न्यूरोपिक्सल्स ऑप्टो: वह ब्रेन प्रोब जो आखिरकार एक साथ न्यूरॉन्स को रिकॉर्ड और नियंत्रित कर सकता है

इंजीनियरिंग की सफलता इसके प्रकाश पहुंचाने के तरीके में है। चिप पर ही प्रकाश स्रोत लगाने के बजाय — जो आसपास के ऊतकों को गर्म कर सकता है — यह जांच एक एकीकृत फोटोनिक वेवगाइड का उपयोग करती है। एक बाहरी लेज़र वेवगाइड में प्रकाश डालता है, जो इसे शैंक के नीचे 28 उत्सर्जन स्थलों तक भेजता है । यह डिज़ाइन गर्मी और विद्युत शोर को खत्म करता है, जिसने पहले इलेक्ट्रॉनिक्स और फोटोनिक्स को एक ही उपकरण पर संयोजित करने के प्रयासों को विफल कर दिया था।

इससे जो उभरता है, उसे इसके निर्माता "परटर्ब-एंड-रिकॉर्ड" क्षमता कहते हैं: एक कॉर्टिकल परत में आनुवंशिक रूप से परिभाषित न्यूरॉन्स की आबादी को उत्तेजित करें, और साथ ही सैकड़ों आसपास के न्यूरॉन्स — और यहां तक कि दूर के मस्तिष्क क्षेत्रों — में होने वाले व्यापक प्रभावों को रिकॉर्ड करें ।

चौंकाने वाला निष्कर्ष: स्थानीय उत्तेजना के गैर-स्थानीय परिणाम होते हैं

नेचर मेथड्स पेपर में रिपोर्ट किए गए चूहों पर जांच के पहले व्यवस्थित परीक्षणों ने प्रदर्शित किया कि यह अलग-अलग कॉर्टिकल गहराइयों पर न्यूरॉन्स को विभेदित रूप से सक्रिय या शांत कर सकता है । यह अपेक्षित था। शोधकर्ताओं को जिस बात ने चौंकाया वह यह था कि वे स्थानीय परटर्बेशन कितनी दूर तक फैलते हैं।

चूहे के स्ट्रिएटम और अन्य गहरे मस्तिष्क संरचनाओं में, न्यूरोपिक्सल्स ऑप्टो ने कुशल ऑप्टोटैगिंग प्रदान की — उनकी प्रकाश-संचालित प्रतिक्रियाओं के आधार पर आनुवंशिक रूप से परिभाषित कोशिका प्रकारों की पहचान । इससे भी महत्वपूर्ण बात, 960 साइटों पर एक साथ रिकॉर्डिंग से पता चला कि एक स्थानीय कॉर्टिकल कॉलम में हेरफेर करने से दूर के न्यूरॉन्स और मस्तिष्क क्षेत्रों पर व्यापक, गैर-स्थानीय प्रभाव उत्पन्न होते हैं ।

क्योंकि पहले की तकनीकों ने शोधकर्ताओं को एक उपकरण से उत्तेजित करने और दूसरे से रिकॉर्ड करने के लिए मजबूर किया था, इन नेटवर्क-स्तरीय प्रसार पैटर्न का निरीक्षण करना अविश्वसनीय रूप से कठिन था। न्यूरोपिक्सल्स ऑप्टो उस अलगाव को समाप्त कर एक ही उपकरण में समाहित कर देता है, और यह उजागर करता है कि एक जीवित मस्तिष्क में एक स्थानीय परटर्बेशन किस जटिलता से व्याप्त होता है।

यह रोग अनुसंधान को कैसे बदल सकता है

गहरे मस्तिष्क संरचनाओं तक पहुंचने के साथ-साथ विशिष्ट कोशिका प्रकारों को एक साथ रिकॉर्ड और मैनिपुलेट करने की जांच की क्षमता इसे न्यूरोलॉजिकल और मनोरोग स्थितियों का अध्ययन करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण बनाती है, जो मूल रूप से सर्किट-स्तरीय विकार हैं।

अल्जाइमर रोग

हिप्पोकैम्पस और एंटोरहिनल कॉर्टेक्स अल्जाइमर विकृति से प्रभावित होने वाली सबसे शुरुआती संरचनाओं में से हैं। न्यूरोपिक्सल्स ऑप्टो की लंबी शैंक इन गहरे क्षेत्रों तक पहुंच सकती है, जबकि इसके प्रकाश उत्सर्जक उन विशिष्ट इंटरन्यूरॉन आबादी को लक्षित करते हैं, जिनके एमिलॉइड और टाउ संचय से बाधित होने की जानकारी है । उन कोशिकाओं में हेरफेर करके और वास्तविक समय में नेटवर्क की प्रतिक्रिया रिकॉर्ड करके, शोधकर्ता इस बात के कारणात्मक मॉडल बना सकते हैं कि विकृति सर्किट फंक्शन को कैसे खराब करती है — सरल सहसंबंध से परे बढ़ते हुए।

पार्किंसंस रोग

पार्किंसंस की विशेषता सब्सटैंशिया नाइग्रा में डोपामाइन न्यूरॉन्स की हानि और स्ट्रिएटम तथा बेसल गैंग्लिया में असामान्य फायरिंग पैटर्न है। न्यूरोपिक्सल्स ऑप्टो को स्ट्रिएटम और अन्य गहरी संरचनाओं में डाला जा सकता है, जो स्थानिक रूप से सटीक ऑप्टोजेनेटिक उत्तेजना प्रदान करता है और साथ ही सैकड़ों न्यूरॉन्स से रिकॉर्डिंग करता है, जो विभिन्न कोशिका प्रकारों और सर्किट मार्गों का प्रतिनिधित्व करते हैं । इससे यह स्पष्ट करने में मदद मिल सकती है कि कौन से कोशिका प्रकार मोटर लक्षणों को संचालित करते हैं और जब डोपामाइन सिग्नलिंग विफल होती है तो वे कैसे परस्पर क्रिया करते हैं।

सिज़ोफ्रेनिया

सिज़ोफ्रेनिया के लिए एक प्रमुख परिकल्पना पार्वलब्यूमिन-पॉजिटिव इंटरन्यूरॉन्स और गामा-फ्रीक्वेंसी दोलनों को उत्पन्न करने में उनकी भूमिका को दर्शाती है जो कॉर्टिकल नेटवर्क का समन्वय करते हैं। न्यूरोपिक्सल्स ऑप्टो इन आनुवंशिक रूप से लेबल वाले इंटरन्यूरॉन्स को सीधे सक्रिय या शांत कर सकता है, जबकि वितरित कॉर्टिकल आबादी से रिकॉर्डिंग करता है, जिससे इस परिकल्पना के कारणात्मक परीक्षण संभव होते हैं कि इंटरन्यूरॉन डिसफंक्शन विकार के संज्ञानात्मक और अवधारणात्मक लक्षणों का आधार है ।

केवल व्यवहार या विकृति के साथ तंत्रिका गतिविधि को सहसंबंधित करने के बजाय, शोधकर्ता अब पूछ सकते हैं — और उत्तर दे सकते हैं — कि विशिष्ट कोशिका प्रकारों के खराब होने पर वास्तव में क्या कारण बनते हैं। सहसंबंध से कारण की ओर यह बदलाव ही न्यूरोपिक्सल्स ऑप्टो को अनुवादात्मक तंत्रिका विज्ञान के लिए एक वास्तविक छलांग बनाता है।