Neuropixels Opto: de sonde die hersencircuits kan lezen én herschrijven

De technische doorbraak zit in de manier waarop het licht wordt afgeleverd. In plaats van een lampje op de chip te lijmen – wat het omringende weefsel zou laten koken – gebruikt de sonde een ingebouwde fotonische golfgeleider. Een externe laser voert licht in de golfgeleider, die het vervolgens via de schacht naar de 28 emissiepunten stuurt . Dit ontwerp omzeilt zowel de hitte als de elektrische ruis waar eerdere pogingen om chips met elektronica én fotonica te bouwen op stukliepen.

Wat ontstaat is wat de makers een ‘verstoor-en-registreer’-aanpak noemen: stimuleer een genetisch gedefinieerde groep neuronen in één schorslaag, en leg tegelijk de rimpeling vast die door honderden omliggende neuronen – en zelfs verre hersengebieden – trekt .

De verrassende ontdekking: lokale prikkels hebben vérstrekkende gevolgen

De eerste systematische tests bij muizen, beschreven in Nature Methods, toonden aan dat de sonde vlot neuronen kon activeren of dempen op verschillende schorsdieptes – dat was verwacht . Wat de onderzoekers werkelijk verbaasde, was hoe ver die lokale prikkels doorwerkten.

In het striatum (een diepe hersenkern) en andere diep gelegen structuren leverde Neuropixels Opto efficiënte optotagging op: de identificatie van genetisch bepaalde celtypen op basis van hun lichtreactie . Nog sprekender: de gelijktijdige opname over 960 punten onthulde dat het manipuleren van een lokale schorskolom wijdverspreide, niet-lokale effecten sorteerde op ver verwijderde neuronen en hersengebieden .

Omdat eerdere technologieën onderzoekers dwongen om met één instrument te stimuleren en met een ander te meten, waren deze netwerkbrede propagatiepatronen vrijwel niet te observeren. Neuropixels Opto vouwt die twee werelden in één instrument samen en legt zo de ware complexiteit bloot waarmee een lokale verstoring door een levend brein golft.

Hoe dit het ziekteonderzoek kan veranderen

Juist doordat de sonde diepe hersenstructuren kan bereiken en daar tegelijk specifieke celtypen kan besturen en registreren, wordt ze een krachtig wapen tegen neurologische en psychiatrische aandoeningen die draaien om falende hersencircuits.

Ziekte van Alzheimer

De hippocampus en de entorinale schors behoren tot de eerste structuren die door alzheimerpathologie worden aangetast. De extra lange schacht van Neuropixels Opto bereikt deze diepe gebieden zonder moeite, terwijl de lichtbronnen heel precies die typen schakelneuronen kunnen aansturen waarvan bekend is dat ze ontregeld raken door ophoping van amyloid en tau-eiwitten . Door die cellen te besturen en tegelijk te zien hoe het netwerk reageert, kunnen onderzoekers causale modellen bouwen van hoe de pathologie het circuit sloopt – in plaats van louter correlaties te blijven verzamelen.

Ziekte van Parkinson

Parkinson kenmerkt zich door verlies van dopaminecellen in de substantia nigra en abnormale vuurpatronen in het striatum en de basale ganglia. Neuropixels Opto kan in het striatum en andere diepe kernen worden ingebracht om daar ruimtelijk uiterst precieze optogenetische stimulatie te combineren met opnames van honderden neuronen die tot verschillende celtypen en circuitpaden behoren . Dat kan helpen ontwarren welke celtypen precies de motorische symptomen aansturen en hoe ze op elkaar reageren wanneer de dopamineaanvoer hapert.

Schizofrenie

Een belangrijke hypothese over schizofrenie wijst naar parvalbumine-positieve schakelneuronen en hun rol bij het opwekken van gamma-oscillaties, die essentieel zijn om schorsnetwerken te coördineren. Neuropixels Opto kan deze genetisch gemerkte schakelneuronen rechtstreeks activeren of stilleggen terwijl ze de activiteit in uitgestrekte schorspopulaties registreert – en levert zo causale tests voor de hypothese dat falende schakelneuronen aan de basis liggen van de cognitieve en perceptuele symptomen van de aandoening .

In plaats van hersenactiviteit louter met gedrag of pathologie te correleren, kunnen wetenschappers nu écht vragen stellen – en beantwoorden – over wat specifieke celtypen aanrichten wanneer ze disfunctioneren. Die verschuiving van samenhang naar oorzakelijkheid maakt van Neuropixels Opto meer dan een knappe gadget: het is een sprong voorwaarts voor de translationele neurowetenschap.