Neuropixels Opto: Prob Otak yang Akhirnya Mampu Merekam dan Mengawal Neuron Secara Serentak

Kejayaan kejuruteraannya terletak pada cara ia menyampaikan cahaya. Daripada membenamkan sumber cahaya pada cip itu sendiri—yang akan 'memasak' tisu sekeliling—prob ini menggunakan pandu gelombang fotonik bersepadu. Laser luaran menyalurkan cahaya ke dalam pandu gelombang, yang menghalakannya ke bawah bilah ke 28 tapak pelepasan . Reka bentuk ini menghapuskan haba dan hingar elektrik yang menghantui percubaan terdahulu untuk menggabungkan elektronik dan fotonik pada peranti yang sama.

Apa yang terhasil ialah apa yang digelar oleh penciptanya sebagai keupayaan "ganggu-dan-rekod" (perturb-and-record): rangsang satu populasi neuron yang ditakrifkan secara genetik dalam satu lapisan korteks, dan pada masa yang sama rakam kesan riak terhadap ratusan neuron di sekeliling—malah kawasan otak yang jauh .

Penemuan Mengejutkan: Rangsangan Setempat Mempunyai Kesan Tidak Setempat

Ujian sistematik pertama prob ini ke atas tikus, yang dilaporkan dalam kertas Nature Methods, menunjukkan bahawa ia boleh mengaktifkan atau menyenyapkan neuron secara berbeza pada kedalaman korteks yang berbeza . Itu sudah dijangka. Apa yang mengejutkan penyelidik ialah sejauh mana gangguan setempat itu merambat.

Dalam striatum tikus dan struktur otak dalam yang lain, Neuropixels Opto menghasilkan 'optotagging' yang cekap—pengenalpastian jenis sel yang ditakrifkan secara genetik berdasarkan tindak balas pacuan cahaya mereka . Lebih penting lagi, rakaman serentak merentasi 960 tapak mendedahkan bahawa memanipulasi satu lajur kortikal setempat menghasilkan kesan meluas dan tidak setempat pada neuron dan kawasan otak yang jauh .

Memandangkan teknologi terdahulu memaksa penyelidik untuk merangsang dengan satu alat dan merakam dengan alat lain, corak perambatan di peringkat rangkaian ini amat sukar untuk diperhatikan. Neuropixels Opto meruntuhkan pemisahan itu menjadi satu instrumen tunggal, mendedahkan kerumitan sebenar bagaimana satu gangguan setempat merebak melalui otak yang hidup.

Bagaimana Ia Mampu Mengubah Penyelidikan Penyakit

Keupayaan prob ini untuk mencapai struktur otak dalam sambil merakam dan memanipulasi jenis sel tertentu secara serentak menjadikannya alat yang ampuh untuk mengkaji keadaan neurologi dan psikiatri yang pada asasnya adalah gangguan tahap litar.

Penyakit Alzheimer

Hipokampus dan korteks entorinal adalah antara struktur terawal yang terjejas oleh patologi Alzheimer. Bilah panjang Neuropixels Opto boleh mencapai kawasan dalam ini sementara pemancar cahayanya menyasarkan populasi interneuron tertentu yang diketahui terganggu oleh pengumpulan amiloid dan tau . Dengan memanipulasi sel-sel tersebut dan merakam tindak balas rangkaian dalam masa nyata, penyelidik boleh membina model kausal tentang bagaimana patologi merosakkan fungsi litar—bergerak melangkaui korelasi mudah.

Penyakit Parkinson

Penyakit Parkinson dicirikan oleh kehilangan neuron dopamin dalam substantia nigra dan corak tembakan abnormal dalam striatum dan ganglia basal. Neuropixels Opto boleh dimasukkan ke dalam striatum dan struktur dalam yang lain, menyampaikan rangsangan optogenetik yang tepat secara ruang sambil merakam dari ratusan neuron yang mewakili jenis sel dan laluan litar yang berbeza . Ini boleh membantu merungkai jenis sel mana yang mendorong gejala motor dan bagaimana ia berinteraksi apabila isyarat dopamin gagal.

Skizofrenia

Satu hipotesis utama untuk skizofrenia melibatkan interneuron positif-parvalbumin dan peranan mereka dalam menjana ayunan frekuensi-gamma yang menyelaraskan rangkaian kortikal. Neuropixels Opto boleh secara langsung mengaktifkan atau menyenyapkan interneuron berlabel genetik ini sambil merakam dari populasi kortikal yang tersebar, membolehkan ujian kausal terhadap hipotesis bahawa disfungsi interneuron mendasari gejala kognitif dan persepsi gangguan tersebut .

Daripada sekadar mengaitkan aktiviti neural dengan tingkah laku atau patologi, penyelidik kini boleh bertanya—dan menjawab—soalan tentang apa yang sebenarnya disebabkan oleh jenis sel tertentu apabila ia tidak berfungsi. Peralihan dari korelasi kepada kausalitas inilah yang menjadikan Neuropixels Opto satu lonjakan tulen untuk neurosains translasi.