qui l'achemine le long de la tige jusqu'aux 28 sites d'émission . Cette conception élimine la chaleur et le bruit électrique qui faisaient obstacle aux précédentes tentatives de combiner électronique et photonique sur un même dispositif.

Ce qui en résulte, ses créateurs l'appellent une capacité de « perturber et enregistrer » : stimulez une population de neurones génétiquement définie dans une couche corticale particulière, et lisez simultanément les répercussions sur des centaines de neurones voisins, voire dans des régions cérébrales éloignées .

La découverte surprenante : une stimulation locale a des conséquences non locales

Les premiers tests systématiques menés chez la souris, rapportés dans l'article de Nature Methods, ont prouvé que la sonde pouvait activer ou inhiber des neurones à différentes profondeurs du cortex de manière différentielle . Cela n'était pas une surprise. Ce qui a étonné les chercheurs, c'est la distance à laquelle ces perturbations locales se sont propagées.

Dans le striatum de la souris et d'autres structures profondes, la sonde Neuropixels Opto a permis un « opto-marquage » efficace, c'est-à-dire l'identification de types cellulaires génétiquement définis grâce à leur réponse à la lumière . Mais surtout, l'enregistrement simultané sur 960 sites a révélé que la manipulation d'une colonne corticale locale produisait des effets étendus et non locaux sur des neurones et régions cérébrales distants .

Parce que les technologies antérieures imposaient de stimuler avec un outil et d'enregistrer avec un autre, ces schémas de propagation à l'échelle du réseau étaient extrêmement difficiles à observer. Neuropixels Opto fait disparaître cette séparation en un seul instrument, exposant la complexité réelle de la manière dont une perturbation locale se répercute en cascade à travers un cerveau vivant.

Un potentiel transformateur pour la recherche sur les maladies

La capacité de la sonde à atteindre les structures cérébrales profondes tout en enregistrant et manipulant simultanément des types cellulaires spécifiques en fait un outil puissant pour l'étude des troubles neurologiques et psychiatriques, qui sont des pathologies fondamentalement liées à des dysfonctionnements de circuits.

Maladie d'Alzheimer

L'hippocampe et le cortex entorhinal sont parmi les premières structures touchées par la pathologie d'Alzheimer. La longue tige de la sonde Neuropixels Opto peut atteindre ces régions profondes pendant que ses émetteurs de lumière ciblent des populations spécifiques d'interneurones, dont on sait qu'elles sont perturbées par l'accumulation de protéines amyloïdes et tau . En manipulant ces cellules et en enregistrant la réponse du réseau en temps réel, les chercheurs peuvent construire des modèles causaux de la manière dont la pathologie dégrade la fonction du circuit, dépassant la simple corrélation.

Maladie de Parkinson

La maladie de Parkinson se caractérise par la perte des neurones à dopamine dans la substance noire et des schémas d'activité anormaux dans le striatum et les ganglions de la base. La sonde Neuropixels Opto peut être insérée dans le striatum et d'autres structures profondes, délivrant une stimulation optogénétique spatialement précise tout en enregistrant depuis des centaines de neurones représentant différents types cellulaires et voies de signalisation . Cela pourrait aider à déterminer avec précision quels types de cellules sont à l'origine des symptômes moteurs et comment ils interagissent lorsque la signalisation dopaminergique fait défaut.

Schizophrénie

Une hypothèse majeure pour la schizophrénie met en cause les interneurones exprimant la parvalbumine et leur rôle dans la génération d'oscillations gamma qui coordonnent les réseaux corticaux. La sonde Neuropixels Opto peut activer ou inhiber directement ces interneurones génétiquement marqués tout en enregistrant l'activité de populations corticales distribuées, permettant de tester de manière causale l'hypothèse selon laquelle un dysfonctionnement de ces interneurones serait à la base des symptômes cognitifs et perceptifs du trouble .

Plutôt que de simplement corréler l'activité neuronale avec un comportement ou une pathologie, les chercheurs peuvent désormais poser — et répondre à — des questions sur les conséquences réelles du dysfonctionnement de types cellulaires spécifiques. Ce passage de la corrélation à la causalité est ce qui fait de la sonde Neuropixels Opto un véritable bond en avant pour les neurosciences translationnelles.