Neuropixels Opto: หัวตรวจสมองที่บันทึกและควบคุมเซลล์ประสาทได้ในเวลาเดียวกัน

เป็นเวลาหลายสิบปีที่นักประสาทวิทยาศาสตร์ต้องเผชิญกับข้อแลกเปลี่ยนที่น่าหงุดหงิด: พวกเขาสามารถบันทึกเสียงพูดคุยทางไฟฟ้าของเซลล์ประสาทหลายร้อยเซลล์พร้อมกัน หรือใช้แสงเพื่อควบคุมเซลล์ที่ถูกติดฉลากทางพันธุกรรม แต่พวกเขาไม่สามารถทำทั้งสองอย่างในวงจรสมองส่วนลึกเดียวกัน ณ เวลาเดียวกันได้อย่างง่ายดาย Neuropixels Opto ซึ่งเป็นหัวตรวจรุ่นต่อไปที่พัฒนาโดยทีมระดับโลกจาก UCL และ Allen Institute และตีพิมพ์ในวารสาร Nature Methods ได้ปิดช่องว่างนั้นลงในที่สุด

ผลลัพธ์คืออุปกรณ์ที่ไม่ได้เพียงแค่เฝ้าดูกิจกรรมของสมอง แต่มันสามารถเขียนมันใหม่ได้ ในขณะที่รับฟังผลที่ตามมาทั่วทั้งเครือข่าย

มากกว่าแค่ขั้วไฟฟ้าบันทึกสัญญาณ: เครื่องมือ "รบกวนและบันทึก"

หัวตรวจ Neuropixels Opto แต่ละอันอัดแน่นไปด้วยจุดบันทึกสัญญาณไฟฟ้า 960 จุด และตัวปล่อยแสง 28 ตัว (14 ตัวสำหรับแสงสีฟ้า, 14 ตัวสำหรับแสงสีแดง) บนแท่งซิลิคอนขนาดเล็กเพียงแท่งเดียวที่กว้าง 70 ไมครอนและยาว 1 ซม. ซึ่งเล็กกว่าเส้นผมของมนุษย์เสียอีก ตารางจุดสัมผัสบันทึกสัญญาณที่หนาแน่นครอบคลุมเนื้อเยื่อสมองเป็นบริเวณกว้างกว่าขั้วไฟฟ้าแบบดั้งเดิมมาก ในขณะที่การส่งมอบแสงสองสีช่วยให้นักวิจัยสามารถกระตุ้นหรือยับยั้งเซลล์ประสาทจำเพาะโดยใช้เทคนิคออปโตเจเนติกส์ (optogenetics) ได้ ณ ตำแหน่งความลึกที่กำหนดได้อย่างแม่นยำ

ความก้าวหน้าทางวิศวกรรมอยู่ที่วิธีการส่งมอบแสง แทนที่จะฝังแหล่งกำเนิดแสงไว้บนชิปโดยตรง ซึ่งจะทำให้เนื้อเยื่อโดยรอบร้อนขึ้น หัวตรวจนี้ใช้ท่อนำคลื่นโฟตอนในตัว แหล่งเลเซอร์ภายนอกจะป้อนแสงเข้าไปในท่อนำคลื่น ซึ่งจะนำแสงลงไปตามแท่งไปยังตำแหน่งปล่อยแสงทั้ง 28 จุด การออกแบบนี้ขจัดปัญหาความร้อนและสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่เป็นอุปสรรคต่อความพยายามในอดีตที่จะรวมอิเล็กทรอนิกส์และโฟตอนิกส์ไว้ในอุปกรณ์เดียวกัน

สิ่งที่เกิดขึ้นคือสิ่งที่ผู้สร้างเรียกว่าความสามารถในการ "รบกวนและบันทึก" (perturb-and-record): กระตุ้นกลุ่มเซลล์ประสาทที่ถูกกำหนดทางพันธุกรรมในชั้นคอร์เทกซ์หนึ่ง และบันทึกผลกระทบแบบลูกโซ่ที่กระจายไปทั่วเซลล์ประสาทข้างเคียงนับร้อยไปพร้อมๆ กัน และแม้แต่ไปยังบริเวณสมองที่อยู่ห่างไกล

การค้นพบที่น่าประหลาดใจ: การกระตุ้นเฉพาะที่มีผลลัพธ์ที่ไม่เฉพาะที่

การทดสอบอย่างเป็นระบบครั้งแรกของหัวตรวจนี้ในหนู ซึ่งรายงานในบทความวารสาร Nature Methods แสดงให้เห็นว่ามันสามารถกระตุ้นหรือยับยั้งเซลล์ประสาทที่ระดับความลึกต่างๆ ของคอร์เทกซ์ได้แตกต่างกัน นั่นเป็นสิ่งที่คาดการณ์ไว้แล้ว สิ่งที่ทำให้นักวิจัยประหลาดใจคือการรบกวนเฉพาะที่นั้นเดินทางไปได้ไกลแค่ไหน

ในสไตรตัมของหนูและโครงสร้างสมองส่วนลึกอื่นๆ Neuropixels Opto ได้ส่งมอบการติดฉลากด้วยแสงที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งก็คือการระบุชนิดของเซลล์ที่ถูกกำหนดทางพันธุกรรมโดยอาศัยการตอบสนองต่อแสงของมัน ที่สำคัญกว่านั้น การบันทึกสัญญาณพร้อมกันทั่วทั้ง 960 จุดเผยให้เห็นว่าการจัดการกับคอลัมน์คอร์เทกซ์เฉพาะที่นั้น ก่อให้เกิดผลกระทบแบบไม่เฉพาะที่อย่างกว้างขวางต่อเซลล์ประสาทที่อยู่ไกลออกไปและบริเวณสมองอื่นๆ

เนื่องจากเทคโนโลยีก่อนหน้านี้บังคับให้นักวิจัยต้องกระตุ้นด้วยเครื่องมือหนึ่งและบันทึกด้วยอีกเครื่องมือหนึ่ง รูปแบบการกระจายสัญญาณระดับเครือข่ายเหล่านี้จึงสังเกตได้ยากมาก Neuropixels Opto ได้ยุบรวมการแยกส่วนนั้นให้เป็นเครื่องมือเดียว เผยให้เห็นความซับซ้อนที่แท้จริงว่าการรบกวนเฉพาะที่นั้นกระจายตัวเป็นลูกระนาดไปทั่วสมองที่มีชีวิตได้อย่างไร

มันจะพลิกโฉมการวิจัยโรคได้อย่างไร

ความสามารถของหัวตรวจในการเข้าถึงโครงสร้างสมองส่วนลึกพร้อมกับบันทึกและจัดการกับชนิดเซลล์ที่จำเพาะไปพร้อมกัน ทำให้มันเป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับการศึกษาโรคทางระบบประสาทและจิตเวช ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นความผิดปกติระดับวงจร

โรคอัลไซเมอร์

ฮิปโปแคมปัสและเอนโทไรนัลคอร์เทกซ์เป็นหนึ่งในโครงสร้างแรกๆ ที่ได้รับผลกระทบจากพยาธิสภาพของโรคอัลไซเมอร์ แท่งที่ยาวของ Neuropixels Opto สามารถเข้าถึงบริเวณส่วนลึกเหล่านี้ได้ ในขณะที่ตัวปล่อยแสงของมันสามารถมุ่งเป้าไปที่ประชากรเซลล์ประสาทอินเตอร์นิวรอน (interneuron) จำเพาะที่ทราบว่าถูกรบกวนจากการสะสมของโปรตีนอะไมลอยด์และเทา การจัดการกับเซลล์เหล่านั้นและบันทึกการตอบสนองของเครือข่ายแบบเรียลไทม์ จะช่วยให้นักวิจัยสามารถสร้างแบบจำลองเชิงสาเหตุว่าพยาธิสภาพนั้นทำลายการทำงานของวงจรได้อย่างไร ซึ่งก้าวไปไกลกว่าการหาความสัมพันธ์แบบง่ายๆ

โรคพาร์กินสัน

โรคพาร์กินสันมีลักษณะเฉพาะคือการสูญเสียเซลล์ประสาทโดพามีนในซับสแตนเทียไนกรา และรูปแบบการส่งสัญญาณที่ผิดปกติในสไตรตัมและปมประสาทฐาน Neuropixels Opto สามารถถูกสอดใส่เข้าไปในสไตรตัมและโครงสร้างส่วนลึกอื่นๆ ส่งมอบการกระตุ้นด้วยแสงที่แม่นยำในเชิงตำแหน่ง ในขณะที่บันทึกสัญญาณจากเซลล์ประสาทนับร้อยที่เป็นตัวแทนของชนิดเซลล์และเส้นทางวงจรที่แตกต่างกัน สิ่งนี้อาจช่วยคลี่คลายได้อย่างชัดเจนว่าชนิดเซลล์ใดกันแน่ที่ขับเคลื่อนอาการทางการเคลื่อนไหว และพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรเมื่อการส่งสัญญาณโดพามีนล้มเหลว

โรคจิตเภท

หนึ่งในสมมติฐานหลักสำหรับโรคจิตเภทพุ่งเป้าไปที่เซลล์ประสาทอินเตอร์นิวรอนที่แสดงออกถึงโปรตีนพาร์วัลบูมิน และบทบาทของมันในการสร้างคลื่นความถี่แกมมาที่ประสานงานเครือข่ายคอร์เทกซ์ Neuropixels Opto สามารถกระตุ้นหรือยับยั้งอินเตอร์นิวรอนที่ติดฉลากทางพันธุกรรมเหล่านี้ได้โดยตรง ในขณะที่บันทึกจากประชากรคอร์เทกซ์ที่กระจายตัวอยู่ ทำให้สามารถทดสอบสมมติฐานที่ว่าความผิดปกติของอินเตอร์นิวรอนเป็นรากฐานของอาการทางปัญญาและการรับรู้ของโรคนั้นได้ในเชิงสาเหตุ

แทนที่จะแค่เพียงหาความสัมพันธ์ระหว่างกิจกรรมประสาทกับพฤติกรรมหรือพยาธิสภาพ ตอนนี้นักวิจัยสามารถถามและตอบคำถามได้ว่า ชนิดเซลล์ที่จำเพาะนั้นก่อให้เกิดอะไรจริงๆ เมื่อพวกมันทำงานผิดปกติ การเปลี่ยนจากการหาความสัมพันธ์ไปสู่การหาเหตุผลเชิงสาเหตุนั้นคือสิ่งที่ทำให้ Neuropixels Opto เป็นก้าวกระโดดที่แท้จริงสำหรับประสาทวิทยาศาสตร์เชิง translational (การนำความรู้จากห้องปฏิบัติการไปประยุกต์ใช้ทางการแพทย์)