Registre a atividade da grande população de neurônios nas mentes dos primetes não humanos

Para mapear os mamíferos com crescente precisão e suas várias funções, os neurocistratos dependem de técnicas de imagem de alta resolução e outros dispositivos experimentais avançados. Isso inclui sonda de silicone de alta densidade, equipamento em forma de agulha, que integra vários eletrodos, que podem ser inseridos nos tecidos cerebrais para fazer alterações de tensão associadas ao disparo de neurônios.

Esses dispositivos foram usados principalmente para monitorar e estudar a atividade dos neurônios no cérebro de roedores. No entanto, eles provaram ser menos eficazes ao estudar o cérebro de primetes não humanos (NHPs), como o MACAC, que se assemelham mais ao cérebro humano.

Pesquisadores do Columbia University Medical Center e Columbia University demonstraram recentemente uma capacidade de Neuropixels 1.0 NHP, um mais escalável Teste Desenvolvido pela IMEC, para coletar gravação nervosa em todo o cérebro e de alta resolução em Macak e outros NHPs.

Seu projeto resultou em um artigo Publicado Em Neurologia da naturezaAssim,

“Nosso artigo foi inspirado por um requisito fundamental na comunidade de neurociência para remover as limitações das tecnologias existentes de gravação nervosa nos NHPs”, disse a Medical Express.

“A sonda Neuropixels 1.0 original, embora transformadora para modelos de roedores, apresentava funcionalidade limitada no NHPS devido ao seu comprimento de 10 mm, que proibia o acesso a objetivos de superfície do cérebro e uma perna fina (24 μm) que fizeram a entrada na Primet Dura Matter. Gaur”.

Trautmann e seus colegas estavam procurando uma investigação que lhes permitisse corrigir e registrar firmemente a atividade nervosa no cérebro de NHPs e outros animais grandes. Eles queriam que esse dispositivo também registrasse a atividade de uma grande população de neurônios com resolução de neurônios únicos e de ponta única, ou, em outras palavras, separasse a atividade de neurônios únicos e descubra a capacidade de ação individual.

“O novo eletrodo de gravação desenvolvido pelo IMEC é cunhado como um pedaço de silício ininterrupto de 54 mm-lumba que integra as pernas e os eletrônicos de base”, explicou o Tratman.

“As investigações têm o Neuropixel 1.0 original, com uma perna mais longa, mais larga e grossa (45 mm de comprimento, 125 μm de largura e 90 mícrons de espessura)”.

A investigação realizada pelos autores possui um total de 4.416 locais de gravação (ou seja, pixels), distribuídos ao longo de todo o comprimento de seus 45 mm afundados e são escavados em 11,5 “bancos” de cada 384 canais. Em particular, os usuários podem escolher um desses “bancos” para coletar gravação em 384 sites, através de um comutador localizado abaixo de cada site.

“O exame utiliza canais de leitura de baixo crescimento uniforme com vantagens programáveis e uma resolução de 10 bits na plataforma CMOS de 130 nm de silicone sobre insulteros como Neuropixels 1.0 com uma resolução de 10 bits”, disse Trotman.

“A ponta da perna é mecanicamente moída a 25 ° de ângulo de bisada no plano lateral, fazendo uma ponta afiada com os dois eixos para reduzir a conveniência e os danos nos tecidos”.

O novo dispositivo Neuropixels fornece acesso profundo a neurocistratos em estruturas no cérebro de animais grandes, que não podem ser acessados por uma sonda de baixa densidade de alta densidade. Além disso, sua espessura de 90 μm e cone mais nítido permitem penetrar efetivamente na membrana dura que cobre o cérebro e a medula espinhal primitados, conhecidos como matéria Primat dura.

“Outros benefícios de nossa abordagem incluem sua escalabilidade e alta contagem de canais, ou, em outras palavras, selecionando 384 canais de mais de 4.400 locais e coletando gravações de vários campos simultaneamente de milhares de neurônios”, disse Tratman.

“Esse recurso permite que os usuários reduzam o processo de personalização do espaço de gravação da posição de investigação, facilitando pesquisas de atividade nervosa com a duração de toda a investigação sem movimento físico”.

Como a sonda recém -desenvolvida é maior que as reticuladas individuais (ou seja, máscaras), geralmente usadas para criar equipamentos através de técnicas fotolitográficas, seus desenvolvedores tiveram que criar uma abordagem para permitir seu sentimento confiável. Isso incluiu uma estratégia de “costura” para evitar camadas de compensação de estresse, juntamente com tensões em vários estágios, bem como tensões que impedem que ela se dobre.

“Os fios metálicos internos foram ampliados e esticados para reduzir a resistência, o ruído térmico e a crossstock”, disse Trotman. “Outra vantagem de nossa investigação é sua alta resolução espacial. Sites de gravação densos facilitam a poda automática de alta qualidade e também permitem o rastreamento contínuo de neurônios com a velocidade de velocidade entre a investigação e o tecido”.

Comparado às tecnologias existentes, a sonda Neuropixel 1.0 NHP também é mais econômica. Assim, isso pode reduzir drasticamente o custo do registro de neurônios, com um custo total do sistema entre US $ 7.000 e US $ 15.000.

“Demonstramos a capacidade de investigar quatro exemplos em Makak, abordando questões de diversas ciências neurológicas”, disse Tomon.

“Mostramos grandes pesquisas em escala de organização retinotópica em várias áreas corticais visuais adicionais, registramos milhares de neurônios simultaneamente e retratavam mudanças sistemáticas de áreas receptivas na profundidade cortical.

“Também coletamos gravações estáveis e em grande escala durante o comportamento motor nas estruturas superficiais e profundas (por exemplo, córtex motor primário, córtex pré -ter, área motora suplementar), também coletamos gravações em grande escala durante o comportamento motor, demonstrando uma força melhor com diversos padrões cósmicos e mais neurônios”.

Usando a nova sonda, os pesquisadores também podem registrar atividades em uma área do cérebro do NHP que geralmente é difícil de acessar (ou seja, córtex do córtex infotampos profundo), enquanto todos os animais estavam olhando para imagens de rostos. Durante uma única sessão de coleta de dados, eles foram capazes de detectar centenas de neurônios que pareciam contribuir para o reconhecimento de rostos, que estariam envolvidos nos primeiros anos.

“Também demonstramos a utilidade da investigação para estudar a correspondência de teste único para fazer a correspondência de tomada de decisão, mostrando como a população de neurônios do Lip e melhor coliculus (SC) acumulam evidências e apenas demonstram mobilidade específica por meio de análises de teste único de alto produto”, afirmou.

“A alta densidade também apresentou medição de correlação de pico entre pares de neurônios, indicando uma conexão sináptica ou entrada compartilhada para permitir o mapeamento de conexões putativas na lâmina cortical e entre as áreas.

Este estudo recente pode em breve abrir novas possibilidades valiosas para pesquisas neurológicas que envolvem animais grandes. Ao superar vários desafios de engenharia amplamente relatados, a nova investigação sobre o IMEC registrou firmemente a atividade dos neurônios no cérebro de primetes não humanos.

“Enfrentamos com sucesso importantes desafios de engenharia relacionados a sondas de silício em grande escala que têm mais do que os tamanhos repicais fotolitográficos padrão através da costura e projeção de resistência e flexibilidade mecânicas (camadas de compensação de tensão) para pernas longas”, disse Totman.

“Essa técnica permite novas seções de experimentos já impraticáveis ou impossíveis. Ele contém amplo mapeamento eletrofisiológico de regiões do cérebro na resolução de neurônios únicos e de pico único, medindo picos de espuma entre as células e conduz gravações elegíveis para o cérebro juntas em uma escala sem precedentes”.

No futuro, a sonda Neuropixels 1.0 NHP pode ser implantada em outros laboratórios em todo o mundo, o que atualmente reduz os esforços, recursos e custos associados ao cérebro que estuda cérebro. Grandes animaisTambém pode permitir experimentos neurológicos mais avançados e complexos associados ao NHP, o que pode levar a novas descobertas emocionantes.

“Nossa investigação apresenta um mapeamento mais abrangente e justo da atividade nervosa em muitas áreas do cérebro e profundidade, necessária para entender a ação coordenada da grande população neuronal envolvida em operações sensoriais, motoras e cognitivas”, disse Tomon.

“Isso também pode permitir que os pesquisadores façam análises de teste único Atividade nervosa Em alta resolução, o que é particularmente importante para estudar funções cognitivas, onde os procedimentos cerebrais podem variar no funcionamento. , Assim,

Se usado para mapear os circuitos nervosos, a sonda Neuropixel 1.0 NHP pode em breve ajudar a entender melhor como o cálculo específico de circuitos físicos no cérebro de grandes mamíferos. Enquanto a versão atual do dispositivo é adaptada principalmente às gravações agudas, o IMEC está atualmente trabalhando para melhorar suas habilidades.

“Como parte de nossos próximos estudos, planejamos desenvolver novos hardware e testar semi-corronic (vários dias ou semanas)”, disse Trotman.

“Isso exigirá um novo design de implantes e atualmente possui uma capacidade não utilizada, mas compreensível, com métodos e hardware adequados. Além disso, estamos trabalhando no desenvolvimento da sonda com recursos de microestimulação intracortical (ICMS), o que ainda não é possível. No entanto, a geração atual de investigação pode ser usada para registrar com estimulação por meio de um eletrodo separado”.

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