Neuropixels Opto: Мозковий зонд, який нарешті може одночасно записувати та контролювати нейрони

Інженерний прорив полягає в способі доставки світла. Замість того, щоб вбудовувати джерело світла на сам чип, що призвело б до нагрівання навколишніх тканин, зонд використовує інтегрований фотонний хвилевід. Зовнішній лазер подає світло у хвилевід, який спрямовує його вниз по стрижню до 28 точок випромінювання . Така конструкція усуває проблеми з нагріванням та електричним шумом, які заважали попереднім спробам поєднати електроніку та фотонику на одному пристрої.

У результаті виникає те, що творці називають можливістю «збурюй і записуй»: стимулюйте генетично визначену популяцію нейронів в одному шарі кори, і водночас записуйте хвильові ефекти в сотнях навколишніх нейронів — і навіть у віддалених ділянках мозку .

Несподіване відкриття: локальна стимуляція має нелокальні наслідки

Перші систематичні випробування зонда на мишах, описані в статті Nature Methods, продемонстрували, що він може вибірково активувати або пригнічувати нейрони на різних глибинах кори . Це було очікувано. А от що здивувало дослідників, так це те, як далеко поширювалися ці локальні збурення.

У смугастому тілі мишей та інших глибоких структурах мозку Neuropixels Opto забезпечив ефективне оптомічення — ідентифікацію генетично визначених типів клітин на основі їхньої реакції на світло . Важливіше те, що одночасний запис на 960 контактах показав: маніпуляції з локальною кортикальною колонкою спричиняли значні нелокальні ефекти на віддалених нейронах та ділянках мозку .

Попередні технології змушували дослідників стимулювати одним інструментом, а записувати іншим, тому ці мережеві закономірності поширення було надзвичайно важко спостерігати. Neuropixels Opto поєднує це все в одному пристрої, оголюючи справжню складність того, як локальне збурення каскадом поширюється живим мозком.

Як це може змінити дослідження хвороб

Здатність зонда досягати глибоких структур мозку, одночасно записуючи та маніпулюючи конкретними типами клітин, робить його потужним інструментом для вивчення неврологічних і психіатричних розладів, які за своєю суттю є порушеннями на рівні нейронних мереж.

Хвороба Альцгеймера

Гіпокамп та енторинальна кора — одні з перших структур, які вражає патологія Альцгеймера. Довгий стрижень Neuropixels Opto може досягати цих глибоких ділянок, тоді як його випромінювачі світла можуть бути націлені на конкретні популяції інтернейронів, робота яких, як відомо, порушується через накопичення амілоїду та тау-білка . Маніпулюючи цими клітинами та записуючи реакцію мережі в реальному часі, дослідники можуть будувати причинно-наслідкові моделі того, як патологія руйнує функції мозкових мереж — виходячи за рамки простої кореляції.

Хвороба Паркінсона

Хвороба Паркінсона характеризується втратою дофамінових нейронів у чорній субстанції та аномальними патернами активності в смугастому тілі та базальних гангліях. Neuropixels Opto можна ввести в смугасте тіло та інші глибокі структури, забезпечуючи просторово точну оптогенетичну стимуляцію, одночасно записуючи сотні нейронів різних типів і шляхів . Це допоможе розплутати, які саме типи клітин спричиняють рухові симптоми і як вони взаємодіють, коли дофамінова сигналізація дає збій.

Шизофренія

Одна з провідних гіпотез шизофренії пов'язує її з інтернейронами, що експресують парвальбумін, та їхньою роллю у генерації гамма-ритмів, які координують роботу кортикальних мереж. Neuropixels Opto може безпосередньо активувати або пригнічувати ці генетично помічені інтернейрони, записуючи активність розподілених кортикальних популяцій, що дає змогу причинно перевірити гіпотезу про те, що дисфункція інтернейронів лежить в основі когнітивних та перцептивних симптомів розладу .

Замість того, щоб просто корелювати нейронну активність із поведінкою чи патологією, дослідники тепер можуть ставити — і знаходити відповіді — на запитання про те, що спричиняє збій у роботі конкретних типів клітин. Цей перехід від кореляції до причинності робить Neuropixels Opto справжнім стрибком для трансляційної нейронауки.