Neuropixels Opto: Beynin Derinliklerindeki Nöronları Eş Zamanlı Kaydedip Kontrol Edebilen İlk Beyin Sondası

Buradaki mühendislik başarısı, ışığı iletme biçiminde yatıyor. Çipin üzerine bir ışık kaynağı gömmek—ki bu çevre dokuyu ısıtarak pişirirdi—yerine, sonda entegre bir fotonik dalga kılavuzu kullanıyor. Harici bir lazer, ışığı bu dalga kılavuzuna besliyor, o da ışığı şaft boyunca 28 yayıcı bölgeye yönlendiriyor . Bu tasarım, elektronik ve fotonik devreleri aynı cihazda birleştirmeye yönelik önceki girişimlerin önüne geçen ısı ve elektriksel gürültü sorunlarını ortadan kaldırıyor.

Yaratıcılarının "perturb-and-record" (müdahale et ve kaydet) olarak adlandırdığı bir yetenek ortaya çıkıyor: Bir kortikal katmandaki genetik olarak tanımlanmış nöron popülasyonunu uyarın ve aynı anda çevredeki yüzlerce nöron—ve hatta uzak beyin bölgeleri—üzerindeki dalgalanma etkilerini kaydedin .

Şaşırtıcı Bulgu: Yerel Uyarımın Yerel Olmayan Sonuçları Var

Sondanın fareler üzerinde yapılan ve Nature Methods makalesinde rapor edilen ilk sistematik testleri, cihazın farklı kortikal derinliklerdeki nöronları seçici olarak aktive edebildiğini veya susturabildiğini gösterdi . Bu beklenen bir şeydi. Araştırmacıları şaşırtan ise bu yerel müdahalelerin ne kadar uzağa yayıldığı oldu.

Fare striatumu ve diğer derin beyin yapılarında Neuropixels Opto, ışığa dayalı tepkilerine göre genetik olarak tanımlanmış hücre tiplerinin belirlenmesi anlamına gelen verimli bir optotagging (optik etiketleme) sağladı . Daha da önemlisi, 960 bölge boyunca eş zamanlı kayıt, yerel bir kortikal kolonu manipüle etmenin, uzak nöronlar ve beyin bölgeleri üzerinde geniş çaplı, yerel olmayan etkiler yarattığını ortaya çıkardı .

Önceki teknolojiler, araştırmacıları bir aletle uyarıp başka bir aletle kaydetmeye zorladığı için, bu ağ-seviyesindeki yayılma modellerini gözlemlemek inanılmaz derecede zordu. Neuropixels Opto, bu ayrımı tek bir enstrümanda birleştirerek, yerel bir müdahalenin canlı bir beyinde nasıl bir zincirleme reaksiyon başlattığının gerçek karmaşıklığını açığa çıkarıyor.

Hastalık Araştırmalarını Nasıl Dönüştürebilir?

Sondanın, belirli hücre tiplerini eş zamanlı olarak kaydedip manipüle ederken derin beyin yapılarına ulaşabilme yeteneği, onu, temelde devre seviyesinde bozukluklar olan nörolojik ve psikiyatrik durumları incelemek için güçlü bir araç haline getiriyor.

Alzheimer Hastalığı

Hipokampus ve entorhinal korteks, Alzheimer patolojisinden en erken etkilenen yapılar arasındadır. Neuropixels Opto'nun uzun şaftı bu derin bölgelere ulaşabilirken, ışık yayıcıları amiloid ve tau birikimi tarafından işlevi bozulduğu bilinen belirli ara nöron popülasyonlarını hedefleyebilir . Bu hücreleri manipüle ederek ve ağın tepkisini gerçek zamanlı olarak kaydederek, araştırmacılar patolojinin devre fonksiyonunu nasıl bozduğuna dair nedensel modeller inşa edebilir—basit korelasyonun ötesine geçebilirler.

Parkinson Hastalığı

Parkinson, substantia nigra'daki dopamin nöronlarının kaybı ve striatum ile bazal gangliyonlardaki anormal ateşleme modelleri ile karakterize edilir. Neuropixels Opto, striatum ve diğer derin yapılara yerleştirilebilir; mekânsal olarak hassas optogenetik uyarım sağlarken, farklı hücre tiplerini ve devre yollarını temsil eden yüzlerce nörondan kayıt alabilir . Bu, dopamin sinyali başarısız olduğunda motor semptomlarına tam olarak hangi hücre tiplerinin yol açtığını ve bunların nasıl etkileşime girdiğini çözmemize yardımcı olabilir.

Şizofreni

Şizofreni için önde gelen hipotezlerden biri, parvalbumin-pozitif ara nöronları ve bunların kortikal ağları koordine eden gama-frekans salınımlarını üretmedeki rollerini işaret eder. Neuropixels Opto, genetik olarak işaretlenmiş bu ara nöronları doğrudan aktive edip veya sustururken, dağıtılmış kortikal popülasyonlardan kayıt alabilir; böylece ara nöron işlev bozukluğunun, bozukluğun bilişsel ve algısal semptomlarının altında yattığı hipotezinin nedensel testlerini mümkün kılar .

Araştırmacılar artık sadece sinirsel aktivite ile davranış veya patoloji arasında korelasyon kurmak yerine, belirli hücre tiplerinin arızalandıklarında gerçekte neye sebep olduklarına dair sorular sorup cevaplayabilirler. Korelasyondan nedenselliğe bu geçiş, Neuropixels Opto'yu dönüşümsel sinirbilim için gerçek bir sıçrama tahtası haline getiriyor.