Neuropixels Opto: הגשושית המוחית שמקליטה ושולטת בנוירונים בו-זמנית

במשך עשרות שנים, מדעני מוח התמודדו עם פשרה מתסכלת: הם יכלו להקליט את הפטפוט החשמלי של מאות נוירונים בבת אחת, או להשתמש באור כדי לשלוט בתאים מהונדסים גנטית, אבל כמעט בלתי אפשרי היה לעשות את שני הדברים באותו מעגל מוחי עמוק ובו-זמנית. גשושית הדור הבא Neuropixels Opto, שפותחה על ידי צוות בינלאומי ביוניברסיטי קולג' לונדון (UCL) ומכון אלן ופורסמה בכתב העת Nature Methods, סוף סוף מגשרת על הפער הזה .

התוצאה היא מכשיר שלא רק צופה בפעילות המוחית – הוא משכתב אותה באופן פעיל תוך כדי האזנה להשלכות ברחבי הרשת כולה.

יותר מאלקטרודת הקלטה: מכשיר 'הפרע-ותעד'

כל גשושית Neuropixels Opto מכילה 960 אתרי הקלטה חשמלית ו-28 פולטי אור (14 לאור כחול, 14 לאדום) על גבי מוט סיליקון יחיד ברוחב 70 מיקרון ובאורך 1 ס"מ – צר יותר משערת אדם . הרשת הצפופה של מגעי ההקלטה מכסה שטח נרחב בהרבה של רקמת מוח לעומת אלקטרודות מסורתיות, בעוד שהקרנת האור בשני צבעים מאפשרת לחוקרים להפעיל או להשתיק נוירונים ספציפיים תוך שימוש באופטוגנטיקה בעומקים מדויקים וניתנים לשליטה.

פריצת הדרך ההנדסית טמונה באופן שבו המכשיר מספק את האור. במקום להטמיע מקור אור על השבב עצמו – דבר שהיה 'מבשל' את הרקמה הסובבת – הגשושית משתמשת במוליך גל פוטוני משולב. לייזר חיצוני מזין אור לתוך מוליך הגל, שמנתב אותו במורד המוט אל 28 נקודות הפליטה . תכנון זה מונע את בעיית החימום והרעש החשמלי שהכשילו ניסיונות קודמים לשלב אלקטרוניקה ופוטוניקה באותו התקן.

מה שמתקבל הוא מה שיוצריו מכנים יכולת "הפרע-ותעד": גרו אוכלוסיית נוירונים המוגדרת גנטית בשכבה קליפתית אחת, ובו-זמנית הקליטו את אפקט האדווה על פני מאות נוירונים מסביב – ואפילו באזורי מוח מרוחקים .

הממצא המפתיע: לגירוי מקומי יש השלכות לא-מקומיות

הבדיקות השיטתיות הראשונות של הגשושית בעכברים, שדווחו במאמר ב-Nature Methods, הראו שהיא יכולה להפעיל או להשתיק באופן דיפרנציאלי נוירונים בעומקים קליפתיים שונים . זה היה צפוי. מה שהפתיע את החוקרים היה המרחק שאליו הגיעו ההפרעות המקומיות האלה.

בסטריאטום של העכבר ובמבני מוח עמוקים אחרים, ה-Neuropixels Opto סיפקה תיוג אופטי (optotagging) יעיל – זיהוי סוגי תאים המוגדרים גנטית על סמך תגובותיהם לאור . חשוב מכך, ההקלטה הבו-זמנית על פני 960 אתרים חשפה ששינוי פעילות בעמודה קליפתית מקומית יצר השפעות נרחבות ולא-מקומיות על נוירונים מרוחקים ועל אזורי מוח אחרים .

מכיוון שטכנולוגיות מוקדמות יותר אילצו חוקרים לגרות באמצעות כלי אחד ולהקליט באמצעות אחר, היה קשה מאוד לצפות בדפוסי ההתפשטות ברמת הרשת. ה-Neuropixels Opto ממוטטת את ההפרדה הזו למכשיר אחד, וחושפת את המורכבות האמיתית של האופן שבו הפרעה מקומית מדרדרת דרך מוח חי.

כיצד זה עשוי לשנות את חקר המחלות

היכולת של הגשושית להגיע למבני מוח עמוקים תוך הקלטה ועירור בו-זמניים של סוגי תאים ספציפיים, הופכת אותה לכלי רב-עוצמה לחקר מצבים נוירולוגיים ופסיכיאטריים שהם בעצם הפרעות ברמת המעגל.

מחלת אלצהיימר

ההיפוקמפוס וקליפת המוח האנטורינאלית הם בין המבנים הראשונים שנפגעים מהפתולוגיה של אלצהיימר. המוט הארוך של ה-Neuropixels Opto יכול להגיע לאזורים העמוקים הללו, בעוד שפולטי האור מכוונים לאוכלוסיות ספציפיות של אינטרנוירונים שידוע כי הצטברות חלבוני עמילואיד וטאו משבשת את פעילותם . על ידי שליטה בתאים אלה והקלטת תגובת הרשת בזמן אמת, יכולים חוקרים לבנות מודלים סיבתיים של האופן שבו הפתולוגיה פוגעת בתפקוד המעגל – מעבר לקורלציה גרידא.

מחלת פרקינסון

פרקינסון מאופיין באובדן נוירוני דופמין ב-substantia nigra ובדפוסי ירי לא תקינים בסטריאטום ובגרעיני הבסיס. ניתן להחדיר את ה-Neuropixels Opto לסטריאטום ולמבנים עמוקים אחרים, ולספק גירוי אופטוגנטי מדויק מרחבית תוך הקלטה ממאות נוירונים המייצגים סוגי תאים ומסלולים מעגליים שונים . זה עשוי לסייע להבחין בדיוק אילו סוגי תאים מניעים את התסמינים המוטוריים, וכיצד הם מתקשרים כאשר איתות הדופמין נכשל.

סכיזופרניה

אחת ההשערות המובילות לסכיזופרניה מערבת אינטרנוירונים חיוביים ל-parvalbumin ואת תפקידם ביצירת תנודות בתדר גמא שמתאמות רשתות קליפתיות. ה-Neuropixels Opto יכולה להפעיל או להשתיק ישירות את האינטרנוירונים המסומנים גנטית הללו, תוך הקלטה מאוכלוסיות קליפתיות מפוזרות, ובכך לאפשר בדיקות סיבתיות של ההשערה שתפקוד לקוי של אינטרנוירונים עומד בבסיס התסמינים הקוגניטיביים והתפיסתיים של ההפרעה .

במקום פשוט לתאם פעילות עצבית עם התנהגות או פתולוגיה, חוקרים יכולים כעת לשאול – ולענות – שאלות לגבי מה סוגי תאים ספציפיים באמת גורמים כשהם מתקלקלים. המעבר הזה ממתאם לסיבתיות הוא מה שהופך את ה-Neuropixels Opto לזינוק אמיתי קדימה עבור מדעי המוח התרגומיים.