Mozková sonda s vysokou hustotou odhaluje výrazné elektrické vzorce typů buněk během chování

Snažit se zdokumentovat, jak se jednotlivé mozkové buňky účastní sítí, které řídí chování, je skličující úkol. Mozkové sondy nazývané neuropixely, které jsou vybaveny silikonovým polí s vysokou hustotou, umožnily vědcům shromažďovat elektrofyziologická data této povahy z různých zvířat. Patří mezi ně ryby, plazi, hlodavci a primáti, stejně jako lidé.

Neuropixely, které přicházejí v několika verzích, zaznamenávají Elektrická aktivita od stovek do tisíců neuronů současně. Neurony jsou nervové buňky, které přijímají, zpracovávají a přenášejí informace.

Zatímco shromážděná data vedla k poznatkům na nervovém základě vnímání a rozhodování, tyto sondy nemohou vzorkovat mozkové struktury v jemném měřítku. Rovněž jsou omezeny při řešení (samostatně rozlišujícím) elektrických polí kolem jednotlivých mozkových buněk.

Nově vyvinutá sonda, nazývaná neuropixely Ultra, překonává některé klíčové technické výzvy při zaznamenávání typu buněk a aktivitu tisíců jednotlivých buněk napříč mnoha oblastmi mozku během jediného experimentu.

Sonda je v podstatě implantovatelná kamera snímající napětí, která dokáže zachytit ploché obrazy elektrického pole mozkových buněk.

„Vyvinuli jsme silikonovou sondu s mnohem menšími a hustšími záznamovými místy než předchozí návrhy,“ řekl Nick Steinmetz, odpovídající autor zprávy o testech funkce sondy. Steinmetz je docentem neurobiologie a biofyziky na lékařské fakultě University of Washington v Seattlu.

Laboratoř Steinmetz je součástí Mezinárodní mozkové laboratoře a konsorcia neuropixelů.

Nedávný projekt spojil vědce z několika neurověd a bioinženýrských laboratoří po celých Spojených státech, jakož i v Japonsku, Německu, Belgii, Číně, Norsku, Anglii a Itálii.

Jejich papír objevil se 30. září v časopise, Neuron.

Projekt je součástí „Výzkum mozku národních ústavů zdravotnictví prostřednictvím rozvoje inovativních neurotechnologií“, známého také jako iniciativa Brain Initiative. Tato iniciativa byla založena za účelem vývoje a aplikaci inovativních technologií pro mapování mozkových obvodů a porozumění jejich funkcím, jakož i dalším nástrojům pro výzkum mozku. Hlavním cílem je vytvořit dynamický obraz mozku, který ukazuje, jak jednotlivé buňky a komplexní nervové obvody interagují v čase a prostoru.

Nová ultra vysoká hustota neuropixelů Ultra sonda je významným krokem v tomto směru.

Získáním podrobnějších informací o elektrickém poli obklopující mozkové buňky, než bylo dříve možné, zlepšila schopnost vědců detekovat a klasifikovat jednotlivé buňky.

Vědci například provedli záznamy vizuální kůry myši – oblasti poblíž zadní části mozku, která zpracovává a interpretuje informace pocházející z očí. Vědci byli schopni detekovat dvakrát tolik mozkových buněk ve srovnání se záznamy s jinými neuropixelovými verzemi. Mohli také rozlišit tři podtypy kortikálních buněk od sebe navzájem a od jiných neuronů. Schopnost detekovat specifické buněčné podtypy je důležité při studiu mozkových obvodů.

Protože sonda shromažďovala data z menších míst, měla předvídatelně vyšší hladinu hluku na kanál než dřívější sondy. Ale protože vzorkoval 10krát více nahrávacích webů, stále nabízí lepší kvalitu dat.

Neuropixely Ultra bylo přesnější při odhadu prostorové polohy hrotů, rychlého vzestupu a náhlého poklesu elektrického impulsu z mozkových buněk. Bylo to lepší při oddělování hrotů od jednoho neuronu a nepřičítání je blízkým neuronů. Tato prostorová přesnost pomohla zvýšit výtěžek neuronů s vizuálně reagujícími. Tato měření by mohla vědcům pomoci přesněji dekódovat a sledovat výkon mozkových buněk související s vizuálními podněty.

Vědci také použili neuropixely Ultra k určení, jak převládaly extracelulární hroty s malými nohami napříč různými oblastmi mozku a u jiných druhů než myší. Tato zvířata zahrnovala elektrické ryby, vousaté ještěrky a pigtailed makaky.

„Tyto malé prostorové stopy, které je obtížné detekovat s sondami s nižší hustotou, jsou trvale detekovány u neuropixelů Ultra,“ poznamenali vědci. Zjistili také, že prostorové stopy typů buněk, které byly geneticky identifikovány, byly pro každý typ buněk odlišné. Tyto informace by mohly například pomoci při určování toho, které buňky jsou přítomny a jejich výrazná elektrická aktivita.

Vědci dospěli k závěru, že mezi novějšími a staršími sondami existují kompromisy, v závislosti na typu experimentů, které laboratoř provádí. I když novější sonda Má menší velikost a mezery místa, má také to, co jeho vývojáři popisují jako „bezprecedentní“ rozlišení. Naproti tomu starší sondy mají větší vertikální záznam. Nicméně nedávná zjištění „zdůrazňují výhody elektrofyziologických sond se zvýšenou hustotou místa pro širokou škálu aplikací neurověd,“ poznamenali vědci.

Prvními autory příspěvku jsou Zhiwen Ye, postdoktorandský neurovědec v laboratoři Steinmetz na UW School of Medicine, a Andrew M. Shelton, programu Mindscope a Institute for Neural Dynamics a také ve skupině Behavioral Institute for Brain Science.