Neueste Neuropixels Sonden können Neuronen für mehrere Wochen überwachen

The Neuropixels 2.0 probe (bottom) is smaller than the first generation (top) and can monitor neural activity over weeks.

Die neuen Tools bauen auf dem Erfolg der ursprünglichen Neuropixels-Sonden auf, die 2017 vorgestellt wurden und derzeit in mehr als 400 Laboren eingesetzt werden. Neuropixels 2.0 sind viel kleiner - etwa nur noch ein Drittel so groß wie der Vorgänger. Sie wurden entwickelt, um die elektrische Aktivität von mehr individuellen Neuronen aufzuzeichnen und haben die einzigartige Fähigkeit, diese Aktivität über längere Zeiträume zu verfolgen. Das macht sie besonders nützlich für die Untersuchung von Langzeitphänomenen wie Lernen und Gedächtnis bei kleinen Tieren wie beispielsweise Mäusen, so Tim Harris, ein Senior Fellow am HHMI's Janelia Research Campus, der das Projekt leitete. Harris und seine Kollegen beschreiben den Fortschritt in einem Artikel, der am 16. April online in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde.

Die Fortschritte von Neuropixels 2.0 beruhen auf mehreren Schlüsselinnovationen, erklärt Harris. Janelias Wissenschaftler und Ingenieure entwickelten neue Wege zur Verarbeitung der Daten. Durch geschickte Änderungen am Layout der Sonden konnten diese für bestimmte Aufgaben besser ausgelegt werden. Und die Ingenieure von imec, dem gemeinnützigen Nanoelektronik-Forschungszentrum, das die Sonden herstellt, nutzten die firmeneigene Technologie von imec, um die Sonde zu entwerfen, zu entwickeln und zu fertigen.

"Diese einzigartige Plattform ermöglichte es uns, eine kleine Sonde mit hoher Messstellendichte und Langzeitstabilität zu entwickeln", beschreibt Barun Dutta, Chief Scientist am imec.

Die Verfolgung ein und derselben Nervenzelle über einen längeren Zeitraum war eine anhaltende Herausforderung, erklärt Harris, denn Gehirne bewegen sich ein wenig, wenn sich Tiere bewegen. Jede Neuropixels-Sonde enthält mehrere Messpunkte - Punkte, die neuronale Signale aufzeichnen. Die neueste Version hat mehr dieser Messpunkte, und sie sind näher beieinander angeordnet. Wie bei der Positionierung von vielen Mikrofonen in einem überfüllten Raum macht es die Designänderung wahrscheinlicher, dass ein Neuron, das außerhalb der Reichweite einer Aufnahmestelle wandert, immer noch von einer benachbarten Stelle aufgenommen wird. Anna Lebedeva, eine Studentin im Labor von Matteo Carandini am University College London, sammelte Daten, die diesen Effekt zeigen. Und der Leiter der Janelia-Gruppe, Marius Pachitariu, entwickelte eine Software zur Verfolgung der Neuronen.

Während die ursprünglichen Neuropixels-Sonden nur ein schmales Metallstück haben, das in das Gehirn eindringt, hat die neue Version vier. Das bedeutet, dass die Aufnahmestellen über einen größeren Bereich verteilt sind, was eine effizientere Aufzeichnung in vielen wichtigen Hirnbereichen ermöglicht, insbesondere in dünnen Schichten innerhalb des Gehirns.

In Experimenten an Mäusen fand das Team heraus, dass sie mit zwei Sonden elektrische Signale von mehr als 6.000 verschiedenen Stellen abgreifen konnten, sagt Erstautor Nick Steinmetz, ein Forscher am UCL und der University of Washington.

Prototypen der neuesten Version werden derzeit von Neurowissenschaftlern in Laboren in aller Welt getestet und anhand der Erfahrungen der Nutzer optimiert und verfeinert. Harris und seine Kollegen hoffen, dass das Produkt irgendwann im Jahr 2022 für eine weite Verbreitung bereit sein wird.

Das Konsortium Neuropixels 2.0 wird von Tim Harris am Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute geleitet und umfasst Gelder von und Wissenschaftler am University College London (UCL), an der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) in Trondheim, Norwegen, an der Neuroelectronics Research Flanders (NERF) in Leuven, Belgien, und am Champalimaud Centre for the Unknown in Lissabon, Portugal.

Citation:

Nicholas A. Steinmetz, Cagatay Aydin, Anna Lebedeva, Michael Okun, Marius Pachitariu, Marius Bauza, Maxime Beau, Jai Bhagat, Claudia Böhm, Martijn Broux, Susu Chen, Jennifer Colonell, Richard J. Gardner, Bill Karsh, Fabian Kloosterman, Dimitar Kostadinov, Carolina Mora-Lopez, John O’Callaghan, Junchol Park, Jan Putzeys, Britton Sauerbrei, Rik J. J. van Daal, Abraham Z. Vollan, Shiwei Wang1, Marleen Welkenhuysen, Zhiwen Ye, Joshua Dudman, Barundeb Dutta, Adam W. Hantman, Kenneth D. Harris, Albert K. Lee, Edvard I. Moser, John O’Keefe, Alfonso Renart, Karel Svoboda, Michael Häusser, Sebastian Haesler, Matteo Carandini, and Timothy D. Harris. “Neuropixels 2.0: A miniaturized high-density probe for stable, long-term brain recordings.” Science, published online April 16, 2021. Doi: 10.1126/science.eabf4588.