Najnowsze sondy Neuropixels mogą monitorować neurony przez kilka tygodni

Wkładka Neuropixels 2.0 (na dole) jest mniejsza niż pierwszej generacji (na górze) i może monitorować aktywność neuronów przez tygodnie.

Nowe narzędzia opierają się na sukcesie pierwotnych sond Neuropixels, które zostały przedstawione w 2017 roku i są obecnie używane w ponad 400 laboratoriach. Neuropixels 2.0 są znacznie mniejsze — mają tylko około jedną trzecią rozmiaru poprzednika. Zostały opracowane, aby rejestrować aktywność elektryczną większej liczby pojedynczych neuronów i mają unikalną zdolność śledzenia tej aktywności na dłuższych odcinkach czasowych. Czyni je to szczególnie przydatnymi do badania zjawisk długoterminowych, takich jak uczenie się i pamięć u małych zwierząt, takich jak myszy, wyjaśnia Tim Harris, starszy pracownik naukowy w Janelia Research Campus HHMI, który kierował projektem. Harris i jego koledzy opisują postęp w artykule, który został opublikowany online 16 kwietnia w czasopiśmie Science.

Postępy Neuropixels 2.0 opierają się na kilku kluczowych innowacjach, wyjaśnia Harris. Naukowcy i inżynierowie z Janelia opracowali nowe metody przetwarzania danych. Dzięki sprytnym zmianom w układzie sond mogli je lepiej dostosować do określonych zadań. Inżynierowie z imec, non-profitowego centrum badań nad nanoelektroniką, które produkuje sondy, wykorzystali własną technologię firmy imec, aby zaprojektować, rozwinąć i wyprodukować sondę.

"Ta unikalna platforma umożliwiła nam opracowanie małej sondy o wysokiej gęstości punktów pomiarowych i długoterminowej stabilności", opisuje Barun Dutta, główny naukowiec w imec.

Śledzenie tej samej komórki nerwowej przez dłuższy czas było nieustannym wyzwaniem, wyjaśnia Harris, ponieważ mózgi poruszają się nieco, gdy zwierzęta się poruszają. Każda sonda Neuropixels zawiera wiele punktów pomiarowych — punktów, które rejestrują sygnały neuronowe. Najnowsza wersja ma ich więcej i są one bliżej siebie rozmieszczone. Podobnie jak w przypadku ustawiania wielu mikrofonów w zatłoczonym pomieszczeniu, zmiana układu zwiększa prawdopodobieństwo, że neuron, który przemieszcza się poza zasięg jednego punktu, nadal będzie rejestrowany przez sąsiedni punkt. Anna Lebedeva, studentka w laboratorium Matteo Carandini na University College London, zebrała dane pokazujące ten efekt. A lider grupy Janelia, Marius Pachitariu, opracował oprogramowanie do śledzenia neuronów.

Podczas gdy pierwotne sondy Neuropixels miały tylko wąski metalowy pręt wnikający do mózgu, nowa wersja ma cztery. Oznacza to, że punkty pomiarowe są rozmieszczone na większym obszarze, co umożliwia bardziej efektywne rejestrowanie w wielu ważnych obszarach mózgu, szczególnie w cienkich warstwach wewnątrz mózgu.

W eksperymentach na myszach zespół odkrył, że za pomocą dwóch sond mogą przechwytywać sygnały elektryczne z ponad 6000 różnych miejsc, mówi pierwszy autor Nick Steinmetz, badacz z UCL i University of Washington.

Prototypy najnowszej wersji są obecnie testowane przez neurobiologów w laboratoriach na całym świecie i na podstawie doświadczeń użytkowników są optymalizowane i udoskonalane. Harris i jego koledzy mają nadzieję, że produkt ten będzie gotowy do szerokiego zastosowania w 2022 roku.

Koalicja Neuropixels 2.0 jest kierowana przez Tima Harrisa w Janelia Research Campus Howard Hughes Medical Institute i obejmuje fundusze oraz naukowców z University College London (UCL), Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (NTNU) w Trondheim, Norwegia, Neuroelectronics Research Flanders (NERF) w Leuven, Belgia, oraz Champalimaud Centre for the Unknown w Lizbonie, Portugalia.

Cytacja:

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 oraz Timothy D. Harris. „Neuropixels 2.0: miniaturowa sonda wysokiej gęstości do stabilnych, długoterminowych zapisów z mózgu.” Science, opublikowane online 16 kwietnia 2021. Doi: 10.1126/science.eabf4588.