Neuropixels Opto: Probe Otak yang Akhirnya Bisa Merekam dan Mengendalikan Neuron Secara Bersamaan

Terobosan rekayasanya terletak pada cara ia mengirimkan cahaya. Alih-alih menanamkan sumber cahaya pada chip itu sendiri—yang akan 'memasak' jaringan di sekitarnya—probe ini menggunakan pemandu gelombang fotonik terintegrasi. Sebuah laser eksternal memasok cahaya ke pemandu gelombang, yang kemudian menyalurkannya ke bawah batang ke 28 situs emisi . Desain ini menghilangkan panas dan derau listrik yang menggagalkan upaya sebelumnya untuk menggabungkan elektronik dan fotonik dalam satu perangkat.

Apa yang muncul adalah apa yang oleh para penciptanya disebut sebagai kemampuan "usik-dan-rekam" (perturb-and-record): stimulasi populasi neuron yang terdefinisi secara genetik di satu lapisan kortikal, dan secara simultan merekam efek riaknya di ratusan neuron sekitarnya—dan bahkan wilayah otak yang jauh .

Temuan Mengejutkan: Stimulasi Lokal Memiliki Konsekuensi Non-Lokal

Uji coba sistematis pertama probe ini pada tikus, yang dilaporkan dalam makalah Nature Methods, menunjukkan bahwa ia dapat secara diferensial mengaktifkan atau membungkam neuron pada kedalaman kortikal yang berbeda . Itu sudah diduga. Yang mengejutkan para peneliti adalah seberapa jauh gangguan lokal itu merambat.

Di striatum tikus dan struktur otak dalam lainnya, Neuropixels Opto memberikan optotagging yang efisien—identifikasi tipe sel yang terdefinisi secara genetik berdasarkan respons mereka terhadap cahaya . Lebih penting lagi, perekaman simultan di 960 situs mengungkapkan bahwa memanipulasi sebuah kolom kortikal lokal menghasilkan efek non-lokal yang meluas pada neuron dan wilayah otak yang jauh .

Karena teknologi sebelumnya memaksa peneliti untuk menstimulasi dengan satu alat dan merekam dengan alat lain, pola perambatan tingkat jaringan ini sangat sulit untuk diamati. Neuropixels Opto meruntuhkan pemisahan itu menjadi satu instrumen, menyingkap kompleksitas sebenarnya dari bagaimana gangguan lokal mengalir melalui otak yang hidup.

Bagaimana Ini Dapat Mentransformasi Riset Penyakit

Kemampuan probe untuk menjangkau struktur otak bagian dalam sambil secara bersamaan merekam dan memanipulasi tipe sel spesifik menjadikannya alat yang ampuh untuk mempelajari kondisi neurologis dan psikiatris yang pada dasarnya merupakan gangguan tingkat sirkuit.

Penyakit Alzheimer

Hipokampus dan korteks entorhinal adalah salah satu struktur paling awal yang terpengaruh oleh patologi Alzheimer. Batang panjang Neuropixels Opto dapat menjangkau wilayah dalam ini sementara pemancar cahayanya menargetkan populasi interneuron spesifik yang diketahui terganggu oleh akumulasi amiloid dan tau . Dengan memanipulasi sel-sel itu dan merekam respons jaringan secara real-time, para peneliti dapat membangun model kausal tentang bagaimana patologi merusak fungsi sirkuit—bergerak melampaui korelasi sederhana.

Penyakit Parkinson

Parkinson dicirikan oleh hilangnya neuron dopamin di substantia nigra dan pola penembakan abnormal di striatum dan ganglia basal. Neuropixels Opto dapat dimasukkan ke dalam striatum dan struktur dalam lainnya, memberikan stimulasi optogenetik yang presisi secara spasial sambil merekam dari ratusan neuron yang mewakili tipe sel dan jalur sirkuit yang berbeda . Ini dapat membantu mengurai dengan tepat tipe sel mana yang mendorong gejala motorik dan bagaimana mereka berinteraksi ketika sinyal dopamin gagal.

Skizofrenia

Salah satu hipotesis utama untuk skizofrenia melibatkan interneuron positif-parvalbumin dan peran mereka dalam menghasilkan osilasi frekuensi-gamma yang mengoordinasikan jaringan kortikal. Neuropixels Opto dapat secara langsung mengaktifkan atau membungkam interneuron berlabel genetik ini sambil merekam dari populasi kortikal yang terdistribusi, memungkinkan uji kausal terhadap hipotesis bahwa disfungsi interneuron mendasari gejala kognitif dan perseptual gangguan tersebut .

Alih-alih sekadar mengkorelasikan aktivitas saraf dengan perilaku atau patologi, para peneliti sekarang dapat bertanya—dan menjawab—pertanyaan tentang apa yang sebenarnya disebabkan oleh tipe sel spesifik ketika mereka tidak berfungsi. Peralihan dari korelasi ke kausalitas inilah yang menjadikan Neuropixels Opto sebuah lompatan besar bagi neurosains translasional.