Для картирования мозга млекопитающих и его различных функций с большей точностью нейробиологи используют методы визуализации высокого разрешения и другие передовые экспериментальные инструменты. В настоящее время к ним относятся высокоплотные кремниевые зонды – игольчатые устройства, в которых интегрированы несколько тысяч электродов, которые можно вводить в мозговую ткань для регистрации изменений напряжения, связанных с активацией нейронов.

До сих пор эти устройства успешно применялись для мониторинга и изучения активности нейронов мозга грызунов. Однако они оказались менее эффективными при изучении мозга нечеловекообразных приматов (НЧП), таких как макаки, чей мозг больше похож на человеческий.

Консорциум исследователей Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) из Колумбийского университета, Стэнфорда и Калифорнийского университета в Беркли недавно продемонстрировал потенциал зонда Neuropixels 1.0 NHP. Это устройство представляет собой более масштабируемый зонд, разработанный IMEC для сбора данных нейронной активности по всему мозгу и с высоким разрешением у макак и других NHP. Их исследовательский проект описан в статье, опубликованной в журнале Nature Neuroscience .

«Наша статья была вдохновлена фундаментальной потребностью нейробиологического сообщества в преодолении ограничений существующих технологий регистрации нейронных сигналов у приматов», — рассказал изданию Medical Xpress Эрик М. Траутманн, первый автор статьи из Колумбийского университета.

Оригинальный зонд Neuropixels 1.0, хотя и стал революционным для моделей грызунов, имел ограниченную функциональность у приматов из-за своей длины 10 мм, что ограничивало доступ к поверхностным мишеням мозга, и тонкого стержня (24 мкм), затруднявшего введение через твёрдую мозговую оболочку приматов. Другие существующие линейные матрицы имеют ограниченное количество каналов, а поверхностные матрицы, такие как матрица Utah или плавающие микропроводные матрицы, ограничивались поверхностной корой и фиксированной глубиной.

Траутманн и его коллеги искали зонд, который позволил бы им точно и надёжно регистрировать нейронную активность в мозге приматов и других крупных животных. Они хотели, чтобы это устройство также надёжно регистрировало активность больших популяций нейронов с разрешением до одного нейрона и одного импульса, или, другими словами, изолировало активность отдельных нейронов и детектировало отдельные потенциалы действия.

«Новый регистрирующий зонд, разработанный IMEC, представляет собой монолитный кремниевый элемент длиной 54 мм, объединяющий в себе как стержень, так и базовую электронику», — пояснил Траутманн. «Зонд имеет значительно более длинный, широкий и толстый стержень (длина 45 мм, ширина 125 мкм и толщина 90 мкм) по сравнению с оригинальным зондом Neuropixels 1.0».

Испытанный авторами зонд имеет в общей сложности 4416 точек регистрации (т.е. пикселей), распределенных по всей длине его 45-миллиметрового хвостовика и сгруппированных в 11,5 «банков» по 384 канала в каждом. Примечательно, что экспериментаторы также могут выбрать один из этих «пикселей» для одновременного сбора данных с 384 точек с помощью переключателя, расположенного под каждой точкой.

«Зонд использует те же малошумящие каналы считывания с программируемым усилением и оцифровкой с 10-битным разрешением на 130-нм КМОП-платформе «Кремний-на-изоляторе», что и Neuropixels 1.0», — сказал Траутманн. «Кончик стержня механически заточен под углом 25°, что обеспечивает заострение по обеим осям для облегчения введения и минимизации повреждения тканей».

Новое устройство Neuropixels позволяет нейробиологам получить доступ к глубоким структурам крупного мозга, например, мозга приматов, куда невозможно добраться с помощью более коротких зондов высокой плотности. Более того, толщина зонда составляет 90 мкм, а более острый наконечник позволяет эффективно проникать через плотные мозговые оболочки, покрывающие головной и спинной мозг приматов.

«Дополнительные преимущества нашего подхода включают масштабируемость и большое количество каналов, или, другими словами, возможность программно выбирать 384 канала из более чем 4400 точек и одновременно собирать многозональную информацию с тысяч нейронов», — сказал Траутман. «Эта функция позволяет экспериментаторам отделить процесс оптимизации места регистрации от позиционирования зонда, что позволяет проводить исследования нейронной активности по всей длине зонда, не перемещая его».

«Еще одним ключевым преимуществом устройства является его высокое пространственное разрешение, которое улучшает возможность изоляции активности отдельных нейронов и облегчает непрерывное отслеживание нейронов даже при наличии движения между зондом и тканью», — пояснил Тирин Мур, один из авторов.

По сравнению с существующими технологиями, зонд Neuropixels 1.0 NHP также более экономичен. Таким образом, он может значительно снизить затраты, связанные с регистрацией нейронов, при общей стоимости системы от 7000 до 15 000 долларов США.

«Консорциум демонстрирует потенциал зонда с помощью четырех показательных экспериментов на макаках, решая различные вопросы нейронауки», — сказал Траутманн.

Группа исследователей из Стэнфорда продемонстрировала масштабные исследования ретинотопической организации в нескольких экстрастриарных зрительных областях коры, регистрируя одновременно тысячи нейронов и демонстрируя упорядоченное смещение рецептивных полей по глубине коры. «Группа исследователей из Колумбийского университета собрала стабильные, масштабные записи во время двигательного поведения в поверхностных и глубоких структурах (например, первичной моторной коре, премоторной коре, внутреннем бледном шаре, дополнительной моторной области), продемонстрировав захват различных временных паттернов и улучшенное прогнозирование силы с большим количеством нейронов».

Для дальнейшей оценки зонда команда из Беркли использовала его для регистрации активности в области мозга приматов, доступ к которой обычно затруднен (то есть в глубоких зонах нижневисочной коры, отвечающих за лица), пока обезьяны смотрели на изображения лиц. За один сеанс сбора данных им удалось обнаружить сотни нейронов, которые, по-видимому, участвуют в распознавании лиц, что ранее заняло бы годы.

«Команда Колумбийского университета также продемонстрировала полезность зонда для изучения корреляций единичных испытаний при принятии решений, показав, как популяции нейронов LIP и верхнего холмика четверохолмия (SC) отслеживают накопленные данные и демонстрируют отчетливую динамику, которую можно наблюдать только с помощью высокопроизводительного анализа единичных испытаний», — сказал Траутманн.

Высокая плотность также способствовала измерению корреляций между импульсами между парами нейронов, что указывает на синаптические связи или общий входной сигнал, позволяя картировать предполагаемые связи между корковыми слоями и между областями.

Это недавнее исследование может вскоре открыть новые ценные возможности для нейробиологических исследований с участием крупных животных. Новый зонд, разработанный в IMEC, преодолел ряд широко известных инженерных проблем и, как выяснилось, надёжно регистрирует активность нейронов в мозге нечеловекообразных приматов.

«Мы успешно преодолели серьезные инженерные проблемы, связанные с изготовлением кремниевых зондов, размеры которых превышают стандартные размеры фотолитографических сеток, благодаря таким методам, как сшивание, а также проектированию длинного хвостовика с учетом механической прочности и гибкости (слои компенсации напряжений)», — сказал Барун Дутта из IMEC.

Эта технология открывает новые возможности для проведения экспериментов, которые ранее считались непрактичными или невозможными. Сюда входит детальное электрофизиологическое картирование областей мозга с разрешением до одного нейрона и одного импульса, измерение корреляций между импульсами между клетками и проведение одновременной регистрации активности всего мозга в беспрецедентном масштабе.

Зонд Neuropixels 1.0 NHP может быть использован в других лабораториях по всему миру, что позволит сократить усилия, ресурсы и расходы, связанные с изучением мозга крупных животных. «Фактически, за короткое время с момента появления зондов их внедрили более 50 лабораторий NHP», — отметил Барун Дутта.

Зонды также позволят проводить более продвинутые и сложные нейробиологические эксперименты с участием NHP, которые могут привести к новым захватывающим открытиям.

«Neuropixels 1.0 NHP обеспечивает более полное и объективное картирование нейронной активности в различных областях и на разных глубинах мозга, что крайне важно для понимания скоординированных действий больших популяций нейронов, участвующих в сенсорных, двигательных и когнитивных операциях», — сказал Траутманн.

«Это также может позволить исследователям проводить единичный анализ нейронной активности с высоким разрешением, что особенно важно для изучения когнитивных функций, где мозговые процессы могут меняться при повторении задач. Два хороших примера этого описаны в недавних статьях в журналах Nature и Neuron, написанных коллективами Стэнфордского и Колумбийского университетов соответственно».

При использовании для картирования нейронных цепей зонд Neuropixels 1.0 NHP вскоре может также помочь лучше понять, как анатомические цепи в мозге крупных млекопитающих выполняют специфические вычисления. Текущая версия устройства в первую очередь оптимизирована для проведения острой регистрации, но IMEC в настоящее время работает над улучшением его возможностей и дальнейшим расширением его потенциала.

«В рамках наших следующих исследований мы планируем разработать новое оборудование и протестировать полухроническую (в течение нескольких дней или недель) имплантацию», — добавил Траутманн. «Для этого потребуются новые конструкции имплантатов, и в настоящее время это непроверенная, но возможная возможность при наличии соответствующих методов установки и оборудования. Кроме того, мы работаем над разработкой датчиков с возможностью интракортикальной микростимуляции (ИКМС), что пока невозможно. Однако текущее поколение датчиков можно использовать для регистрации сигналов одновременно со стимуляцией через отдельный электрод».