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

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.