Недавно разработанный нейронный зонд с беспрецедентным количеством микросветодиодов и мест записи, интегрированных в одно и то же нейронное устройство, позволяет нейробиологам получать новые знания о том, как работает мозг. 128 микросветодиодов и 256 записывающих электродов на зонде hectoSTAR позволяют нейробиологам отслеживать взаимодействия в различных областях мозга.
«С зондом hectoSTAR мы смогли ответить на некоторые вопросы, на которые раньше не могли ответить», — сказал Михай Вёрёслакос, нейробиолог из Нью-Йоркского университета и первый автор нового исследования. «Наличие технологий, которых нет больше ни у кого, дает редкую возможность первыми протестировать эти устройства».
Наличие большего количества каналов позволяет неврологам не только записывать большую область мозга , но и записывать взаимодействия между различными областями, и это может привести к важной информации о лечении неврологических расстройств.
Зонд hectoSTAR может охватывать область, охватывающую поверхность мозга грызунов, называемую корой, вплоть до гиппокампа в глубине мозга. Он состоит из четырех кремниевых микроигл толщиной 30 мкм и способен регистрировать участки площадью около 1 мм 2 (1,3 мм x 0,9 мм) до глубины 6 мм внутри мозга.
После двух лет разработки исследователями Мичиганского университета он впервые заработал в реальных условиях.
Зонд hectoSTAR помещали в область СА3 гиппокампа живой мыши. Свет пропускался через один или несколько светодиодов, и реакция нейронов контролировалась записывающими электродами. Команда обнаружила, что свет вызывал реакцию не только в соседних клетках в той же области СА3, но также воздействовал на нейроны в соседней области СА1. Области СА3 и СА1 отстоят друг от друга на 600 микрон, или чуть больше полмиллиметра.
«С помощью этого инструмента мы можем воздействовать на нервную систему очень точно в пространстве и времени», — сказал Верёслакос. «Устройство hectoSTAR и микросветодиодный датчик в целом — прекрасный инструмент для проведения этих экспериментов».
Продвижение научных исследований требует терпения, а часто и высокого уровня командной работы и сотрудничества. Уже знакомый с более ранними версиями нейронного зонда, разработанного командой профессора Эйзика Юна из Мичиганского университета, Вереслакос провел два года в лаборатории Юна в Мичигане в качестве ученого Кавли, чтобы убедиться, что новая технология может решать очень специфические научные вопросы.
В 2015 году команда Юна сообщила о первом в своем роде нейронном зонде, который может регистрировать активность нескольких нейронов и стимулировать активность нейронов почти с разрешением одной клетки. Эти зонды содержали 12 микросветодиодов и 32 записывающих электрода. В 2020 году команда Юна под руководством бывшего докторанта Канхвана Кима (MSE PHD EE '15, '20) представила более практичный микросветодиодный зонд, который позволяет записывать высококачественный нейронный сигнал во время светодиодной стимуляции за счет удаления большого количества шума, создаваемого светодиодами. стимуляция генерировалась в записанном нейронном сигнале.
«Эта работа проложила путь к ее расширению», — сказал Юн. «Предстояло преодолеть ряд инженерных проблем, но результат позволил нейробиологам лучше понять глобальную связь мозга. Мы в восторге от этого нового чипа».
Новые µLED размером 8 x 11 микрометров составляют примерно половину площади предыдущего поколения. Канхван Ким, ведущий исследователь команды hectoSTAR, применил теорию на практике, чтобы получить достаточную светоотдачу для стимуляции нейронов.
«Ничего не было тривиальным с точки зрения сокращения вещей», — сказал Ким.
Наконец, увеличение количества мест оптической стимуляции до 128 было чем-то вроде кошмара, сказал Юн. Чтобы решить проблему управления, его команда разработала многоканальную систему контроллера µLED с открытым исходным кодом для индивидуального управления светом, посылаемым на каждый µLED, а затем для обработки поступающей информации от записывающих электродов.
«Мы можем точно контролировать, какие светодиоды загораются, а также интенсивность света, который способен стимулировать только несколько нейронов, расположенных рядом со светодиодом, а затем записывать, как сигнал распространяется на другие части мозга». сказал Юн.
Увеличение количества светодиодов и электродов на порядок потребовало времени. «Проведя столько времени в чистой комнате, я был уверен, что это сработает», — сказал Ким. «Было захватывающе наблюдать, как эти микросветодиоды оживают».
«Без этого зонда нам пришлось бы поместить несколько зондов в мозг, чтобы получить одну и ту же информацию. Даже тогда мы были ограничены тем, какой вес может нести животное», — объяснил Верёслакос.
Основываясь на результатах электрода hectoSTAR, Vöröslakos проводит последующие эксперименты и уже запрашивает следующие поколения устройств.
В ответ Юн поручил своей нынешней команде исследователей добиться двух важных улучшений hectoSTAR: гибкости зондов и значительно миниатюризированной платы головной ступени. Эти усовершенствования позволили бы грызуну свободно передвигаться в течение долгого времени, в то время как его мозг одновременно стимулировался и записывался.
Исследователи из других университетов уже посещали лабораторию Юна, чтобы узнать, как имплантировать его нейронные зонды и собирать данные.
