Нейропиксели — крошечные кремниевые зонды тоньше человеческого волоса — могут одновременно регистрировать активность сотен нейронов в нескольких различных областях мозга мышей и крыс. Существующие технологии могут предоставить подробные данные только по очень маленьким областям мозга, что ограничивает наше понимание того, как реакции в разных частях мозга координируются для выполнения сложных действий. Новые зонды позволят ученым понять работу мозга на уровне деталей и в масштабе, который ранее казался невозможным.
Этот новый подход может в конечном итоге позволить исследователям понять, как такие расстройства, как депрессия или болезнь Альцгеймера, могут изменять нервные цепи в нашем мозгу и могут привести к новым способам лечения этих заболеваний.В 2018 году нейробиологи по всему миру смогут приобрести Neuropixels по себестоимости. В настоящее время около 400 прототипов проходят испытания в ведущих исследовательских центрах мира.
Ведущие нейробиологи уже используют их в своей работе, чтобы раскрыть, как сложные сети клеток мозга поддерживают нашу способность учиться и принимать решения.Человеческий мозг считается самым сложным объектом во Вселенной с более чем 70 миллиардами нейронов, которые контролируют то, как мы думаем, чувствуем и ведем себя. Чтобы разгадать эту сложность, ученым необходимо одновременно измерить тысячи отдельных нейронов по всему мозгу.
Текущие записывающие устройства зависят от проволочных электродов, которые ограничивают количество одновременно размещаемых в мозгу электродов; у них обычно не более нескольких десятков датчиков. Новые кремниевые зонды имеют 960 участков записи, распределенных по большим участкам мозга, что позволяет исследователям записывать данные с большего числа нейронов одновременно в одном эксперименте, чем когда-либо прежде.
Крошечные сверхчувствительные электроды датчиков Neuropixels могут регистрировать активность сотен отдельных нейронов из разных областей мозга в режиме реального времени. Это даст ученым более четкое представление о том, как разные части мозга работают вместе для обработки информации.
Это может помочь исследователям лучше понять, как принимаются решения и как регулируются эмоции.Нейробиологи используют мозг мыши и крысы в качестве моделей человеческого мозга, поскольку многие структуры и связи, существующие в человеческом мозге, существуют и у грызунов, в меньшем масштабе.Зонды были разработаны международной командой, получившей 5,5 миллиона долларов от Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI), Института исследований мозга Аллена, Благотворительного фонда Гэтсби и Wellcome.
Ученые исследовательского кампуса Janelia HHMI, Института Аллена и Университетского колледжа Лондона (UCL) работали вместе с инженерами нанотехнологической компании imec над созданием и тестированием зондов.Зонды Neuropixels имеют длину 10 мм (примерно такой же размер, как мозг мыши или крысы), ширину 70×20 мкм, со 100 участками записи на мм. Зонд автоматически преобразует электрические сигналы, которые он обнаруживает, в цифровые данные, готовые для вычислительного анализа.
Исследователи из UCL разработали новые методы анализа данных, чтобы преобразовать эти данные в значимую информацию об активности отдельных клеток мозга.Тимоти Харрис, старший научный сотрудник исследовательского кампуса Janelia HHMI и руководитель коллаборации Neuropixels, сказал: «Каждое действие и решение, которые вы принимаете, связаны с взаимодействием миллионов нейронов в вашем мозгу.
Эта новая технология позволяет нам обнаруживать активность большого количества нейронов. "Маттео Карандини, исследователь Wellcome и нейробиолог из UCL, сказал: «Чтобы понять работу мозга, нам нужно понять, как множество нейронов, разбросанных по всему мозгу, работают вместе. До недавнего времени можно было измерить активность отдельных нейронов в определенном месте. в головном мозге или для выявления более крупных региональных паттернов активности, но не для того, чтобы делать и то и другое одновременно. Эти датчики меняют правила игры.
Если вы разместите их правильно, вы действительно сможете изучить, как разные части мозга работают вместе нейронный уровень ".Эндрю Велчман, руководитель отдела неврологии и психического здоровья Wellcome, сказал: «Это значительный шаг на пути к пониманию того, как работает мозг. История вычислительной техники показывает, как небольшие кремниевые схемы могут революционизировать способ решения сложных проблем. Приведем базовую аналогию. , эти датчики переносят нас из эпохи маленьких черно-белых телевизоров в большие плоские дисплеи с высоким разрешением.
Нейропиксельные датчики изменят то, что мы знаем, и даже то, как мы думаем о мозге. Нам еще предстоит пройти долгий путь в раскрытии тайн мозга, но эта новая технология является важным достижением ".В статье Nature исследователи описывают, как работают нейропиксели. Они объясняют, как они использовали два зонда Neuropixels для одновременной записи более 700 хорошо изолированных одиночных нейронов из пяти структур мозга мыши.
Исследователи также показали, что зонды можно использовать в длительных экспериментах со свободно передвигающимися животными, в экспериментах с мышами продолжительностью до 150 дней. Долгосрочные эксперименты позволяют исследователям изучать изменения в мозге в результате развития, опыта и обучения, а также влияние нейродегенеративных процессов на болезнь.Ученые из консорциума представят данные, собранные с помощью прототипов зондов Neuropixels, на Ежегодном собрании Общества нейробиологии в Вашингтоне, округ Колумбия, 11-15 ноября 2017 года.
Нейропиксели в действии (пример из практики)Исследователи из Международной лаборатории мозга работали с прототипами зондов Neuropixels и помогали направлять их разработку.Международная лаборатория мозга объединяет группы из Великобритании, США, Франции, Швейцарии и Португалии, чтобы выяснить, как сложные сети клеток мозга поддерживают нашу способность учиться и принимать решения. Различные группы работают вместе, чтобы коллективно понять единичное поведение мышей, новый подход, который позволит получить более глубокое понимание, чем могла бы достичь любая отдельная лаборатория в одиночку.
Они будут использовать зонды Neuropixels для изучения множества различных областей мозга мыши, добывающей пищу. Объединяя данные из нескольких лабораторий, они могут проводить измерения во всех областях мозга на клеточном уровне: одновременно регистрируя активность 1000 нейронов мышей, выполняющих точно такую же задачу.
Затем лаборатории обмениваются своими данными в режиме реального времени, что позволяет им точно видеть, что происходит в нейронах, распределенных по всему мозгу.