Nieuwste Neuropixels-sondes kunnen neuronen voor meerdere weken monitoren

De Neuropixels 2.0-pen (onderaan) is kleiner dan de eerste generatie (bovenaan) en kan neurale activiteit gedurende weken monitoren.

De nieuwe tools bouwen voort op het succes van de oorspronkelijke Neuropixels-sonden, die in 2017 werden geïntroduceerd en momenteel in meer dan 400 laboratoria worden gebruikt. Neuropixels 2.0 zijn veel kleiner - ongeveer slechts een derde zo groot als de voorganger. Ze zijn ontwikkeld om de elektrische activiteit van meer individuele neuronen op te nemen en beschikken over de unieke mogelijkheid om deze activiteit over langere tijdsperioden te volgen. Dit maakt ze bijzonder nuttig voor het onderzoeken van langetermijnfenomenen zoals leren en geheugen bij kleine dieren zoals muizen, aldus Tim Harris, een senior fellow aan het HHMI's Janelia Research Campus, die het project leidde. Harris en zijn collega's beschrijven de vooruitgang in een artikel dat op 16 april online werd gepubliceerd in het vakblad Science.

De vorderingen van Neuropixels 2.0 berusten op verschillende kerninnovaties, legt Harris uit. Wetenschappers en ingenieurs van Janelia ontwikkelden nieuwe manieren om de gegevens te verwerken. Door slimme aanpassingen aan de lay-out van de sondes konden deze beter worden afgestemd op specifieke taken. En de ingenieurs van imec, het non-profit nano-elektronicaforschingscentrum dat de sondes produceert, maakten gebruik van de eigen technologie van imec om de sonde te ontwerpen, ontwikkelen en fabriceren.

"Dit unieke platform stelde ons in staat om een kleine sonde te ontwikkelen met een hoge meetplaatsdichtheid en langdurige stabiliteit," beschrijft Barun Dutta, Chief Scientist bij imec.

Het volgen van dezelfde zenuwcel over een langere periode was een voortdurende uitdaging, legt Harris uit, omdat hersenen een beetje bewegen wanneer dieren bewegen. Elke Neuropixels-sonde bevat meerdere meetpunten - punten die neuronale signalen opnemen. De nieuwste versie heeft meer van deze meetpunten, en ze zijn dichter bij elkaar geplaatst. Zoals bij het plaatsen van veel microfoons in een overvolle ruimte, vergroot deze ontwerpwijziging de kans dat een neuron dat buiten het bereik van een opnameplaats beweegt, nog steeds wordt geregistreerd door een nabije plek. Anna Lebedeva, een student in het lab van Matteo Carandini aan University College London, verzamelde gegevens die dit effect aantonen. En de leider van de Janelia-groep, Marius Pachitariu, ontwikkelde software om de neuronen te volgen.

Terwijl de oorspronkelijke Neuropixels-sondes slechts een smal metalen stuk hadden dat in de hersenen doordrong, heeft de nieuwe versie er vier. Dit betekent dat de opnameplaatsen over een groter gebied zijn verdeeld, wat een efficiëntere opname mogelijk maakt in veel belangrijke hersengebieden, vooral in dunne lagen binnen de hersenen.

In experimenten met muizen ontdekte het team dat ze met twee sondes elektrische signalen van meer dan 6.000 verschillende locaties konden opnemen, zegt eerste auteur Nick Steinmetz, een onderzoeker aan UCL en de University of Washington.

Prototypes van de nieuwste versie worden momenteel getest door neurowetenschappers in laboratoria over de hele wereld en worden verfijnd op basis van de ervaringen van gebruikers. Harris en zijn collega's hopen dat het product ergens in 2022 klaar zal zijn voor brede verspreiding.

Het Neuropixels 2.0 consortium wordt geleid door Tim Harris aan de Janelia Research Campus van het Howard Hughes Medical Institute en omvat financiering van en wetenschappers van University College London (UCL), de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU) in Trondheim, Noorwegen, het Neuroelectronics Research Flanders (NERF) in Leuven, België, en het Champalimaud Centre for the Unknown in Lissabon, Portugal.

Citaties:

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, en Timothy D. Harris. “Neuropixels 2.0: Een geminiaturiseerde hoog-dichtheids sonde voor stabiele, langdurige hersenopnamen.” Science, gepubliceerd online op 16 april 2021. Doi: 10.1126/science.eabf4588.