Neuropixels Opto: Sonden som äntligen kan spela in och kontrollera hjärnans nervkretsar samtidigt

I årtionden har hjärnforskare tampats med ett frustrerande dilemma: de kunde antingen spela in det elektriska ”sorlet” från hundratals nervceller samtidigt, eller använda ljus för att kontrollera genmodifierade celler – men inte båda sakerna i samma djupa hjärnkrets vid samma tillfälle. Neuropixels Opto, en nästa generations sond utvecklad av ett globalt team vid University College London (UCL) och Allen Institute och publicerad i Nature Methods, överbryggar äntligen denna klyfta .

Resultatet är ett instrument som inte bara observerar hjärnaktivitet – det kan aktivt styra om den, samtidigt som det lyssnar på konsekvenserna i hela nätverket.

Mer än en elektrod: Ett instrument för att ”störa och spela in”

Varje Neuropixels Opto-sond rymmer 960 elektriska inspelningsplatser och 28 ljuskällor (14 för blått ljus, 14 för rött) på ett enda kiselskaft som är 70 µm brett och 1 cm långt – smalare än ett hårstrå . Det täta nätet av inspelningskontakter täcker en mycket större del av hjärnvävnaden än traditionella elektroder, medan leveransen av ljus i två färger gör att forskare kan aktivera eller tysta specifika nervceller med hjälp av optogenetik på exakta, adresserbara djup.

Det tekniska genombrottet ligger i hur ljuset levereras. Istället för att ha en ljuskälla på själva chipet – vilket skulle hetta upp den omgivande vävnaden – använder sonden en integrerad fotonisk vågledare. En extern laser matar in ljus i vågledaren, som sedan styr det längs skaftet till de 28 ljuspunkterna . Denna design eliminerar den värme och det elektriska brus som tidigare omöjliggjorde försök att kombinera elektronik och fotonik på samma komponent.

Det som framträder är vad skaparna kallar en ”perturb-and-record”-förmåga (störa och spela in): stimulera en genetiskt definierad population av nervceller i ett lager av hjärnbarken, och spela samtidigt in ringeffekterna hos hundratals omgivande nervceller – och till och med i avlägsna hjärnregioner .

Den överraskande upptäckten: Lokal stimulering får icke-lokala konsekvenser

De första systematiska testerna av sonden på möss, som rapporteras i Nature Methods-artikeln, visade att den kunde differentierat aktivera eller tysta nervceller på olika djup i hjärnbarken . Detta var förväntat. Det som förvånade forskarna var hur långt dessa lokala störningar färdades.

I musens striatum och andra djupa hjärnstrukturer levererade Neuropixels Opto effektiv ”optotagging” – identifiering av genetiskt definierade celltyper baserat på deras ljusdrivna responser . Ännu viktigare var att den samtidiga inspelningen över 960 platser avslöjade att manipulation av en lokal kolumn i hjärnbarken gav omfattande, icke-lokala effekter på avlägsna nervceller och hjärnregioner .

Eftersom tidigare teknik tvingade forskare att stimulera med ett verktyg och spela in med ett annat, var dessa spridningsmönster på nätverksnivå otroligt svåra att observera. Neuropixels Opto slår ihop dessa två funktioner i ett enda instrument och blottlägger den verkliga komplexiteten i hur en lokal störning sprider sig som ringar på vattnet genom en levande hjärna.

Så kan den förändra forskningen om sjukdomar

Sondens förmåga att nå djupa hjärnstrukturer och samtidigt spela in och manipulera specifika celltyper gör den till ett kraftfullt verktyg för att studera neurologiska och psykiatriska tillstånd som är störningar på kretsnivå.

Alzheimers sjukdom

Hippocampus och entorhinala cortex är bland de första strukturer som drabbas av Alzheimers patologi. Neuropixels Optos långa skaft kan nå dessa djupa regioner medan dess ljuskällor riktar in sig på specifika populationer av interneuroner som man vet störs av ansamlingar av amyloid och tau . Genom att manipulera dessa celler och i realtid spela in nätverkets respons kan forskare bygga kausala modeller för hur patologin bryter ner kretsarnas funktion – ett steg bortom enkel korrelation.

Parkinsons sjukdom

Parkinsons sjukdom kännetecknas av förlust av dopaminneuron i substantia nigra och onormala avfyrningsmönster i striatum och basala ganglierna. Neuropixels Opto kan föras in i striatum och andra djupa strukturer, och leverera rumsligt precis optogenetisk stimulering medan den spelar in från hundratals nervceller som representerar olika celltyper och kretsvägar . Detta kan hjälpa till att reda ut exakt vilka celltyper som driver de motoriska symptomen och hur de samverkar när dopaminsignaleringen sviktar.

Schizofreni

En ledande hypotes för schizofreni pekar ut parvalbumin-positiva interneuron och deras roll i att generera gammafrekventa svängningar som koordinerar kortikala nätverk. Neuropixels Opto kan direkt aktivera eller tysta dessa genetiskt märkta interneuron medan den spelar in från utspridda kortikala populationer, vilket möjliggör kausala tester av hypotesen att dysfunktion hos interneuron ligger bakom sjukdomens kognitiva och perceptuella symptom .

Istället för att bara korrelera neural aktivitet med beteende eller patologi kan forskare nu ställa – och besvara – frågor om vad specifika celltyper faktiskt orsakar när de inte fungerar som de ska. Detta skifte från korrelation till kausalitet är vad som gör Neuropixels Opto till ett genuint språng framåt för translationell neurovetenskap.