Le più recenti sonde Neuropixels possono monitorare i neuroni per diverse settimane

La sonda Neuropixels 2.0 (in basso) è più piccola della prima generazione (in alto) e può monitorare l'attività neurale per settimane.

Gli strumenti innovativi si basano sul successo delle sonde Neuropixels originali, presentate nel 2017 e attualmente impiegate in più di 400 laboratori. Neuropixels 2.0 sono molto più piccole — circa un terzo delle dimensioni del modello precedente. Sono state sviluppate per registrare l'attività elettrica di un numero maggiore di neuroni individuali e possiedono la capacità unica di tracciare questa attività nel tempo. Ciò le rende particolarmente utili per lo studio di fenomeni a lungo termine come l'apprendimento e la memoria in piccoli animali come i topi, spiega Tim Harris, Senior Fellow presso il Janelia Research Campus dell'HHMI, che ha guidato il progetto. Harris e i suoi colleghi descrivono i progressi in un articolo pubblicato online il 16 aprile sulla rivista Science.

I progressi di Neuropixels 2.0 si basano su diverse innovazioni chiave, spiega Harris. Gli scienziati e gli ingegneri di Janelia hanno sviluppato nuovi metodi per l'elaborazione dei dati. Attraverso modifiche intelligenti al layout delle sonde, queste sono state ottimizzate per compiti specifici. Inoltre, gli ingegneri di imec, centro di ricerca no-profit specializzato in nanoelettronica che produce le sonde, hanno utilizzato la tecnologia proprietaria di imec per progettare, sviluppare e produrre la sonda.

"Questa piattaforma unica ci ha permesso di sviluppare una sonda compatta con alta densità di punti di misura e stabilità a lungo termine", descrive Barun Dutta, Chief Scientist di imec.

Seguire la stessa cellula nervosa nel tempo più lungo è stata una sfida persistente, spiega Harris, perché i cervelli si muovono leggermente quando gli animali si muovono. Ogni sonda Neuropixels contiene diversi punti di misura — punti che registrano segnali neuronali. La versione più recente ne ha di più e sono disposti più vicini tra loro. Come nella disposizione di molti microfoni in una stanza affollata, questa modifica nel design aumenta la probabilità che un neurone, che si sposta oltre la portata di una singola stazione di registrazione, venga comunque catturato da una stazione vicina. Anna Lebedeva, studentessa nel laboratorio di Matteo Carandini presso il University College London, ha raccolto dati che mostrano questo effetto. Marius Pachitariu, leader del gruppo Janelia, ha sviluppato un software per tracciare i neuroni.

Mentre le sonde Neuropixels originali avevano solo un sottile pezzo di metallo che penetrava nel cervello, la nuova versione ne ha quattro. Ciò significa che i punti di registrazione sono distribuiti su un'area più ampia, consentendo registrazioni più efficienti in molte aree cerebrali importanti, in particolare in strati sottili all’interno del cervello.

In esperimenti sui topi, il team ha scoperto di poter catturare segnali elettrici da oltre 6.000 punti diversi usando due sonde, afferma il primo autore Nick Steinmetz, ricercatore presso UCL e l'Università di Washington.

I prototipi della versione più recente sono attualmente testati da neuroscienziati in laboratori di tutto il mondo e ottimizzati in base alle esperienze degli utenti. Harris e i suoi colleghi sperano che il prodotto sarà disponibile per un'ampia diffusione entro il 2022.

Il consorzio Neuropixels 2.0 è guidato da Tim Harris presso il Janelia Research Campus dell'Howard Hughes Medical Institute e comprende finanziamenti e scienziati di University College London (UCL), dell'Università norvegese di scienza e tecnologia (NTNU) a Trondheim, Norvegia, di Neuroelectronics Research Flanders (NERF) a Leuven, Belgio, e del Champalimaud Centre for the Unknown a Lisbona, Portogallo.

Citazione:

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, e Timothy D. Harris. “Neuropixels 2.0: A miniaturized high-density probe for stable, long-term brain recordings.” Science, pubblicato online il 16 aprile 2021. Doi: 10.1126/science.eabf4588.