Neuropixels Opto: Cuộc cách mạng ghi và điều khiển mạch não sâu cùng lúc

Đột phá kỹ thuật nằm ở cách nó truyền ánh sáng. Thay vì gắn một nguồn sáng trực tiếp lên chip – việc này sẽ 'nấu chín' mô xung quanh – đầu dò sử dụng một ống dẫn sóng quang tử tích hợp. Một tia laser bên ngoài đưa ánh sáng vào ống dẫn sóng, thứ sẽ định tuyến nó dọc theo phiến đến 28 điểm phát . Thiết kế này loại bỏ hoàn toàn nhiễu nhiệt và nhiễu điện từng cản trở những nỗ lực trước đây nhằm kết hợp mạch điện tử và quang tử trên cùng một thiết bị.

Thứ xuất hiện được những người tạo ra nó gọi là năng lực "kích nhiễu và ghi nhận": kích thích một quần thể nơ-ron đã được định danh di truyền ở một lớp vỏ não, và đồng thời ghi lại những hiệu ứng lan truyền qua hàng trăm nơ-ron xung quanh – thậm chí ở các vùng não xa xôi khác .

Phát hiện bất ngờ: Kích thích cục bộ gây ra hệ quả phi cục bộ

Những thử nghiệm có hệ thống đầu tiên trên chuột, được báo cáo trong bài báo Nature Methods, đã chứng minh rằng đầu dò có thể kích hoạt hoặc ức chế một cách khác biệt các nơ-ron tại các độ sâu vỏ não riêng biệt . Điều này đã được dự đoán trước. Nhưng thứ khiến các nhà nghiên cứu ngạc nhiên là những nhiễu loạn cục bộ đó đã lan truyền xa đến mức nào.

Ở thể vân (striatum) của chuột và các cấu trúc não sâu khác, Neuropixels Opto đã thực hiện việc gắn thẻ quang học (optotagging) một cách hiệu quả – quá trình nhận diện các loại tế bào được định danh di truyền dựa trên phản ứng điều khiển bằng ánh sáng của chúng . Quan trọng hơn, việc ghi nhận đồng thời trên 960 vị trí đã tiết lộ rằng việc điều khiển một cột vỏ não cục bộ tạo ra những hiệu ứng phi cục bộ, lan rộng đến các nơ-ron ở xa và các vùng não khác .

Do các công nghệ trước đây buộc các nhà nghiên cứu phải kích thích bằng một công cụ và ghi nhận bằng một công cụ khác, những mô hình lan truyền ở cấp độ mạng lưới này là cực kỳ khó quan sát. Neuropixels Opto đã thu gọn sự tách biệt đó vào một thiết bị duy nhất, phơi bày sự phức tạp thực sự về cách một nhiễu loạn cục bộ lan truyền theo tầng trong bộ não sống.

Cách nó có thể thay đổi nghiên cứu bệnh tật

Khả năng chạm tới các cấu trúc não sâu trong khi đồng thời ghi nhận và điều khiển các loại tế bào cụ thể khiến nó trở thành một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu các tình trạng thần kinh và tâm thần, những thứ cơ bản là rối loạn cấp độ mạch.

Bệnh Alzheimer

Hồi hải mã (hippocampus) và vỏ não nội khứu (entorhinal cortex) là một trong những cấu trúc sớm nhất bị ảnh hưởng bởi bệnh lý Alzheimer. Phiến dài của Neuropixels Opto có thể chạm tới những vùng sâu này trong khi các bộ phát sáng của nó nhắm vào những quần thể nơ-ron trung gian cụ thể, vốn được biết là bị phá vỡ bởi sự tích tụ của protein amyloid và tau . Bằng cách điều khiển các tế bào đó và ghi lại phản ứng của mạng lưới trong thời gian thực, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng các mô hình nhân quả về cách bệnh lý làm suy thoái chức năng mạch – vượt xa khỏi mối tương quan đơn thuần.

Bệnh Parkinson

Parkinson được đặc trưng bởi sự mất đi các nơ-ron dopamine ở liềm đen (substantia nigra) và các mô hình kích hoạt bất thường ở thể vân và hạch nền. Neuropixels Opto có thể được cắm vào thể vân và các cấu trúc sâu khác, cung cấp kích thích quang học chính xác về không gian trong khi ghi lại từ hàng trăm nơ-ron đại diện cho các loại tế bào và đường dẫn mạch khác nhau . Điều này có thể giúp gỡ rối chính xác loại tế bào nào điều khiển các triệu chứng vận động và cách chúng tương tác khi tín hiệu dopamine suy yếu.

Bệnh tâm thần phân liệt

Một giả thuyết hàng đầu về tâm thần phân liệt liên quan đến các nơ-ron trung gian dương tính với parvalbumin và vai trò của chúng trong việc tạo ra các dao động tần số gamma, thứ giúp phối hợp các mạng lưới vỏ não. Neuropixels Opto có thể trực tiếp kích hoạt hoặc làm câm lặng các nơ-ron trung gian đã được gắn nhãn di truyền này trong khi ghi nhận từ các quần thể vỏ não phân tán, cho phép các thử nghiệm nhân quả đối với giả thuyết rằng rối loạn chức năng nơ-ron trung gian là nền tảng cho các triệu chứng nhận thức và tri giác của chứng rối loạn này .

Thay vì chỉ đơn giản là tương quan hoạt động thần kinh với hành vi hay bệnh lý, các nhà nghiên cứu giờ đây có thể hỏi – và trả lời – những câu hỏi về việc các loại tế bào cụ thể thực sự gây ra điều gì khi chúng hoạt động sai chức năng. Sự chuyển đổi từ tương quan sang nhân quả đó là điều khiến Neuropixels Opto trở thành một bước nhảy vọt thực sự cho khoa học thần kinh chuyển dịch.