Legújabb Neuropixels szondák képesek több héten keresztül figyelni a neuronokat

A Neuropixels 2.0 szonda (alsó) kisebb, mint az első generáció (felső), és heteken át képes figyelni az idegi aktivitást.

Az új eszközök a 2017-ben bemutatott eredeti Neuropixels tűk sikerén alapulnak, amelyeket több mint 400 laboratóriumban használnak jelenleg. A Neuropixels 2.0 sokkal kisebb – nagyjából csak a harmadnyi méretű, mint elődje. Olyan fejlesztéseken alapulnak, amelyek lehetővé teszik több egyedi neuron elektromos aktivitásának rögzítését, és egyedülálló képességgel rendelkeznek arra, hogy ezeket az aktivitásokat hosszabb időn keresztül nyomon kövessék. Ez különösen hasznos hosszú távú jelenségek, például tanulás és memória vizsgálatában kis állatoknál, például egereknél – mondja Tim Harris, a HHMI Janelia Kutatóközpont vezető munkatársa, aki a projektet irányította. Harris és kollégái a haladást egy cikkben írják le, amelyet április 16-án online publikáltak a Science szaklapban.

A Neuropixels 2.0 fejlesztése több kulcsinnováción alapul, magyarázza Harris. A Janelia tudósai és mérnökei új módszereket dolgoztak ki az adatok feldolgozására. Az eszköz elrendezésében végrehajtott okos módosítások révén jobban optimalizálható bizonyos feladatokra. Az imec, a non-profit nanoelektronikai kutatóközpont mérnökei, akik az eszközöket gyártják, a cég saját technológiáját használták az eszköz tervezéséhez, fejlesztéséhez és gyártásához.

"Ez az egyedülálló platform lehetővé tette számunkra, hogy egy kis tűt fejlesszünk ki magas mérési sűrűséggel és hosszú távú stabilitással," írja Barun Dutta, az imec vezető tudósa.

A ugyanazon idegsejt hosszabb távon történő követése folyamatos kihívás volt, magyarázza Harris, mivel az agyak kicsit mozognak, amikor az állatok mozognak. Minden Neuropixels tű több mérőpontot tartalmaz – pontokat, amelyek neuronális jeleket rögzítenek. A legújabb verzió több ilyen mérőponttal rendelkezik, és ezek közelebb vannak egymáshoz. Ahogyan sok mikrofont helyezünk el egy túlzsúfolt helyiségben, úgy a tervezési módosítás valószínűbbé teszi, hogy egy neuron, amely kívül esik a mérési pont hatókörén, még mindig egy közeli helyről legyen rögzítve. Anna Lebedeva, a University College London Matteo Carandini laboratóriumában tanuló hallgató, olyan adatokat gyűjtött, amelyek ezt a hatást mutatják. A Janelia csoport vezetője, Marius Pachitariu pedig olyan szoftvert fejlesztett, amely nyomon követi a neuronokat.

Míg az eredeti Neuropixels tűk csak egy keskeny fémtömböt tartalmaztak, amely behatol az agyba, az új verzió négyet. Ez azt jelenti, hogy a mérőpontok nagyobb területen oszlanak el, ami hatékonyabb felvételt tesz lehetővé sok fontos agyi területen, különösen az agy vékony rétegeiben.

Kísérletekben egereken a csapat megállapította, hogy két tűvel több mint 6000 különböző helyről tudtak elektromos jeleket rögzíteni – mondja az első szerző, Nick Steinmetz, az UCL és a Washingtoni Egyetem kutatója.

A legújabb verzió prototípusait jelenleg idegtudósok tesztelik laboratóriumokban világszerte, és a felhasználói tapasztalatok alapján optimalizálják és finomhangolják azokat. Harris és kollégái remélik, hogy a termék valamikor 2022-ben széles körben elérhető lesz.

A Neuropixels 2.0 konzorcium vezetője Tim Harris a Howard Hughes Medical Institute Janelia Kutatóközpontjából, és finanszírozásban részesül az University College London (UCL), a Norvég Tudomány és Technológia Egyetem (NTNU) Trondheimben, Norvégiában, a Neuroelectronics Research Flanders (NERF) Leuvenben, Belgiumban, valamint a Champalimaud Centre for the Unknown Lisszabonban, Portugáliában működő kutatóintézetektől.

Hivatkozás:

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, és Timothy D. Harris. „Neuropixels 2.0: Egy miniaturizált, nagy sűrűségű szonda az agyi stabil, hosszú távú felvételekhez.” Science, online publikálva 2021. április 16-án. Doi: 10.1126/science.eabf4588.