Neuropixels Opto: мозговой зонд, который наконец научился одновременно записывать и контролировать нейроны

Инженерный прорыв заключается в способе доставки света. Вместо того чтобы встраивать источник света прямо на чип — что неминуемо нагревало бы окружающие ткани, — зонд использует интегрированный фотонный волновод. Внешний лазер подаёт свет в волновод, который направляет его вдоль пластины к 28 точкам излучения . Такая конструкция устраняет проблему нагрева и электрических шумов, которые преследовали более ранние попытки объединить электронику и фотонику на одном устройстве.

В итоге возникает то, что создатели называют возможностью «возмути и запиши» (perturb-and-record): стимулируйте генетически заданную популяцию нейронов в одном слое коры и одновременно регистрируйте волновой эффект от этого воздействия на сотни окружающих нейронов — и даже на удалённые области мозга .

Неожиданное открытие: локальная стимуляция имеет нелокальные последствия

Первые систематические испытания зонда на мышах, о которых сообщается в статье в Nature Methods, показали, что он может избирательно активировать или подавлять нейроны на разной глубине коры . Это было ожидаемо. Удивительным же для исследователей оказалось то, как далеко распространяются эти локальные возмущения.

В стриатуме мыши и других глубинных структурах мозга Neuropixels Opto обеспечил эффективное оптомаркирование (optotagging) — идентификацию генетически заданных типов клеток по их реакциям на свет . Но более важно то, что одновременная запись с 960 участков показала: манипуляции с локальной кортикальной колонкой вызывают широкомасштабные, нелокальные эффекты в удалённых нейронах и областях мозга .

Поскольку прежние технологии вынуждали исследователей стимулировать одним инструментом, а записывать другим, такие паттерны распространения сигнала на уровне целой сети было чрезвычайно трудно наблюдать. Neuropixels Opto сводит это разделение в единый прибор, обнажая истинную сложность того, как локальное возмущение каскадом расходится по живому мозгу.

Как это может преобразить исследования болезней

Способность зонда достигать глубинных структур мозга, одновременно записывая активность и манипулируя конкретными типами клеток, делает его мощным инструментом для изучения неврологических и психиатрических заболеваний, которые по своей сути являются расстройствами нейронных цепей.

Болезнь Альцгеймера

Гиппокамп и энторинальная кора — одни из первых структур, поражаемых патологией при болезни Альцгеймера. Длинная пластина Neuropixels Opto может достигать этих глубоких областей, в то время как его излучатели воздействуют на конкретные популяции интернейронов, которые, как известно, страдают от накопления амилоида и тау-белка . Манипулируя этими клетками и записывая реакцию сети в реальном времени, учёные могут строить причинно-следственные модели того, как патология разрушает функции нейронных цепей, — выходя за рамки простых корреляций.

Болезнь Паркинсона

Болезнь Паркинсона характеризуется потерей дофаминовых нейронов в чёрной субстанции и аномальными паттернами возбуждения в стриатуме и базальных ганглиях. Neuropixels Opto можно ввести в стриатум и другие глубокие структуры, обеспечивая пространственно точную оптогенетическую стимуляцию и одновременно записывая активность сотен нейронов, представляющих разные типы клеток и проводящие пути . Это поможет распутать, какие именно типы клеток вызывают двигательные симптомы и как они взаимодействуют при нарушении дофаминовой сигнализации.

Шизофрения

Одна из ведущих гипотез о природе шизофрении указывает на интернейроны, содержащие белок парвальбумин, и их роль в генерации гамма-колебаний, координирующих работу корковых сетей. Neuropixels Opto может напрямую активировать или подавлять эти генетически помеченные интернейроны, одновременно записывая активность распределённых корковых популяций. Это позволяет проводить причинно-следственные тесты гипотезы о том, что дисфункция интернейронов лежит в основе когнитивных и сенсорных нарушений, характерных для этого расстройства .

Теперь учёные могут не просто сопоставлять нейронную активность с поведением или патологией, но и задавать — и получать — ответы на вопросы о том, к чему на самом деле приводят сбои в работе конкретных типов клеток. Этот переход от корреляции к причинности и делает Neuropixels Opto подлинным прорывом для трансляционной нейронауки.