Neuropixels Opto: la sonda che rivoluziona le neuroscienze registrando e manipolando i circuiti cerebrali profondi

Per decenni, i neuroscienziati si sono scontrati con un compromesso frustrante: potevano registrare l’attività elettrica di centinaia di neuroni contemporaneamente, oppure usare la luce per controllare cellule geneticamente modificate, ma non potevano fare entrambe le cose nella stessa regione cerebrale profonda. Neuropixels Opto, una sonda di nuova generazione sviluppata da un team internazionale guidato da UCL e Allen Institute e pubblicata su Nature Methods, colma finalmente questa lacuna .

Il risultato è un dispositivo che non si limita a osservare l’attività cerebrale: la riscrive attivamente, ascoltando le conseguenze sull’intera rete neurale.

Più di un elettrodo: uno strumento per ‘perturbare e registrare’

Ogni sonda Neuropixels Opto racchiude 960 siti di registrazione elettrica e 28 emettitori di luce (14 per la luce blu, 14 per quella rossa) su un unico stelo di silicio largo 70 µm e lungo 1 cm, più sottile di un capello umano . La fitta griglia di contatti copre una porzione di tessuto cerebrale molto più ampia rispetto agli elettrodi tradizionali, mentre l’emissione di luce a due colori permette ai ricercatori di attivare o silenziare neuroni specifici tramite optogenetica a profondità precise e indirizzabili.

La vera innovazione ingegneristica sta nel modo in cui viene erogata la luce. Invece di integrare una sorgente luminosa direttamente sul chip – cosa che cuocerebbe il tessuto circostante – la sonda utilizza una guida d’onda fotonica integrata. Un laser esterno alimenta la guida d’onda, che incanala la luce lungo lo stelo fino ai 28 punti di emissione . Questo design elimina il calore e il rumore elettrico che affliggevano i precedenti tentativi di unire elettronica e fotonica sullo stesso dispositivo.

Ciò che ne deriva è ciò che i suoi creatori chiamano una capacità di “perturbare e registrare”: stimolare una popolazione di neuroni geneticamente definita in uno strato corticale e registrare simultaneamente gli effetti a catena su centinaia di neuroni circostanti, e persino su regioni cerebrali distanti .

La scoperta sorprendente: la stimolazione locale ha conseguenze non locali

I primi test sistematici sui topi, riportati nell’articolo su Nature Methods, hanno dimostrato che la sonda poteva attivare o silenziare selettivamente i neuroni a diverse profondità corticali . Questo era previsto. Ciò che ha sorpreso i ricercatori è stata la distanza percorsa da queste perturbazioni locali.

Nello striato del topo e in altre strutture cerebrali profonde, Neuropixels Opto ha realizzato un optotagging efficiente, ovvero l’identificazione di tipi cellulari geneticamente definiti in base alle loro risposte alla luce . Ma soprattutto, la registrazione simultanea su 960 siti ha rivelato che la manipolazione di una colonna corticale locale produceva effetti diffusi e non locali su neuroni e regioni cerebrali distanti .

Poiché le tecnologie precedenti costringevano i ricercatori a stimolare con uno strumento e registrare con un altro, questi schemi di propagazione a livello di rete erano incredibilmente difficili da osservare. Neuropixels Opto elimina questa separazione in un unico strumento, svelando la reale complessità di come una perturbazione locale si propaghi a cascata in un cervello vivente.

Come potrebbe trasformare la ricerca sulle malattie

La capacità della sonda di raggiungere strutture cerebrali profonde, registrando e manipolando simultaneamente tipi cellulari specifici, la rende uno strumento formidabile per studiare condizioni neurologiche e psichiatriche che sono, in fondo, disturbi dei circuiti.

Malattia di Alzheimer

L’ippocampo e la corteccia entorinale sono tra le prime strutture colpite dalla patologia dell’Alzheimer. Il lungo stelo di Neuropixels Opto può raggiungere queste regioni profonde, mentre i suoi emettitori di luce prendono di mira popolazioni specifiche di interneuroni, notoriamente alterati dall’accumulo di beta-amiloide e proteina tau . Manipolando queste cellule e registrando la risposta della rete in tempo reale, i ricercatori possono costruire modelli causali di come la patologia degradi la funzione dei circuiti, andando oltre la semplice correlazione.

Malattia di Parkinson

Il Parkinson è caratterizzato dalla perdita di neuroni dopaminergici nella substantia nigra (sostanza nera) e da schemi di attivazione anomali nello striato e nei gangli della base. Neuropixels Opto può essere inserita nello striato e in altre strutture profonde, fornendo una stimolazione optogenetica spazialmente precisa e registrando al contempo da centinaia di neuroni che rappresentano diversi tipi cellulari e vie di circuito . Questo potrebbe aiutare a distinguere esattamente quali tipi di cellule causano i sintomi motori e come interagiscono quando la segnalazione dopaminergica viene meno.

Schizofrenia

Una delle ipotesi principali per la schizofrenia chiama in causa gli interneuroni che esprimono parvalbumina e il loro ruolo nel generare oscillazioni a frequenza gamma, che coordinano le reti corticali. Neuropixels Opto può attivare o silenziare direttamente questi interneuroni geneticamente marcati, registrando contemporaneamente da popolazioni corticali distribuite, consentendo test causali sull’ipotesi che la disfunzione degli interneuroni sia alla base dei sintomi cognitivi e percettivi del disturbo .

Invece di limitarsi a correlare l’attività neurale con il comportamento o la patologia, i ricercatori possono ora chiedersi – e scoprire – cosa causano realmente specifici tipi di cellule quando non funzionano correttamente. Questo passaggio dalla correlazione alla causalità è ciò che rende Neuropixels Opto un autentico balzo in avanti per le neuroscienze traslazionali.