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 .
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.
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.
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.
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.
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.
Comments
0 comments