Sonda mózgowa Neuropixels Opto: Przełom, który jednocześnie podsłuchuje i steruje neuronami

Efektem jest urządzenie, które nie tylko obserwuje aktywność mózgu – ono aktywnie ją przepisuje, nasłuchując jednocześnie konsekwencji w całej sieci neuronowej.

Więcej niż elektroda: Instrument do „zakłócania i nagrywania”

Każda sonda Neuropixels Opto mieści na pojedynczym krzemowym trzonku aż 960 elektrycznych punktów rejestrujących i 28 emiterów światła (14 dla światła niebieskiego, 14 dla czerwonego). Trzonek ma zaledwie 70 µm szerokości i 1 cm długości – jest węższy niż ludzki włos . Gęsta siatka kontaktów obejmuje znacznie większy obszar tkanki mózgowej niż tradycyjne elektrody, a dwukolorowe dostarczanie światła pozwala badaczom aktywować lub wyciszać konkretne neurony za pomocą optogenetyki na precyzyjnie adresowanych głębokościach.

Kluczowym przełomem inżynieryjnym jest sposób dostarczania światła. Zamiast umieszczać źródło światła na samym chipie – co groziłoby przegrzaniem otaczającej tkanki – sonda wykorzystuje zintegrowany fotoniczny falowód (ang. photonic waveguide). Zewnętrzny laser podaje światło do falowodu, który kieruje je wzdłuż trzonka do 28 punktów emisji . Ta konstrukcja eliminuje ciepło i szum elektryczny, które nękały wcześniejsze próby połączenia elektroniki z fotoniką w jednym urządzeniu.

Tak powstaje coś, co jej twórcy nazywają zdolnością do „zakłócania i nagrywania” (ang. perturb-and-record): stymulujesz genetycznie zdefiniowaną populację neuronów w jednej warstwie kory, a jednocześnie rejestrujesz efekty domina w setkach otaczających neuronów – a nawet w odległych obszarach mózgu .

Zaskakujące odkrycie: Lokalna stymulacja ma nielokalne konsekwencje

Pierwsze systematyczne testy sondy na myszach, opisane w Nature Methods, wykazały, że potrafi ona selektywnie aktywować lub wyciszać neurony na różnych głębokościach kory mózgowej . To było do przewidzenia. Tym, co zaskoczyło badaczy, było to, jak daleko sięgają skutki tych lokalnych zaburzeń.

W prążkowiu (łac. striatum) myszy i innych głębokich strukturach mózgu, Neuropixels Opto umożliwił wydajne optotagowanie – identyfikację genetycznie zdefiniowanych typów komórek na podstawie ich odpowiedzi na światło . Co ważniejsze, równoczesna rejestracja z 960 punktów ujawniła, że manipulowanie lokalną kolumną korową wywołuje rozległe, nielokalne efekty w odległych neuronach i rejonach mózgu .

Ponieważ wcześniejsze technologie zmuszały badaczy do stymulacji jednym narzędziem, a rejestracji drugim, te sieciowe wzorce propagacji były niezwykle trudne do zaobserwowania. Neuropixels Opto znosi ten podział w jednym instrumencie, odsłaniając prawdziwą złożoność tego, jak lokalne zakłócenie rozchodzi się kaskadowo przez żyjący mózg.

Jak sonda może zmienić badania nad chorobami

Zdolność sondy do sięgania do głębokich struktur mózgu przy jednoczesnym rejestrowaniu i manipulowaniu konkretnymi typami komórek czyni z niej potężne narzędzie do badania schorzeń neurologicznych i psychiatrycznych, które są zaburzeniami na poziomie całych obwodów.

Choroba Alzheimera

Hipokamp i kora śródwęchowa należą do struktur najwcześniej dotkniętych patologią Alzheimera. Długi trzonek Neuropixels Opto może dosięgnąć tych głębokich rejonów, podczas gdy emitery światła celują w konkretne populacje interneuronów, o których wiadomo, że są zaburzane przez akumulację białek amyloidu i tau . Manipulując tymi komórkami i nagrywając odpowiedź sieci w czasie rzeczywistym, badacze mogą tworzyć modele przyczynowe pokazujące, jak patologia degraduje funkcje obwodów – wykraczając daleko poza zwykłą korelację.

Choroba Parkinsona

Parkinson charakteryzuje się utratą neuronów dopaminergicznych w istocie czarnej i nieprawidłowymi wzorcami aktywności w prążkowiu i jądrach podstawy. Neuropixels Opto może zostać wprowadzony do prążkowia i innych głębokich struktur, dostarczając przestrzennie precyzyjną stymulację optogenetyczną przy jednoczesnej rejestracji z setek neuronów reprezentujących różne typy komórek i szlaki obwodów . Może to pomóc w rozplątaniu, które dokładnie typy komórek napędzają objawy motoryczne i jak oddziałują one na siebie, gdy sygnalizacja dopaminowa zawodzi.

Schizofrenia

Jedna z wiodących hipotez dotyczących schizofrenii wskazuje na interneurony zawierające parwalbuminę i ich rolę w generowaniu oscylacji o częstotliwości gamma, które koordynują sieci korowe. Neuropixels Opto może bezpośrednio aktywować lub wyciszać te genetycznie oznaczone interneurony, jednocześnie nagrywając z rozproszonych populacji korowych. To umożliwia przyczynowe testy hipotezy, że dysfunkcja interneuronów leży u podstaw objawów poznawczych i percepcyjnych tego zaburzenia .

Zamiast po prostu korelować aktywność neuronalną z zachowaniem lub patologią, badacze mogą teraz pytać – i odpowiadać – na pytania o to, co konkretne typy komórek faktycznie powodują, gdy działają nieprawidłowo. To przejście od korelacji do przyczynowości jest tym, co czyni Neuropixels Opto prawdziwym skokiem naprzód dla neuronauki translacyjnej.