Les dernières sondes Neuropixels peuvent surveiller des neurones pendant plusieurs semaines

La sonde Neuropixels 2.0 (en bas) est plus petite que la première génération (en haut) et peut surveiller l'activité neuronale pendant plusieurs semaines.

Les nouveaux outils s'appuient sur le succès des sondes Neuropixels originales, présentées en 2017 et actuellement utilisées dans plus de 400 laboratoires. Neuropixels 2.0 sont beaucoup plus petites - environ un tiers de la taille de leur prédécesseur. Elles ont été conçues pour enregistrer l'activité électrique de plus de neurones individuels et possèdent la capacité unique de suivre cette activité sur de plus longues périodes. Cela les rend particulièrement utiles pour l'étude de phénomènes à long terme tels que l'apprentissage et la mémoire chez de petits animaux comme les souris, explique Tim Harris, Senior Fellow au Janelia Research Campus de l'HHMI, qui a dirigé le projet. Harris et ses collègues décrivent ces avancées dans un article publié en ligne le 16 avril dans la revue Science.

Les progrès de Neuropixels 2.0 reposent sur plusieurs innovations clés, explique Harris. Les scientifiques et ingénieurs de Janelia ont développé de nouvelles méthodes pour traiter les données. Grâce à des modifications astucieuses de la disposition des sondes, celles-ci ont été optimisées pour certaines tâches. Et les ingénieurs d'imec, le centre de recherche en nanoélectronique à but non lucratif, qui fabrique les sondes, ont utilisé la technologie propriétaire d'imec pour concevoir, développer et fabriquer la sonde.

"Cette plateforme unique nous a permis de développer une petite sonde avec une densité de points de mesure élevée et une stabilité à long terme", décrit Barun Dutta, scientifique en chef chez imec.

Suivre la même neurone sur une période prolongée a toujours été un défi, explique Harris, car le cerveau se déplace légèrement lorsque les animaux bougent. Chaque sonde Neuropixels comporte plusieurs points de mesure - des points qui enregistrent les signaux neuronaux. La dernière version en comporte davantage, et ils sont placés plus près les uns des autres. Comme pour la position de nombreux microphones dans une pièce bondée, cette modification de conception augmente la probabilité qu’un neurone, qui se déplace hors de portée d’un point d’enregistrement, soit toujours capté par un point voisin. Anna Lebedeva, étudiante dans le laboratoire de Matteo Carandini au University College London, a recueilli des données montrant cet effet. Et le chef du groupe Janelia, Marius Pachitariu, a développé un logiciel pour suivre ces neurones.

Alors que les sondes Neuropixels originales ne comportaient qu’un petit morceau de métal pénétrant dans le cerveau, la nouvelle version en possède quatre. Cela signifie que les points d’enregistrement sont répartis sur une zone plus large, permettant une collecte plus efficace dans de nombreuses régions cérébrales importantes, notamment dans les couches fines du cerveau.

Dans des expériences menées sur des souris, l’équipe a découvert qu’avec deux sondes, ils pouvaient capter des signaux électriques de plus de 6 000 sites différents, indique le premier auteur Nick Steinmetz, chercheur à UCL et à l’Université de Washington.

Des prototypes de la dernière version sont actuellement testés par des neuroscientifiques dans des laboratoires du monde entier, qui les optimisent et les affinent en fonction de leur expérience utilisateur. Harris et ses collègues espèrent que le produit sera disponible pour une large diffusion d’ici 2022.

Le consortium Neuropixels 2.0 est dirigé par Tim Harris au Janelia Research Campus de l’Institut médical Howard Hughes et comprend des fonds et des chercheurs de l’Université College London (UCL), de l’Université norvégienne de sciences et technologie (NTNU) à Trondheim, en Norvège, de Neuroelectronics Research Flanders (NERF) à Louvain, en Belgique, et du Centre Champalimaud pour l’Inconnu à Lisbonne, Portugal.

Citation :

Nicholas A. Steinmetz, Cagatay Aydin, Anna Lebedeva, Michael Okun, Marius Pachitariu, Marius Bauza, Maxime Beau, Jai Bhagat, Claudia Böhm, Martijn Broux, Susu Chen, Jennifer Colonell, Richard J. Gardner, Bill Karsh, Fabian Kloosterman, Dimitar Kostadinov, Carolina Mora-Lopez, John O’Callaghan, Junchol Park, Jan Putzeys, Britton Sauerbrei, Rik J. J. van Daal, Abraham Z. Vollan, Shiwei Wang, Marleen Welkenhuysen, Zhiwen Ye, Joshua Dudman, Barundeb Dutta, Adam W. Hantman, Kenneth D. Harris, Albert K. Lee, Edvard I. Moser, John O’Keefe, Alfonso Renart, Karel Svoboda, Michael Häusser, Sebastian Haesler, Matteo Carandini, et Timothy D. Harris. « Neuropixels 2.0 : une sonde miniaturisée à haute densité pour des enregistrements cérébraux stables à long terme. » Science, publié en ligne le 16 avril 2021. DOI : 10.1126/science.eabf4588.