Новая версия зонда Neuropixels позволяет записывать активность тысяч нейронов в мозге приматов с беспрецедентной точностью

Для того чтобы составить максимально точную карту мозга млекопитающих и понять, как работают его различные области, нейробиологи используют самые передовые методы — от высокоточного сканирования до специальных электродных систем. Одним из таких инструментов стали кремниевые зонды Neuropixels, которые представляют собой тонкие, иглообразные устройства с сотнями миниатюрных электродов. Они позволяют фиксировать изменения электрического потенциала, возникающие при передаче импульсов нейронами.

До сих пор такие зонды в основном применялись для изучения мозга грызунов. Но при работе с более крупными животными, например макаками, устройство сталкивалось с техническими ограничениями: длины зонда не хватало для доступа к глубоким структурам, а тонкий стержень было сложно ввести через плотную оболочку мозга приматов — твёрдую мозговую оболочку. Учёные из Медицинского центра Колумбийского университета совместно с разработчиками из компании IMEC создали новую модификацию — Neuropixels 1.0 NHP (Non-Human Primate), специально адаптированную для работы с крупными мозгами. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Neuroscience.

Конструкция и возможности

Новый зонд изготовлен в виде цельной 54-миллиметровой пластины кремния, в которой объединены рабочая часть (шанк) и электронная база. Рабочий стержень длиной 45 мм, шириной 125 мкм и толщиной 90 мкм заметно прочнее и острее, чем у оригинальной версии. Кончик затачивается под углом 25°, что облегчает проникновение и минимизирует повреждения тканей. Вдоль рабочей части расположено 4 416 мини-электродов (пикселей), сгруппированных в 11,5 «банков» по 384 канала. Исследователь может выбрать любой банк и получать одновременные записи с 384 точек, не перемещая физически сам зонд.

Это позволяет сканировать активность нейронов на всей глубине проникновения. Электроника использует ту же низкошумную систему считывания и программируемое усиление, что и в первой версии Neuropixels, обеспечивая высокое качество сигнала. Толщина зонда и его острота позволяют успешно проходить твёрдую мозговую оболочку приматов, а большая длина открывает доступ к областям, ранее недостижимым для подобных приборов.

Прорыв в нейрофизиологии

Разработчики протестировали устройство на макаках в четырёх типах экспериментов. В зрительной коре удалось одновременно регистрировать активность тысяч нейронов в нескольких областях, отвечающих за восприятие зрительных сигналов, и проследить, как меняются рецептивные поля на разных уровнях глубины коры. При записи из моторных структур — от первичной моторной и премоторной коры до глубинных ядер — зафиксированы сложные временные паттерны активности, что позволило повысить точность прогнозирования силы движений. Зонд достиг труднодоступной зоны — глубоких «лицевых» участков нижневисочной коры, где удалось за одну сессию выделить сотни нейронов, участвующих в распознавании лиц, — раньше на это ушли бы годы. В области, связанной с принятием решений, регистрировались динамические изменения активности, отражающие накопление сенсорной информации и уникальные паттерны, видимые только при записи с высокой плотностью.

Технические новшества

Чтобы создать такой длинный и прочный зонд, инженерам пришлось применить метод «стежки» — точного совмещения элементов на разных фотолитографических масках, а также использовать специальные компенсирующие слои для предотвращения изгиба. Внутренние проводники были утолщены и разнесены, чтобы снизить сопротивление, шум и взаимные помехи. Высокая плотность электродов улучшает автоматическую сортировку сигналов и позволяет отслеживать активность одного и того же нейрона даже при микродвижениях зонда относительно ткани. При этом новая версия экономичнее аналогов: полный комплект оборудования стоит от 7 до 15 тысяч долларов, что значительно ниже стоимости многих других многоканальных систем.

Перспективы

В будущем Neuropixels 1.0 NHP может стать стандартом для нейрофизиологических лабораторий, работающих с приматами и другими крупными животными. Он позволит картировать работу мозга с точностью до одного нейрона, исследовать связи между клетками и одновременно регистрировать активность в удалённых друг от друга зонах. Разработчики уже планируют следующую версию с возможностью полухронических имплантаций на дни и недели, а также вариант с функцией интракортикальной микростимуляции — электрического воздействия на отдельные области мозга. Всё это откроет путь к экспериментам, которые ранее считались невозможными, и поможет глубже понять, как нейронные сети обеспечивают восприятие, движение и мышление.

• Смартфон сможет измерять пульс при разблокировке: новая технология открывает путь к массовому мониторингу здоровья
• Искривлённый графен показал скрытый «переключатель» сверхпроводимости
• Роботы-гуманоиды идут в школу: в Китае готовят машины к реальной жизни
• Популярные чат-боты ИИ имеют тревожную уязвимость в шифровании — это означает, что хакеры могли легко перехватывать сообщения
• Грибы как компьютерные чипы: учёные создают «живую память» из шиитаке
• Учёные создали трёхслойное микрофлюидное устройство для сверхэффективного охлаждения электроники
• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах
• Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков