Neuropixels Opto: Hjernesonden som endelig kan avlytte og styre nerveceller samtidig

Det tekniske gjennombruddet ligger i måten lyset leveres på. I stedet for å legge en lyskilde på selve brikken – noe som ville ha kokt det omkringliggende vevet – bruker sonden en integrert fotonisk bølgeleder. En ekstern laser mater lys inn i bølgelederen, som dirigerer det ned langs staven til de 28 utstrålingspunktene . Dette designet eliminerer varmen og den elektriske støyen som tidligere førte til at forsøk på å kombinere elektronikk og fotonikk på én enhet strandet.

Det som oppstår, er det skaperne kaller en «forstyrre-og-registrere»-kapasitet: Du kan stimulere en genetisk definert populasjon av nerveceller i ett lag av hjernebarken, og samtidig registrere ringvirkningene i hundretalls omkringliggende nevroner – og til og med i fjerntliggende hjerneområder .

Den overraskende oppdagelsen: Lokal stimulering har vidtrekkende konsekvenser

Sondens første systematiske tester i mus, rapportert i Nature Methods-artikkelen, viste at den kunne aktivere eller dempe nerveceller selektivt på ulike dyp i hjernebarken . Det var forventet. Det som overrasket forskerne, var hvor langt disse lokale forstyrrelsene forplantet seg.

I musenes striatum og andre dype hjernestrukturer muliggjorde Neuropixels Opto effektiv «optotagging» – en metode for å identifisere genetisk definerte celletyper basert på deres lysdrevne responser . Enda viktigere var det at de samtidige opptakene fra 960 punkter avslørte at manipulering av en lokal søyle i hjernebarken skapte utbredte, ikke-lokale effekter på fjerne nevroner og hjerneområder .

Fordi tidligere teknologier tvang forskere til å stimulere med ett verktøy og registrere med et annet, var disse forplantningsmønstrene på nettverksnivå ekstremt vanskelige å observere. Neuropixels Opto fjerner dette skillet med ett enkelt instrument, og blottlegger den sanne kompleksiteten i hvordan en lokal forstyrrelse brer seg gjennom en levende hjerne.

Slik kan det endre sykdomsforskning

Sondens evne til å nå dype hjernestrukturer og samtidig registrere og manipulere spesifikke celletyper gjør den til et potent verktøy for å studere nevrologiske og psykiatriske tilstander som grunnleggende sett er kretsløpssykdommer.

Alzheimers sykdom

Hippocampus og entorhinal cortex er blant de tidligste strukturene som rammes av Alzheimers-patologi. Neuropixels Optos lange stav kan nå disse dype regionene, mens lysdiodene kan rettes mot spesifikke populasjoner av interneuroner som man vet blir forstyrret av opphopning av amyloid og tau . Ved å manipulere disse cellene og registrere nettverkets respons i sanntid kan forskere bygge årsaksmodeller for hvordan patologi ødelegger kretsløpsfunksjon – og bevege seg forbi enkel korrelasjon.

Parkinsons sykdom

Parkinsons er preget av tap av dopaminnevroner i substantia nigra og unormale avfyringsmønstre i striatum og basalgangliene. Neuropixels Opto kan implanteres i striatum og andre dype strukturer, der den kan gi romlig presis optogenetisk stimulering mens den tar opptak fra hundrevis av nevroner som representerer ulike celletyper og kretsbaner . Dette kan bidra til å avdekke nøyaktig hvilke celletyper som driver de motoriske symptomene, og hvordan de samhandler når dopaminsignaleringen svikter.

Schizofreni

En ledende hypotese for schizofreni peker på parvalbumin-positive interneuroner og deres rolle i å generere gammafrekvente oscillasjoner som koordinerer kretser i hjernebarken. Neuropixels Opto kan direkte aktivere eller dempe disse genetisk merkede interneuronene mens den tar opptak fra distribuerte populasjoner i hjernebarken, noe som muliggjør årsakstester av hypotesen om at internvurondysfunksjon ligger til grunn for lidelsens kognitive og perseptuelle symptomer .

I stedet for bare å korrelere nevral aktivitet med atferd eller patologi, kan forskere nå stille – og svare på – spørsmål om hva spesifikke celletyper faktisk forårsaker når de svikter. Dette skiftet fra korrelasjon til kausalitet er det som gjør Neuropixels Opto til et genuint sprang fremover for translasjonell nevrovitenskap.