Как клетки мозга взаимодействуют друг с другом, остается в значительной степени загадкой, но зонд, который записывает сигналы от нейронов с беспрецедентной четкостью и точностью, может помочь раскрыть эти секреты, согласно исследованию, проведенному исследователями из Массачусетской больницы общего профиля (MGH) и коллегами из нескольких других. учреждения. Эти результаты, опубликованные в журнале Nature Neuroscience , могут заложить основу для лучшего понимания того, как работает мозг, происхождения неврологических заболеваний и многого другого.
В 2017 году бельгийская компания цифровых технологий под названием IMEC совместно с Медицинским институтом Говарда Хьюза (включая исследовательский кампус Джанелия) представила зонд Neuropixels, инструмент для регистрации активности клеток мозга или нейронов. «Устройство Neuropixels произвело революцию в области неврологии», — говорит нейробиолог и электрофизиолог Анжелика Полк, доктор философии, научный сотрудник Центра нейротехнологий и нейровосстановления MGH и ведущий автор исследования.
Более ранние технологии регистрации активности нейронов обычно основывались на относительно больших электродах, вставленных в мозг. «Они могут измерять активность тысяч клеток мозга одновременно, но это дает размытое изображение», — говорит Полк. Она переключается на аналогию со звуком, чтобы описать качество записи на старых устройствах: представьте, что вы стоите посреди переполненного футбольного стадиона и слушаете рев толпы. Напротив, датчик Neuropixels намного меньше, но имеет гораздо лучшее разрешение. «Вместо этого вы как будто можете записывать сотни отдельных голосов, каждый со своим микрофоном», — говорит Полк.
Однако оригинальный зонд Neuropixels был разработан как исследовательский инструмент для использования на небольших лабораторных животных, таких как грызуны.
Нейробиологи сразу же проявили интерес к инструменту, который можно было бы использовать для изучения человеческого мозга, что требовало некоторой модификации. Например, оригинальный зонд Neuropixels был слишком хрупким для использования в большом человеческом мозгу, поэтому его пришлось сделать толще. Тем не менее, говорит Полк, зонд имеет толщину примерно в три волоска.
Целью отчета Nature Neuroscience была разработка методов использования модифицированного зонда Neuropixels для регистрации активности мозга у пациентов, подвергающихся нейрохирургии в операционной. Девять пациентов, которым уже была назначена нейрохирургия для лечения нескольких различных состояний, согласились позволить нейрохирургам MGH записывать активность их мозга во время процедур.
Команда, в которую входили специалист по эпилепсии Сидней Кэш, доктор медицинских наук, и нейрохирург Зив Уильямс, доктор медицинских наук, оба из MGH, столкнулись с трудностями при использовании зонда Neuropixels на людях, поскольку шесть попыток записать активность мозга не увенчались успехом. Тем не менее, им удалось успешно зарегистрировать активность мозга у трех пациентов, один из которых проходил лечение от эпилепсии, а два других получили имплантаты для обеспечения глубокой стимуляции мозга для лечения двигательных расстройств. У одного из последних пациентов команда зафиксировала активность 202 отдельных нейронов.
Почему важно записывать поведение отдельных нейронов? «Благодаря новым инструментам с более высоким разрешением мы обнаружили, что разные типы клеток делают очень интересные вещи», — говорит Полк. Например, возбуждающие нейроны генерируют сигналы, а тормозные нейроны замедляют или останавливают их. Уже имеющиеся небольшие зонды могут регистрировать активность одного или двух нейронов, «но это означает, что вы на самом деле не фиксируете разнообразие типов клеток», — говорит Полк. «Возможность выборки 200 клеток одновременно говорит нам, как клетки разговаривают друг с другом. Это особое взаимодействие, которое позволяет нашим мозговым схемам работать».
По словам Полка, расшифровка связи между нейронами с помощью зонда Neuropixels и других инструментов может привести к новым открытиям о неврологических состояниях, таких как эпилепсия, и о том, как опухолевые клетки проникают в соседние клетки мозга , а также помочь разработчикам инструментов, позволяющих людям с ограниченными возможностями использовать свой мозг для управления компьютерами и роботизированными устройствами, которые позволяют им жить более независимо. В конечном счете, эта новая технология может дать бесценную информацию о самой природе познания, например о том, как мы формируем мысли и воспринимаем окружающий мир.
Полк — преподаватель неврологии в Гарвардской медицинской школе (HMS). Кэш является адъюнкт-профессором неврологии в HMS и руководит лабораторией Cash Lab в Центре нейротехнологий и нейровосстановления MGH. Уильямс является адъюнкт-профессором нейрохирургии в HMS и руководит лабораторией Уильямса в Центре восстановления нервной системы в HMS.
